[发明专利]使用预堆叠的多方向连续纤维叠层模制复杂复合部件的方法

说明书

技术领域

本发明总体涉及纤维加强复合结构和用于制造该结构的模制材料。更尤其地，本发明涉及单向预浸渍体带的使用，以形成预堆叠(pre-plied)的，多向的连续纤维叠层，其适合用于经由近似网形的预制件模制复杂的三维纤维加强复合结构。

背景技术

纤维加强复合结构通常包括作为两个主要部件的树脂基体和纤维。这些结构很好地适合用于苛刻的环境，诸如，在高强度和轻重量的组合是重要的航空航天领域。

预浸渍复合材料(预浸渍体)广泛地用于复合部件和结构的制造。预浸渍体是未固化的树脂基体和加强纤维的组合，其常用于模制和固化形成最终的复合部件。通过使用树脂预浸渍加强纤维，制造商可以仔细地控制被预浸渍进入纤维网的树脂的数量和位置，并且保证了树脂在纤维网中如期望般分布。预浸渍体是在制造载荷承载结构部件中，特别是在机翼、机身、舱壁和控制表面中使用的载荷承载飞行器部件中使用的优选材料。重要的是这些部件具有惯常为这些部件建立的足够的强度，损伤容限和其它要求。

单向(UD)带是预浸渍体的通常形式。在单向带中的纤维是彼此平行延伸的连续纤维。纤维通常是以数个个体纤维或者称为“丝束”的细丝的束的形式。单向纤维浸渍有仔细控制数量的未固化树脂。UD浸渍体通常放置在保护层之间以形成UD最终带，其卷绕起来用于存储或者运输至制造设备。UD带的宽度通常范围从小于1英寸至1英尺或者更多。

单向带没有良好地适合用于使用压缩模制技术形成复杂三维结构的模制复合物。当UD带被强迫配合复杂部件的特征时，在UD带中纤维的平行的方向和连续的本质致使纤维聚成束或者形成桥接。结果，使用UD带的复杂三维部件的制造已经被限制为艰苦的过程，在该过程中UD带的单独层被直接应用至三维模具，三维模具接下来在高压釜或者其它模制设备中进行处理。使用UD带的该成层(lay-up)步骤往往是漫长且成本昂贵的操作。

已经发现适合用于压缩模制复杂部件的模制复合物通常应用更易于配合部件构造的随机定向短纤维。然而，当被装配成随机配合时，该短纤维的使用引入了局部重量变动。该重量变动产生几个问题。例如，它会造成合层设计的复杂性，当装配几个高可变合层用于特定部件几何尺寸时，合层设计不得不适应于所有的可能的总的重量结果。短纤维的随机配合中的局部重量变动也造成模制期间的不规则，因为低重量的区域由高重量的区域补偿。该补偿过程不可预测地一个模制部件不同于下一个模制部件，也在给定部件的不同特征之间不同。结果，设计者难于预测和确定模制复合物设计对于形成期望的部件是否是足够的。

鉴于上述情况，存在持续的需要以提供浸渍体模制方法，其适合在具有相对复杂形状的压缩模制加强纤维复合结构中使用。对于该方法的需要在部件强度是首要考虑的情况下是特别重要的。

发明内容

根据本发明，公开了单向(UD)带可以形成为可以被处理为适于模制的预堆叠的，多向的叠层。预堆叠的叠层通过取UD带的单独层并在彼此的上方放置它们得以形成，以使得该叠层的这些层或者层板包含沿不同方向延伸的纤维。本发明的预堆叠叠层不具有任何明显的重量变化，重量变化可能在模制期间引起可能影响模制的三维结构的结构化性能的变化。此外，发现预堆叠的叠层的多向本质允许部件设计师以在叠层中切出槽，然后折叠该叠层为接近于三维部件的最终形状的形状。要被固化的部件的该近似网形或者“预成形”避免了之前当UD带直接用于模制复合物时产生的纤维成束和搭桥的问题。

本发明针对在预堆叠的，多向叠层被折叠成可以接着固化成复合结构的预制坯的情况下，用于形成纤维加强复合结构的方法。该预堆叠叠层包括至少第一层预浸渍体和第二层预浸渍体，其中每个预浸渍体层包括未固化的树脂基体和单向纤维。作为本发明的一个特征，在两个预浸渍体层中的单向纤维的方向是不同的。对叠层进行折叠以形成预制坯会在模制期间提供控制纤维取向的能力，且因此使得三维部件非常坚固，尤其适合用于在航空器中和在其它航空航天设备中使用。

本发明也针对使用该叠层制作的纤维加强复合结构。此外，使用叠层的切下部分形成的预制坯由本发明覆盖。进一步，航空航天组件，诸如航空器，其包括使用该预堆叠的叠层制作的纤维加强复合结构由本发明覆盖。

作为本发明的一个特征，该叠层切下部分可以沿着彼此相交的至少两根折叠线折叠以形成三维部件。此外，该叠层在折叠线相交处开槽从而提高折叠过程和避免纤维桥接。包含槽也允许了设计师形成折叠预制坯，在此情况下，纤维如期望般取向以满足加强设计要求。

本发明的上述和许多其它特征和附随的优点通过当结合附图时，参照接下来的详细说明会变得更好理解。

附图说明