[发明专利]层状复合部件

说明书

技术领域

本发明涉及一种层状复合部件以及一种形成层状复合部件的方法。这种部件通常包括嵌入在基体材料中的增强纤维的堆叠层压层。

背景技术

复合材料广泛地使用在各种工业中，并且可以提供优于金属替代物的显著优点。尤其是在航空工业中，复合材料可以有助于减轻重量，同时具有期望的强重比，并且提供对大多数化学和环境威胁的抵抗。燃气涡轮发动机的风扇和/或压缩机系统的组成部件，包括包容机匣、风扇叶片以及次级结构由于它们所运转的相对较低的温度，而给它们自身提供复合构造。在这些运转温度范围上，复合材料可以提供所需水平的坚固性、耐用性、强度和断裂应变。

在航空工业中使用的类型的复合材料大体上包括嵌入在基体材料中的增强纤维的堆叠层压层。增强纤维在所述层的平面中延伸并且可以是单向的，或者可以以各种构造并且沿着叠层方向延伸。各种材料可以用于增强纤维，包括碳、石墨、玻璃及各种金属。与使用的具体材料和制造工艺无关，所有复合物表现出某些缺点。在这些缺点中显著的是复合材料的比较差的层间强度。X-Y平面中的沿着所述堆叠层的平面的复合特性由增强纤维支配，意味着X-Y平面中的材料强度和断裂应变是优异的。结果很好地开发了用来生产二维复合结构的制造方法。然而，沿着Z方向的层间特性由基体材料支配，意味着沿着该方向的强度和断裂韧性是比较差的，从而限制了复合物在许多应用中的使用。

由于热效应、冲击事件或者在复合物中存在孔或自由边而导致的破裂或脱层会严重地降低压缩和挠曲加载能力，或者导致大规模的脱层，这会导致过早的结构破坏。在航空发动机的情况下，复合部件经受吸入到发动机中的吸气的损坏和外界物体的冲击。这种物体可以是机载的或者吸入到发动机入口中的。这些包括各种类型和大小的鸟以及无生命物体，例如冰雹、沙、陆冰以及跑道碎片。已经发现对包括风扇和压缩机叶片的叶片构件的机翼的冲击损坏以及对气流中的支杆类型构件的损坏导致材料的损失和/或堆叠层的脱层。该程度的损坏会降低运转完整性以及复合物品的寿命。在旋转的叶片中，它会导致发动机变得不平衡，从而导致潜在严重且有害的振动。

存在多种技术用于克服复合物中的这些局限性。最经常使用的两种是韧化基体和“横向”增强纤维。韧化基体通常比基准系统昂贵得多，具有差的热湿特性，并且仍然不能为成功的部件设计提供足够的强度。结果，横向增强体通常是更期望的选择，并且已经开发了若干种技术用于穿过复合物的厚度放置纤维以提高它们的层间特性。

缝纫、钉钉和针刺都是用于引入横向增强体的已知技术。然而，这些方法都易于导致面内特性的显著下降，难以在复杂形状的部件内实施，并且限制了可以用于增强的纤维的类型。缝纫使用宽度通常超过5mm的针。当用这种大小的针刺入纤维层压板时，对承载面内纤维造成显著的切割或损坏。这样会导致超过20%的强度下降。除了这种针损坏以外，缝纫还使用会损坏表面层的连续线。从一个针脚横移到下一个针脚的线中的线圈使顶面几个层的面内纤维“打结”，从而产生显著的强度损失。由于缝纫需要的固化半径，实际上可以使用的纤维被限制为玻璃或芳香族聚酰胺类型纤维，例如KEVLAR^RTM。这些材料不是对于所有应用的最有效的横向增强体，并且已知吸收湿气，而这是不期望的。

用于克服这些问题和缺点的一种技术包括沿着Z方向穿过复合材料的厚度插入纵向销或钉。US4808461公开了一种所谓Z销的插入方法，其中多个增强销完全沿着与可热分解材料的主体的平面垂直的方向设置。该结构然后经受升高的温度，其分解可热分解材料。使用压力来将增强元件打入所述结构中，其然后固化。最终的复合部件将包含垂直设置的增强元件，在复合部件的期望位置处增加强度。根据其他方法，可以使用销携带器来将销垂直地打入预浸渍（预浸料）纤维的叠层中，其然后定形并固化。US7008689讨论了Z方向增强体的位置，根据任何具体部件区域中的期望应力水平公开了Z销的分布。