帶有斜向纖維的派型預(yù)型件的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明披露了一種用于增強復(fù)合材料的織造預(yù)型件(300)，這種織造預(yù)型件可以平織然后折疊成形。該預(yù)型件具有離軸增強，具有一個或多個腿(315、320)和/或基底(310)，該一個或多個腿和/或基底相對于經(jīng)向纖維/緯向纖維(312、314)于離軸或斜向(非0/90度)取向延伸。一個或多個腿從基底延伸，基底和腿各自具有至少兩層經(jīng)向纖維。腿可以互相平行或成一定角度?；缀?或腿的外端可以具有楔形，通過以階狀或成角狀圖案終止經(jīng)向纖維的多個層，形成楔形。
【專利說明】帶有斜向纖維的派型預(yù)型件
[0001]發(fā)明背景

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明總體涉及織造預(yù)型件，特別涉及在增強復(fù)合材料中使用的織造預(yù)型件，這種織造預(yù)型件可以平織然后折疊成其最終形狀。
[0003]參考引用
[0004]文中針對產(chǎn)品所提及的所有專利、專利申請、文檔、引文、廠家使用指南、說明書、產(chǎn)品技術(shù)規(guī)格、以及產(chǎn)品圖表，在此以引用的方式并入本文，并且可以在本發(fā)明的實踐中采用。
現(xiàn)有技術(shù)
[0005]當(dāng)前，廣泛使用增強復(fù)合材料來生產(chǎn)結(jié)構(gòu)組件，特別在期望結(jié)構(gòu)組件具有重量輕、牢固、堅韌、耐熱、自支撐并且適合于形成及成形這些特性的應(yīng)用中。這些組件用在例如航空、航天、衛(wèi)星、娛樂(如賽艇、賽車中)以及其它應(yīng)用中。
[0006]通常這種組件由嵌置在基質(zhì)材料中的增強材料組成。增強組件可以由諸如玻璃、碳、陶瓷、芳族聚酰胺、聚乙烯和/或其它材料制成，這些材料呈現(xiàn)出期望的物理性能、熱性能、化學(xué)性能和/或其它性能，其中首要性能是高強度，以抵抗應(yīng)力損壞。通過使用這種增強材料(其最終成為成品組件的構(gòu)成部件)，將增強材料的期望特性如極高的強度，賦予成品復(fù)合組件。通?？梢詫⒔M分增強材料機織、針織成期望結(jié)構(gòu)和形狀，或者使其取向成期望結(jié)構(gòu)和形狀，用于增強預(yù)型件。通常會特別注意保證所選組分增強材料的性能能夠得到最佳利用。通常將這種增強預(yù)型件與基質(zhì)材料結(jié)合，從而，形成期望的成品組件，或者制成備料用于最終制成成品組件。
[0007]在構(gòu)造出期望的增強預(yù)型件之后，可以將預(yù)型件浸潰在基質(zhì)材料中，從而，典型地，使增強預(yù)型件包埋在基質(zhì)材料中，以及，基質(zhì)材料充滿增強預(yù)型件構(gòu)成部件之間的空隙區(qū)域?；|(zhì)材料可以是廣泛多樣材料中的一種或一些材料，諸如環(huán)氧樹脂、聚酯、乙烯基酯、陶瓷、碳和/或其它材料，這些材料也呈現(xiàn)出期望的物理性能、熱性能、化學(xué)性能和/或其它性能。選擇用作基質(zhì)的材料與增強預(yù)型件的材料可以相同也可以不同，并且，可以具有或者不具有相當(dāng)?shù)奈锢硇阅?、化學(xué)性能、熱性能或其它性能。然而，通常，用作基質(zhì)的材料與增強預(yù)型件的材料不是相同的材料，或者不具有相當(dāng)?shù)奈锢硇阅?