[发明专利]聚合物复合材料及其工艺

说明书

技术领域

本发明涉及复合材料，并且更特定而言涉及用于制造复合材料的工艺，复合材料包括用包含粉末的树脂浸润的加强织物。

背景技术

图1示意性地表示本领域中已知类型的高旁通涡轮风扇发动机10。发动机10示意性地表示为包括风扇组件12和核心发动机14。风扇组件12显示为包括复合风扇壳体16和从风扇叶片18阵列向前突出的旋转器(spinner)鼻部20。旋转器鼻部20和风扇叶片18两者均由风扇盘(未显示)支撑。核心发动机14表示为包括高压压缩机22、燃烧器24、高压涡轮26以及低压涡轮28。进入风扇组件12的大部分空气绕到发动机10的后部而生成额外发动机推力。绕过的空气通过环形旁通管道30且通过风扇喷嘴32离开管道30。风扇叶片18由风扇机舱34包围，该风扇机舱限定了旁通管道30的径向外部边界以及到发动机10和风扇喷嘴32的入口管道36。核心发动机14被核心整流罩(cowl)38包围，该核心整流罩限定了旁通管道30的径向内部边界以及从核心发动机14向后延伸的排气喷嘴40。

风扇机舱34是重要的结构构件，其设计考虑包括空气动力学标准以及承受异物损伤(FOD)的能力。由于这些原因，重要的是在制造机舱34时选择适当的构造、材料以及组装方法。已经考虑了各种材料和配置，广泛地使用金属材料且特别是铝合金。也考虑过复合材料，诸如利用碳(石墨)纤维或织物加强的环氧树脂层压材料，因为它们提供优点，包括能够制造为尺寸足以满足空气动力学标准、轮廓控制以及减轻的重量的单件部件，其提高了发动机效率并改进了燃料消耗比(SFC)。

当发动机在地上并且特别是在航行条件下时，航空发动机机舱经受结冰条件，特别是在入口唇部(图1的42)处的机舱前缘。移除冰累积(除冰)和防止机舱入口唇部42上的冰累积(防冰)的一个熟知方案是通过使用热空气排出系统。作为示例，发动机供应的排出空气能通过管路(未显示)从燃烧室24抽吸到入口唇部42，在此，热排出空气接触入口唇部42的内表面而加热唇部42并移除/防止冰形成。作为备选，一些较小的涡轮风扇和涡轮螺旋桨航空发动机已经利用了经由焦耳加热将电能转换为热的电防冰系统。电阻型加热丝可用作加热元件，但更近的示例使用在商业上可以从GrafTech International Holdings Inc获得的名称为GRAFOIL? 的柔性石墨材料。加热元件嵌入诸如硅橡胶的保护罩(boot)中，保护罩继而附连到机舱入口唇部42的内侧前缘。在任一情况下，与复合材料相比，如果唇部42由诸如铝合金的金属材料构成，则能促进入口唇部42的均匀且高效的加热。为了促进由诸如碳加强的(纤维和/或织物)环氧树脂层压材料的复合材料制成的入口唇部42的均匀加热，复合材料可产生为包含能提高其导热率的传导填料。这样的填料已包括氮化硼(BN)、氧化铝(Al₂O₃)以及氮化铝(AlN)粉末和碳(石墨)纳米管。

用于并入填料的传统方案涉及将填料颗粒掺和到树脂系统内，并且然后用带颗粒的树脂系统浸渍碳织物。虽然是有效的，但是所得到的树脂系统倾向于具有相对较高的黏度，这限制了能够并入复合物中的填料的浓度。这种限制部分由于过滤效果，其中，在浸渍工艺期间，加强织物将填料颗粒过滤出树脂系统。为了减小这种过滤效果，可使用纳米尺寸的填料颗粒，但是由于树脂系统黏度的急剧增加，小于20%体积的填料装载量仍是典型的。结果，由诸如碳织物加强的环氧树脂层压材料的复合材料制成的入口唇部的厚度方向导热率是有限的，通常限于大约0.6 W/mK或更小的导热率值。

机械性质，包括层间韧度和压缩模量，也可能是有限的，因为高粘度树脂系统倾向于促进复合物中由于加强织物的不均匀浸渍引起的干斑缺陷的出现。高粘度树脂系统还限制了能将树脂系统浸渍到加强织物中的工艺。例如，很难使用诸如真空辅助树脂传递成型(VaRTM)的相对低成本的工艺来均匀地浸渍包含大约15%体积的纳米尺寸填料颗粒的树脂系统。

鉴于上述内容，如果存在能将更大量的填料颗粒并入树脂浸渍的加强织物中的方法，那么将是所期望的。特别地，这种能力将有益于在风扇机舱的制造中所使用的织物加强的聚合物复合材料中并入更大量的传导填料。这种能力也将有益于多种其它应用，例如，由织物加强的聚合物复合材料制成的电气罩壳和飞行器翼/尾部区域，在此情况下，填料可用于改进导热率、导电率(诸如石墨型填料)以及/或者改进层间韧性(诸如呈粉末形式的热塑性增韧剂)。

发明内容

本发明提供用于制造聚合物复合材料的工艺，该聚合物复合材料包括包含多个加强织物和填料材料颗粒的聚合物基体。