[发明专利]编织预制件、复合材料、及其制造方法

说明书

发明领域

本发明大体涉及纤维强化复合材料，并具体涉及具有在强化复合材料中使用的编织材料条的预制件（preform），其能够织平并形成到它们的最终形状中，最终形状沿一个或多个方向强化。

相关申请引入

所有专利、专利申请、文献、参考文件、制造商的使用指南、说明、产品规格和在此提到的任何产品的产品手册在此通过援引而被并入，并可被用于本发明的实践。

背景技术

现在普遍地，特别是在寻求重量轻、坚固、强韧、耐热、自支撑并适合形成和成型这些期望特性的应用中，使用强化复合材料来生产结构部件。这类部件例如用于航空、航天、卫星、娱乐（如赛艇和汽车）以及其他应用中。

典型地，这种部件由嵌入基体材料的强化材料构成。强化部件可由例如玻璃、碳、陶瓷、芳香族聚酰胺、聚乙烯之类的材料和/或展现出期望的物理、热、化学和/或其他属性（这些属性中主要的是抵抗应力破坏的大强度）的其他材料制造。通过使用这种强化材料（其最终成为所完成部件的组成元件），强化材料的期望特性，例如非常高的强度，被赋予所完成的复合部件。强化材料的组成成分典型地可被编织（woven）、针织（knitted）或编结（braided）。通常特别关注的是确保所选择的强化材料组成成分的属性得到最佳利用。通常这种强化预制件与基体材料组合，以形成期望被完成的部件，或生产用于最终生产被完成部件的工作储料（working stock）。

在构建所期望的强化预制件之后，基体材料可被引入并加入预制件，使得强化预制件典型地变得被封包在基体材料中，而且基体材料填充强化预制件的组成元件之间的空隙区域。基体材料可以是众多材料中的任一种，例如环氧树脂、聚酯（polyester）、乙烯基酯（vinyl-ester）、陶瓷、碳和/或同样展现出所期望的物理、热、化学和/或其他属性的其他材料。被选择用作基体的材料可与强化预制件的材料相同或不同，并可具有相当（comparable）或不相当的物理、化学、热或其他属性。然而，典型地，它们将不是相同的材料或具有相当的物理、化学、热或其他属性，因为在使用复合材料时，所寻求的居于首要位置的通常目的是，在被完成产品中获得多种特性的组合，而这种特性组合是通过单独使用一种组成材料不能获得的。如此组合后，强化预制件和基体材料可随后通过热固法或其他公知方法，在相同的操作中被固化和稳定，并随后向生产期望部件的方向受到其他操作。此时应特别注意，在如此固化之后，基体材料的由此凝固（solidified）的物质非常坚固地粘附到强化材料（例如强化预制件）上。因此，所完成部件上的应力，具体地经由其起到纤维之间的粘合剂作用的基体材料，可被有效地转移到强化预制件的组成材料并由强化预制件的组成材料承受。

在飞行器机身上增加对具有这种纤维预制件强化材料的复合材料的使用，已经引发对于复合材料窗框的需求。因为复合材料机身与金属框的热膨胀系数之间的差异，所以传统的金属窗框不能用于该应用。另外，必须利用寄生阻挡层（parasitic barrier ply）来消除当一些复合材料与金属接触时会出现的腐蚀问题。这些阻挡层增大了生产成本与总重量。

飞行器窗框10（例如图1所示）趋向于呈椭圆形，其中，该框的主轴弯曲以适应机身的圆柱形形状。窗框10的横截面形状（例如图2所示）例如通常是均匀的；然而，这种形状能够包括例如处于外边缘的直立腿20之类的复杂特征，和/或有助于窗户密封到飞行器的主体的所谓的“榫接部（joggle）”15。因为窗框10的椭圆形形状，直立腿20是特别难以并入复合设计内的特征。借助传统织物或带来制造这个特征需要利用省道（dart）来形成弯曲的形状。然而，这些省道增加了需用以制造预制件的手工劳动并降低了所形成的复合材料的强度。

已经开发出、并且目前正在例如波音787之类的飞行器上使用不需要直立腿的方案（例如，见美国专利公布第2008/0078876号和第2008/0169380）。这种更简单的几何形状能够使用挤压成型工艺与片状成型复合材料例如Hexcel公司的来制造。然而，对于需要直立腿的结构而言，则仍需要一种这样的方法：其能够在本体以及直立腿中设置连续纤维，并能够使得框架重量减少和/或性能提高。

例如，WO 2005115728涉及一种用于制造安装于飞行器的外壳中的窗框的方法。该结构包括外凸缘、内凸缘和垂直设置到这两个凸缘并在这两个凸缘之间的垂直凸缘。

发明内容

因此，本发明的一个目的是，提供一种形成三维预制件的方法，该三维预制件与现有技术的设计相比重量减少和/或性能提高。