、化學(xué)性能、熱性能或其它性能，這是因為在使用復(fù)合材料時通常首要目的是在成品中獲得性能的組合，而這種性能組合無法通過單獨使用一種組分材料獲得。這樣組合后，可以通過熱固或其它已知方法，使增強預(yù)型件和基質(zhì)材料在同一操作中固化和穩(wěn)定化，然后進行生產(chǎn)期望組件的其它操作。在這一點上應(yīng)當(dāng)注意到，在這樣固化之后，基質(zhì)材料中的硬化團塊通常非常牢固地粘附于增強材料(例如，增強預(yù)型件)。結(jié)果，特別地，經(jīng)由成品組件中位于纖維之間作為粘合劑的基質(zhì)材料，成品組件上的應(yīng)力可以有效地傳遞至增強預(yù)型件的組分材料，并由其承受。
[0008]通常，期望生產(chǎn)出的組件結(jié)構(gòu)不是簡單幾何形狀，諸如原有的板狀、片狀、長方體或者立方體等簡單幾何形狀。做到這一點的一種方法是，將這些基本幾何形狀組合成期望的更復(fù)雜的形式。通過將如上述方式制成的增強預(yù)型件相對彼此以一定角度(通常為直角)結(jié)合，形成一種這樣的典型組合。經(jīng)結(jié)合增強預(yù)型件的這種角形布置的通常目的是產(chǎn)生期望形狀，以形成包括一個或多個端壁或者例如“T”形交叉的增強預(yù)型件，或者，以加固方式所得到的增強預(yù)型件與復(fù)合結(jié)構(gòu)的組合，在暴露于外力諸如壓力或張力時，這種加固方式能夠抵抗此時產(chǎn)生的偏斜或損壞。在任何情況下，相關(guān)的考慮是使構(gòu)成組件之間的各接合處盡可能牢固。增強預(yù)型件組分本身具有期望的極高強度時，接合處的薄弱實際上成為結(jié)構(gòu)“鏈”中的“薄弱環(huán)節(jié)”。
[0009]美國專利N0.6，103, 337中提出了交叉構(gòu)造的示例，其披露內(nèi)容在此以引用方式并入本文。該篇引文提出了將兩個增強板結(jié)合到一起成為T形的有效措施。
[0010]為了形成這種接合，過去已經(jīng)提出了多種其它建議方式。有的建議彼此獨立地形成并硬化板件和角形加勁件(angled stiffening element),角形加勁件具有單個的板接觸面，或者在其一端分為兩部分以形成兩個分叉且共面的板接觸面。然后，使用熱固性粘合劑或其它粘合劑材料，通過粘附方式粘接，使加勁件的一個或多個板接觸面與其它組件的接觸面相結(jié)合，從而將兩個部件連接起來。然而，當(dāng)張力施加于復(fù)合結(jié)構(gòu)體的硬化板或表皮時，由于連接的有效強度是粘合劑的有效強度而非基質(zhì)材料的有效強度，很低的負荷就會導(dǎo)致“剝離”力，此“剝離”力使加勁件與板件在其界面處分離。
[0011]在這些組件的界面處無法使用金屬螺釘或鉚釘，因為這種附加物至少局部破壞并弱化了復(fù)合結(jié)構(gòu)體自身的完整性，增加了重量，并且?guī)磉@些部件與周圍材料之間熱膨脹系數(shù)上的差異。
[0012]解決這一問題的其它方法基于引入高強度纖維穿過結(jié)合區(qū)域的概念，通過使用諸如將一種組件縫合到另一種組件上并且依賴于縫合線的方法，來引入這種增強纖維使其進入并且穿過接合部位。美國專利N0.4，331，495以及其分案美國專利N0.4，256，790示出了這樣一種方法。這些專利披露在用粘合方式粘合的纖維層所制成的第一復(fù)合板與第二復(fù)合板之間形成了接合處。按現(xiàn)有技術(shù)方式，使第一板在一端分叉，從而形成兩個分叉且共面的板接觸面，用未固化的撓性復(fù)合線穿過兩板進行縫合，使第一板的板接觸面與第二板相結(jié)合。然后，使板和線“共固化”，也就是，同時固化。美國專利N0.5，429，853中提出了改進結(jié)合強度的另一方法。
