[发明专利]织造预制件、纤维增强复合材料、及其制造方法

说明书

发明背景

技术领域

本发明涉及纤维增强结构。更具体地，本发明涉及织造预制件、包括织造预制件的纤维增强复合材料、及其制造方法。本发明的复合结构可以使用在飞行器结构的构造如窗框中。

关于以引用方式并入的声明

本文中所提及的所有专利、专利申请、文献、引文、以及关于任何产品的制造商的使用指南、说明书、产品规格说明书和产品介绍均以引用方式并入本申请，并且可能用于本发明的实施中。

背景技术

如今，广泛使用增强复合材料来生产结构部件，特别是在其中所寻求的材料的有利特性为重量轻、强度高、韧性高、耐疲劳、自支持并且适于成型和定形的应用中。这些部件用于例如航空、航天、卫星、娱乐(如在赛艇和赛车中)和其他应用。

通常这种部件由包埋在基体材料中的增强材料构成。增强部件可以由诸如玻璃、碳、陶瓷、芳纶纤维、聚乙烯之类的材料、和/或显示出所期待的物理、热、化学和/或其他性质(其中主要是高的抗应力破坏强度)的其他材料制成。通过使用这样的最终变为成品部件的构成元件的增强材料，赋予成品复合部件以所期望的增强材料的特性，如非常高的强度。作为组分的增强材料通常可以是机织、针织或编织的。通常，给予特别重视以确保能对作为构成组分的增强材料已有针对性进行选择的性能的最佳利用。通常将这种增强预制件与基体材料相结合以形成所期待的成品部件或制造用于成品部件的最终生产的加工料。

在已经构造了所需的增强预制件后，可以将基体材料引入并加到预制件中，使得通常增强预制件变得埋嵌在基体材料中，并且基体材料填充增强预制件的构成元件之间的间隙区域。基体材料可以是广泛种类的材料中的任何材料，如环氧树脂、聚酯、乙烯基酯、陶瓷、碳和/或同样表现出所需的物理、热、化学和/或其他性质的其他材料。被选用作基体的材料可以与增强预制件的材料相同或不同，并且可以具有或不具有相当的物理、化学、热或其他性质。但通常，其与增强预制件不是相同的材料，或不具有相当的物理、化学、热或其他性质，因为使用复合材料所寻求的常见目的首先是使成品获得组合性能，而这种组合性能不能通过仅使用一种构成材料来获得。这样，当组合在一起后，增强预制件和基体材料即可通过热固化或其他已知方法在同一操作中固化和稳定化，然后为了制造所需部件而进行其他操作。在这一点要特别注意的是，在如此固化之后，基体材料的凝固体通常很牢固地粘结到增强材料(例如增强预制件)。因此，成品部件上的应力、特别是通过其作为纤维之间的粘合剂的基体材料而作用在成品部件上的应力可被有效地传递至增强预制件的构成材料并由增强预制件的构成材料来承受。

时常需要制造构造不是诸如板状、片状、矩形或方形固体之类的简单几何形状的部件。一种制造方法是将这类基础几何形状组合成所需的更复杂的形式。在任何这些形状中，相关的考虑是使构成部件间的各接合部尽可能地坚固。假定增强预制件构成部件本身具有所需的非常高的强度，则弱接合部事实上就成为结构“链”中的“薄弱环节”。

虽然现有技术已寻求改善增强复合材料的结构完整性，并已取得了部分成果，但人们仍期望对其改善或通过不同于使用粘合剂或机械耦接的方法解决该问题。在这方面，一种方法可能是通过由专门的机器创建三维织造(“3D”)结构。然而，涉及的费用相当高，将织机用于创建单一的结构是很不可取的。另一种方法将是织造二维(“2D”)结构并将其折叠成三维形状，使得板是整体织造的，即纱线在平面基体或板部分与其他构成部分之间连续地相互交织。

具有这样的纤维预制件增强物的复合材料在飞行器中的应用的增加，这已导致对复合部件如复合材料窗框的需求。对于这些窗框来说，更优选由复合材料制成，因为窗框的热应变必须与周围结构的热应变匹配。尽管这些框架可以具有椭圆形、圆形或任何其它形状，但是这种窗框10的通常的几何形状例如如图1中示出。

这些窗框10的截面形状通常可以分解为一系列的“T”、“L”和/或“U”形。图1中窗框10的截面形状例如可以生成为例如如图2所示的背对背放置的一对“L”形状12。

航天结构通常包含具有如上面所讨论的轴对称几何形状(即，沿轴线对称的几何形状)的部件。可以使用如上面所描述的结构的其它飞行器部件为例如喷气发动机中的燃烧室和包容环(containment ring)、以及轮辋。存在许多制作具有轴对称形状的纤维增强预制件的技术。这些技术包括轮廓织造(contour weaving)、编织以及单丝缠绕(filament winding)。这些技术中的每种技术均具有优点和缺点，但是没有一种技术能够用于制造具有同心的区段(segment)形状的单一的管状预制件。