[发明专利]形状记忆合金/纤维加强的聚合复合结构及其形成方法

说明书

技术领域

本公开一般涉及由多个纤维加强的聚合板层和多个形状记忆合金片形成的复合结构，并且更具体地，本公开涉及具有通过粘合剂结合在一起的多个纤维加强的聚合板层和多个形状记忆合金片的复合结构，其中可以通过将形状记忆合金加热到转换温度来改变复合结构的形状。

背景技术

在飞机工业中，针对环境噪音和排放物以及与燃料有关的工作成本的越来越多的限制条件增加了对原始设备制造商（OEM）改进飞机效率的要求。变形能力和空气动力学表面形状的适应能力提供能帮助达到这些新要求的很多性能益处。变形结构如可变几何人字形（Variable Geometry Chevron，VGC）结构已经表现出选择性地控制表面几何形状的能力，以便在起飞和巡航期间修改喷气发动机排气流，从而减少城市噪音。Boeing设计的VGC使用经历热致形变的形状记忆合金（SMA）弯曲类型致动器，其中该热致形变与碳纤维加强的塑料（CFRP）人字形表面起反应。基于SMA的飞机结构的其他潜在应用包括在巡航期间用于升力对阻力（lift-to-drag）改进的变形机翼结构。

SMA是必须包括在小体积设计包络中的变形结构的期望有效组分。它们对于需要大作用力输出的应用是理想的，否则机动化零件不能利用传统致动形式来实现该大作用力输出。基于SMA的变形结构的当前设计需要金属硬件如紧固件来将SMA连接到复合的或铝的飞机表面上。离散连接的应用可能通过在SMA、紧固件和支撑结构中集中负载和热应力而限制性能。紧固件连接也通过对结构增加重量和占据额外的空间限制设计自由度。

图1A-1D中显示了需要金属硬件如紧固件的基于SMA的变形结构的一种此类当前设计。该设计显示机翼横断面，其图示说明机翼100的可展开分叉的后缘102。图1A显示在没有展开的情况下处于装载位置的机翼100。机翼100的说明性横断面图在图1B中显示为通过机械紧固件108将SMA致动器104紧固到机翼100的外表面106上的常规方法。由于棒状致动器几何形状和紧固件108，装载的开叉后缘102具有有限的设计空间。

图1C和图1D进一步显示在展开情况下通过机械固定配备有SMA致动器的机翼。图1C显示在SMA致动器104被致动之后的分叉后缘112。图1D示出展开的分叉后缘102，其中SMA致动器104被机械固定到外表面106上，且其中在基底106和致动器104中的紧固件108的位置上出现大的局部应力。

因此，开发粘附地结合的SMA-FRPP接头以增加变形结构设计空间和效率将是有利的。

发明内容

本发明公开一种粘附地结合的SMA-FRPP（纤维加强的聚合板层）层压件致动的结构。SMA致动器被粘附地结合到121℃（250℉）固化增韧的环氧树脂上。溶胶凝胶表面处理技术被用于制备镍-钛（镍钛诺）致动器的结合表面。热压机被用于在粘合剂固化期间抑制致动器/层压件装配。利用形状记忆行为的热机械构成模式的有限元分析被用于分析在致动循环期间粘附地结合和机械紧固的结构中的应力集中。通过测量贯穿延长的热致致动循环的层压件偏斜来检验结合的混合结构的性能和耐用性。然后将这些结果与由机械紧固连接的类似混合结构进行比较。本公开表现出用于变形空气动力学结构的粘附性结合的耐久性和效率。

本公开一般涉及一种复合结构，其具有至少两个碳纤维预浸料板层以及在至少两个碳纤维预浸料板层之间的至少一个形状记忆合金片。形状记忆合金片的厚度可以在大约0.002英寸与大约0.25英寸之间。形状记忆合金片也可以在其顶表面和底表面上具有胶粘底漆层和环氧树脂粘附层。

本公开也涉及一种复合结构，其具有至少两个形状记忆合金片以及在至少两个形状记忆合金片之间的至少一个碳纤维预浸料板层。

本公开通常进一步涉及一种碳纤维复合结构，其具有第一多个碳纤维预浸料板层和与第一多个碳纤维预浸料板层交错的第二多个形状记忆合金片。第二多个形状记忆合金片中每一个的厚度在大约0.02英寸与0.25英寸之间。第二多个形状记忆合金片可以进一步使其顶表面和底表面中的至少一个涂覆有胶粘底漆层和环氧树脂粘附层。胶粘底漆层可以是溶胶凝胶涂覆层。

本公开通常进一步涉及一种用于制作碳纤维复合结构的方法，其包括以下步骤：提供第一多个碳纤维预浸料板层；提供第二多个形状记忆合金片；利用胶粘底漆层涂覆第二多个形状记忆合金片之一的顶表面和底表面中的至少一个；在被涂覆的形状记忆合金片上涂覆环氧树脂粘合剂层；将被涂覆的形状记忆合金片与第一多个碳纤维预浸料板层中的至少两个交错，形成层压件；以及在加热和压力下固化层压件，形成碳纤维复合结构。