[发明专利]具有低热膨胀系数的蜂窝结构以及由该蜂窝结构制成的制品

说明书

发明背景 

1.发明领域

本发明涉及其厚度对温度变化基本上不敏感的高性能蜂窝结构。 

2.背景技术

高模量蜂窝结构用于各种应用中，在这些应用中对温度变化的尺寸稳定性很重要，例如在飞机应用中。传统上此类蜂窝结构由采用高模量对位芳族聚酰胺纤维和间位芳族聚酰胺沉析纤维粘合剂制成的纸材所制成。由于这些芳族聚酰胺材料的性质，由这些材料制成的蜂窝结构在尺寸上非常稳定。潜在地，用热塑性粘合剂制成的纸材在制成蜂窝结构时，在把蜂窝结构加工成所需构型的最终夹心面板的过程中，可使蜂窝结构的成型更加容易。然而，使用热塑性粘合剂制成的蜂窝结构会受到因温度变化而引起的过度尺寸变化的影响。因此，需要的是使用热塑性粘合剂的纸组合物，把该纸材制成蜂窝结构后得到在尺寸上对宽温度范围内的温度基本上不敏感的蜂窝结构。 

发明简述 

本发明涉及包含具有结构或基质树脂的单元壁的蜂窝结构，该单元壁的平面平行于蜂窝结构的Z向，所述蜂窝结构单元壁包含按蜂窝结构单元壁中热塑性材料和高模量纤维的总量计5至35重量份的热塑性材料，该热塑性材料具有120℃至350℃的熔点和小于180ppm/℃的热膨胀系数；以及65至95重量份的高模量纤维，该高模量纤维具有525克/旦尼尔(480克/分特)或更高的模量并且具有2ppm/℃或更小的轴向热膨胀系数；其中蜂窝结构具有根据ASTM E831测量的Z向上10ppm/℃的热膨胀系数。本发明还涉及由该蜂窝结构制成的制品，此类制品包括面板和空气动力学结构。 

附图简述 

图1a和1b为六边形形状的蜂窝结构的图示。 

图2为六边形单元形状的蜂窝结构的另一图示。 

图3为具有面片材的蜂窝结构的例示。 

发明详述 

本发明涉及由包含高模量纤维和热塑性材料的纸材制成的蜂窝结构，该蜂窝结构的厚度或“Z”向对温度变化基本上不敏感。 

图1a为本发明蜂窝结构的一个例示。图1b为图1a所示蜂窝结构的正交视图，图2为该蜂窝结构的三维视图。所示为具有六边形单元2的蜂窝结构1。图2中示出了蜂窝结构的“Z”向或厚度。虽然所示为六边形单元，然而，其他几何排列也是可能的，其他最普遍的可能排列为正方形和挠曲芯单元。此类单元类型在本领域中是所熟知的，有关可能的几何单元类型的其他信息，参考“Honeycomb Technology”(T.Bitzer著，Chapman & Hall出版社，1997年)。 

在许多实施方案中，蜂窝结构具有结构或基质树脂，通常为可完全浸渍、浸润或涂覆蜂窝结构单元壁的热固性树脂。随后使树脂进一步交联或固化，以获得蜂窝结构的最终特性(刚度和强度)。在一些实施方案中，这些结构树脂包括环氧树脂、酚醛树脂、丙烯酸类树脂、聚酰亚胺树脂、以及它们的混合物。 

根据ASTM E831进行测量，本发明的蜂窝结构在Z向上具有10ppm/℃或更小的热膨胀系数，优选为5ppm/℃或更小。这样的尺寸稳定性对太空等应用至关重要，在这些应用中，材料(如果旋转)将在两个极端温度之间循环，材料在膨胀和收缩时会造成结构的显著弱化。其他应用包括机翼结构的前缘，其中蜂窝结构暴露于起飞/着陆和飞行(约8000米以上)之间的极端温度变化中。期望此类材料不会随温度而产生尺寸变化，或者CTE尽可能接近零。因此如本文所用，正CTE限制(positive CTE limitation)是指材料尺寸的增大或膨胀不会超出该量；负CTE限制(negative CTElimitation)是指尺寸的减小或收缩不会超出该量。 

使用TA Instruments热机械分析仪可直接在蜂窝结构上测量蜂窝结构 的CTE。就单元尺寸为3mm的蜂窝结构而言，优选的样本尺寸为6mm×6mm×25mm(测量方向)。也可在稳定的蜂窝结构(即具有一个或多个面片材的蜂窝结构)上进行这些测量，其中面片材的特性将从复合材料特性中减掉。 

蜂窝结构的单元壁优选由包含高模量纤维和热塑性材料的纸材形成。在一些实施方案中，术语纸材是采用其标准含义，并且是指使用常规的湿法成网造纸工艺和设备制备的非织造片材。然而，在一些实施方案中，纸材的定义通常包括需要粘合剂材料并且具有足以提供适当蜂窝结构的特性的任何非织造片材。