[0013]盡管現(xiàn)有技術(shù)努力改進增強復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)整體性并取得了成功，特別是在美國專利N0.6，103，337中，然而，仍然希望對其進行改進，或者，通過使用粘合劑或機械聯(lián)接之外的其它方法來解決該問題?？紤]到這一點，一種方法是可以通過專用機器生產(chǎn)一種織造三維(“3D”)結(jié)構(gòu)體。然而，所涉及的花費相當(dāng)可觀，而且，針對生產(chǎn)一種簡單結(jié)構(gòu)體就需要提供一種織機，這也很難接受。不考慮這一事實的話，可以加工成纖維增強復(fù)合組件的3D預(yù)型件仍是可取的，因為相對于常規(guī)的二維層合復(fù)合材料，3D預(yù)型件提供了增強的強度。在要求復(fù)合材料承載面外負荷的應(yīng)用中，這些預(yù)型件尤其有用。然而，以上所討論的現(xiàn)有技術(shù)預(yù)型件，其承受高面外負荷的能力、在自動織機加工中織造的能力、以及改變預(yù)型件各部分厚度的能力有限。
[0014]另一方法是織造二維(“2D”)結(jié)構(gòu)體并將其折疊成3D形狀。在常規(guī)有梭織機上可以織造具有特定結(jié)構(gòu)形狀諸如“T”形、“I”形、“H”形或“派(Pi，JI)”形截面的纖維預(yù)型件，以及，幾件現(xiàn)有專利描述了織造這種結(jié)構(gòu)體的方法(例如，美國專利N0.6，446，675、美國專利N0.6，712，099、以及美國專利N0.6，874，543)。
[0015]許多復(fù)合結(jié)構(gòu)體利用派形預(yù)型件來接合兩個或兩個以上垂直的復(fù)合板。例如，圖1中示出典型派形預(yù)型件100的剖視圖。預(yù)型件通常具有兩個處于豎向位置的豎立腿125、135，在腿125、135之間形成U形夾116。然而，腿125、135與基底120可以垂直、或非垂直、或成一定角度。通過沿預(yù)型件100的縱向長度重復(fù)完整織造序列來形成相鄰豎向截面，織造出預(yù)型件100?？椩爝^程產(chǎn)生連續(xù)長度的預(yù)型件100，然后，將其切成期望長度以進行安裝。
[0016]在飛機結(jié)構(gòu)中，派形預(yù)型件的使用已經(jīng)被證明是一種有效途徑，以將負荷從一個組件例如框架或翼梁的腹板傳遞進入另一組件例如機身或機翼蒙皮。對于使該派形(Pi)件承受軸向的拉伸/壓縮負荷、拉斷負荷和/或側(cè)彎折負荷的結(jié)構(gòu)體而言，此需求更為突出。
[0017]在許多應(yīng)用中，派形預(yù)型件要在兩個組件之間傳遞剪切負荷，例如，如圖2中所示的情況。圖2示出一種T形剪切加載配置，其中派形預(yù)型件100用來連接例如垂直板30、40，以及，在粗箭頭表示的相反方向施加剪切負荷50。然而，在這種配置中，與用于其它負荷情況時相比，常規(guī)的派形件對于這類負荷幾乎無效。常規(guī)派形預(yù)型件沿預(yù)型件的長度(軸向)以及在橫向(沿基底的寬度以及沿豎立腿的高度)具有增強材料。結(jié)構(gòu)體中的這類纖維取向通常稱為O度取向、+/-90度取向。對于軸向、拉斷、以及側(cè)彎折的情形，這類取向提供與主要加載方向平行的纖維。然而，在以上如圖2中所描述的對于承載剪切負荷而言很重要的離軸方向，常規(guī)派形件沒有提供纖維。
[0018]發(fā)明概述
