[发明专利]使用三维印刷热塑性销增韧复合材料

说明书

本申请提供了使用三维印刷热塑性销增韧复合材料。一种复合制品，包括多个层，每个层包括由空间隔开的纤维束；结合到至少一个束的一侧并延伸或建造穿过层之间的空间的销；以及与层和销组合的树脂。销形成防止或减少复合制品的x‑y平面中裂缝的传播的物理屏障。

技术领域

本公开描述了新颖的复合结构及制造其的方法。

背景技术

复合材料正在取代金属作为结构材料，因为它们重量轻，相对强度高，并且能够被塑造成更复杂的形状。然而，传统的复合结构在应力下会表现出开裂(特别是分层)。以夹层(例如热塑性纱(veil)和颗粒)形式的常规复合材料增韧技术在控制高应力集中区域的失效方面表现出有限的效果。在许多情况下，需要增韧的薄膜结合剂以获得所需的贯穿厚度韧性。此外，机械紧固件可以是可接受设计的默认设置。这对于整体飞机结构尤为关注，其中高应力区域(100)在整个结构厚度中发生，例如在接头半径处(见图1)。因此，在接头半径处产生的裂缝(102)将仅需要跳到未增韧的层以发生脆性破坏。使用贯穿厚度增韧技术可以减轻这种裂缝。然而，常规的贯穿厚度方法(例如薄膜结合剂)由于在灌注期间树脂流动路径的破坏导致诸如空隙、孔隙和干斑的缺陷而不用于液体模塑结构中。这种缺陷显著降低了复合层压结构的面内特性。

贯穿厚度技术及其限制的实施例如下：

·Z销：用于堆叠增强材料，但由于在插入过程中发生严重的微观结构缺陷(这反过来降低了复合材料的面内特性)，因此目前尚未使用。

·缝合：用于增韧干纤维预成型件，但由于在插入过程中出现严重的微观结构缺陷(这反过来降低了复合材料的面内特性)，因此目前尚未使用。

·三维(3D)纺织/3D针织/3D编织预成型件，这通常采用液态模制方法。然而，由于在制造过程中引起的3D预成型件内的纤维未对准，因此这些预成型件限于特定的几何形状并且不容易应用于集成的飞机接头。

图2显示了表征常规纱、缝合和z-销增韧的复合材料的Ashby图，并突出显示了间隙，其中面内特性测量为开孔压缩(OHC)强度为模式I层间断裂韧性(Gic)的函数。图2显示，与纱相比，贯穿厚度方法显著增加了模式I断裂韧性，并且使用z销可以增加高达1400％。然而，由于在 其制造过程中引起的微观结构缺陷，因此贯穿厚度增强降低了OHC强度和其他面内特性方面的损伤容限。另一方面，作为夹层施加的纱显示出较低的OHC降低，其中在向纤维预成型件施加纱期间对纤维引起较少的破坏。然而，Gic的有效改善很差。因此，表示通常未实现的性能的间隙是使用连续贯穿增强材料获得高模式I断裂韧性而不降低损伤容限和面内特性。

因此，所需要的是连续贯穿复合材料并且不会降低面内特性的贯穿厚度技术。本发明满足了这种需要。

发明内容

本公开描述了复合制品(300a、300b、300c、300d)，包括纤维束(304)；和多个与片(302)组合的销(308)。多个销(308)穿过纤维束(304)之间的不同空间(306)，并且一个或多个销(308)结合到至少一个纤维束(304)的表面(310)上。销(308)形成减少复合制品(300a、300b、300c、300d)中裂缝的传播的物理屏障。树脂通常与片(302)和销(308)组合。

复合制品可以以许多方式实施。实施例包括但不限于以下实施例中的一个或任何组合。

1.复合制品(300e)，其中纤维束(340a、340b、340c、340d)设置在多个片(336a、336b、336c、336d)或层(338a、338b、338c、338d)中，空间(342)穿过多个层(338a、338b、338c、338d)或片(336a、336b、336c、336d)，并且空间(342)由不同层(338a、338b、338c、338d)或不同片(336a、336b、336c、336d)中纤维束(340a、340b、340c、340d)界定。