[发明专利]降低复合结构的孔隙度的方法和系统

说明书

技术领域

本公开一般地涉及复合结构，更具体地涉及降低复合结构如飞行器复合材料部件中的孔隙度的方法和系统。

背景技术

复合材料，比如碳纤维增强聚合物(CFRP)材料，由于其高强度和刚度、低重量、耐腐蚀以及其他有利性能，用于制造各种各样的结构和组成部件。具体地，在飞行器的制造中，使用越来越多量的CFRP复合结构和组成部件形成机身、机翼、机尾部分、蒙皮板、以及飞行器的其他组成部分。

在CFRP复合结构的制造过程中，由于制造过程或工程设计的问题，可能在复合材料中产生不期望的空隙或者空区域。比如，在CFRP复合结构的固化周期之前，这些空隙可能由铺层操作期间夹带的空气产生。另外，比如，在CFRP复合结构的固化周期期间，这些空隙可能由夹带的空气和/或挥发物质如吸收的水分和气态反应产物的膨胀产生。

孔隙度是材料中空隙量的一种量度，比如百分比，并且是空隙体积占总体积的分数。空隙减少和低孔隙度水平或者低空隙量例如少于2%-5%是期望的，以获得良好的机械性能如剪切强度以及保证复合结构的性能。

另外，在大型复合材料部件的制造期间，这种大型复合材料部件通常可在真空压力下进行许多小时例如12-24个小时或者更长的固化前真空保持，以便移除或充分移除可能在复合材料的层之间夹带的空气。这种固化前真空保持可给总制造过程增加大量时间，因此增加了制造大型复合材料部件的总成本。

因此，本领域需要降低复合结构的孔隙度的改进方法和系统，其提供了优于已知方法和系统的优势。

发明内容

满足了该降低复合结构的孔隙度的改进方法和系统的需求。如以下具体实施方式中讨论的，降低复合结构的孔隙度的改进方法和系统的实施方式可提供优于已知方法和系统的优势。

在本公开的实施方式中，提供了降低复合结构的孔隙度的方法。所述方法包括将添加剂加入到树脂材料中形成添加剂-树脂混合物。所述添加剂包括相变材料，其具有高于树脂材料的树脂固化温度的添加剂相变温度。所述方法进一步包括将添加剂-树脂混合物与大量增强纤维结合，形成复合预浸材料。所述方法进一步包括将复合预浸材料形成复合结构。所述方法进一步包括在真空设备下的加热装置中以有效的真空压力在足以降低树脂材料的粘度的树脂固化温度下热固化复合结构有效的时间期间。所述方法进一步包括加热复合结构至高于添加剂相变温度并高于树脂固化温度的提高温度，并维持所述提高温度足够的时间期间以使添加剂发生相变并形成添加剂气体，添加剂气体基本将一种或多种气体置换出复合结构。所述方法进一步包括降低所述提高温度回到树脂固化温度，从而允许添加剂气体经历相变至凝聚相，导致复合结构中的真空压力显著降低，并导致复合结构的孔隙度降低。所述方法进一步包括冷却复合结构。

在本公开的另一个实施方式中，提供了降低飞行器复合材料部件的孔隙度的方法。所述方法包括将添加剂加入到树脂材料中形成添加剂-树脂混合物。所述添加剂包括相变材料，其具有高于树脂材料的树脂固化温度的添加剂相变温度。所述方法进一步包括将添加剂-树脂混合物与大量的增强碳纤维结合以形成复合预浸材料。所述方法进一步包括通过形成方法铺层复合预浸材料，所述形成方法包括手动铺层或自动铺层。所述方法进一步包括在真空压力下将飞行器复合材料部件包围在真空袋下。所述方法进一步包括在加热装置中以有效的真空压力和有效的时间期间热固化包围在真空袋下的飞行器复合材料部件至足以降低树脂材料粘度的树脂固化温度，所述加热装置包括高压釜或者烘箱。所述方法进一步包括维持所述树脂固化温度有效的树脂固化时间期间。所述方法进一步包括加热飞行器复合材料部件至高于添加剂相变温度并高于树脂固化温度约5华氏度至约20华氏度范围内的提高温度。所述方法进一步包括维持所述提高温度足够的时间期间以使添加剂发生液气相变并形成添加剂气体，添加剂气体基本将一种或多种气体置换出飞行器复合材料部件。所述方法进一步包括将所述提高温度降低回到树脂固化温度，从而允许添加剂气体经历相变至凝聚相，导致飞行器复合材料部件的真空压力显著降低，并导致飞行器复合材料部件的孔隙度降低，范围约80%至约99%的孔隙度降低。所述方法进一步包括冷却所述飞行器复合材料部件。所述方法进一步包括将冷却的飞行器复合材料部件移出高压釜。