[0019]據(jù)此，本發(fā)明的一個目的是提供一種織造預(yù)型件，其可以在兩個或更多個垂直接合的組件之間均勻地傳遞剪切負荷。
[0020]本發(fā)明的另一目的是提供一種織造派形預(yù)型件，其在離軸方向或斜向(任意的非0/90度方向，并且通常為+/-45度方向，但是不局限于+/-45度方向)，具有纖維增強作用，對于某些復(fù)合結(jié)構(gòu)體中承載剪切負荷這是重要的。
[0021]本發(fā)明的又一目的是提供一種織造預(yù)型件，其是對迄今所能得到的現(xiàn)有預(yù)型件和/或增強復(fù)合結(jié)構(gòu)體的替代和/或改進的設(shè)計。
[0022]據(jù)此，本發(fā)明的一種實施例是一種形成織造預(yù)型件例如派形預(yù)型件的方法，包括下列步驟:設(shè)置第一層經(jīng)向纖維，設(shè)置平行于第一層經(jīng)向纖維的第二層經(jīng)向纖維，以及設(shè)置一層或多層緯向纖維，其中，緯向纖維垂直于第一層和第二層中的經(jīng)向纖維，使緯向纖維與第一層和第二層中的經(jīng)向纖維交織，以形成多層預(yù)型件，其中，第一層中的經(jīng)向纖維與第二層中的經(jīng)向纖維交換位置，以形成具有預(yù)定寬度的U形夾，其中，經(jīng)向纖維和緯向纖維相對于預(yù)型件的U形夾處于斜向(非0/90度)角度。
[0023]本發(fā)明的另一實施例是在增強復(fù)合結(jié)構(gòu)體中使用的一種織造預(yù)型件，該預(yù)型件包括第一層經(jīng)向纖維、平行于第一層經(jīng)向纖維的第二層經(jīng)向纖維、以及一層或多層緯向纖維，其中，緯向纖維垂直于第一層和第二層中的經(jīng)向纖維，其中，使緯向纖維與第一層和第二層中的經(jīng)向纖維交織，以形成多層預(yù)型件，其中，第一層中的經(jīng)向纖維與第二層中的經(jīng)向纖維交換位置，以形成具有預(yù)定寬度的U形夾，其中，經(jīng)向纖維和緯向纖維相對于預(yù)型件的U形夾處于斜向(非0/90度)角度。該預(yù)型件可以是具有基底和兩個豎立腿的派形預(yù)型件，其中，基底和腿一體方式織造，以及，上述預(yù)型件具有處于斜向(非0/90度)角度的離軸方向增強作用。
[0024]雖然本文具體討論了派形預(yù)型件，但本方法也可以用于制造其它截面形狀，諸如“T”形或“T”形加勁件，其具有垂直于“T”形頂部伸出的“T”形的翼片，或者其它形狀，諸如具有三個或更多腿的預(yù)型件，或者“H”形或“ I ”形預(yù)型件。
[0025]本方法可以用來織造具有可變厚度或可變長度或高度的腿的預(yù)型件，這些腿可以互相平行或成一定角度。預(yù)型件的腿沿預(yù)型件的長度可以是線狀的或非線狀的。例如，預(yù)型件的腿可以具有正弦曲線形、鋸齒形、階梯形或波浪形結(jié)構(gòu)。預(yù)型件的腿可以由均勻?qū)挾萓形夾或可變寬度U形夾分開?？梢允褂媒?jīng)向纖維的任意合適圖案，即層與層、穿過厚度的角度互鎖、正交等，來織造本預(yù)型件。盡管優(yōu)選碳纖維，但本發(fā)明可應(yīng)用于幾乎任何其它纖維類型，諸如玻璃、陶瓷、芳族聚酰胺、聚乙烯、聚丙烯等、或者其組合。
[0026]根據(jù)本發(fā)明的預(yù)型件用于機械或結(jié)構(gòu)接合，其具有三維織紋結(jié)構(gòu)，用緯向纖維織造，從而提供經(jīng)向纖維層的層與層互鎖、以及各層內(nèi)的纖維互鎖。盡管本文所描述的示例性實施例涉及層與層互鎖，但對于本發(fā)明的實踐而言這并非必須。預(yù)型件的部分層可以沒有層與層互鎖。本織造預(yù)型件通過定向纖維傳遞面外負荷，從而使層間張力減至最小。本預(yù)型件具有基底和一個或多個從基底延伸的腿，基底和一個或多個腿各自具有至少一層經(jīng)向纖維。在具有兩層或更多層經(jīng)向纖維的預(yù)型件中，基底和/或腿的外端可以具有楔形邊緣，例如，通過以階狀圖案終止經(jīng)向纖維的多個層而形成楔形邊緣。
[0027]為了更好地理解本發(fā)明、其操作優(yōu)點、以及通過其使用獲得的特定目的，請參考所附說明內(nèi)容，其中示出了本發(fā)明優(yōu)選的非限制性的實施例。
[0028]本文中術(shù)語“包含的”和“包含”可以指“包括的”和“包括”，或者可以具有美國專利法中通常賦予術(shù)語“包含的”或“包含”的含義。如果在權(quán)利要求中使用，術(shù)語“主要由......構(gòu)成的”或“主要由......構(gòu)成”具有它們在美國專利法中的含義。下文描述本發(fā)明的其它方面，或者，通過下文描述，本發(fā)明的其它方面(在本發(fā)明的范圍內(nèi))將更為明了。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]附圖用來提供對本發(fā)明的進一步理解，附圖并入說明書中，并且構(gòu)成說明書的一部分。本文給出的附圖圖示本發(fā)明的不同實施例，并與說明書一起來說明本發(fā)明的原理。附圖中:
[0030]圖1是常規(guī)派形預(yù)型件的示意性端視圖；
[0031]圖2是示例性復(fù)合結(jié)構(gòu)體中T形剪切加載配置的示意圖；
[0032]圖3是放置在成型工具中時纖維必須符合的彎折半徑的圖示；
[0033]圖4圖示根據(jù)本發(fā)明的一種示例性實施例在織造預(yù)型件的制備方法中所涉及的步驟；
[0034]圖5(a)是根據(jù)本發(fā)明的一種示例性實施例所形成的派形預(yù)型件沿圖4中線5 (a)-(a)的示意性剖視圖；
[0035]圖5(b)是根據(jù)本發(fā)明的一種示例性實施例的派形預(yù)型件的示意性剖視圖；
[0036]圖6是根據(jù)本發(fā)明的一種示例性實施例處于豎立位置以及離軸增強的織造派形預(yù)型件的示意性輪廓圖；以及
[0037]圖7(a)、圖7(b)和圖7(c)是根據(jù)本發(fā)明的一種示例性實施例的織造派形預(yù)型件的經(jīng)紗和緯紗路徑的示意圖。

【具體實施方式】
[0038]下文說明中術(shù)語“纖維”和“紗”可互換使用。然而，本文中使用時“纖維”和“紗”可以指單絲紗、復(fù)絲紗、加捻紗、復(fù)絲纖維束、變形紗、編織纖維束、包覆紗、雙組分單絲紗、以及由牽切纖維制成的紗。
[0039]現(xiàn)在參見圖4，根據(jù)本發(fā)明的派形預(yù)型件300可以在任意常規(guī)織機215上織造。例如，圖4是織機215的俯視圖，預(yù)型件300仍在機器上，處于織造織物從織機取出之前的“織造時”的形式。織物300中的豎向線代表經(jīng)向纖維或經(jīng)紗312，以及，橫向線代表緯向纖維或緯紗314。盡管優(yōu)選碳纖維，但經(jīng)向纖維和/或緯向纖維實際上可以是任意其它纖維類型，諸如玻璃、陶瓷、芳族聚酰胺、聚乙烯、聚丙烯等、或者其組合。
[0040]預(yù)型件300用至少兩層經(jīng)向纖維312和至少一層緯向纖維314織造。盡管平紋是一種常見圖案，但實施本發(fā)明時可以使用本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的任意織造圖案，只要使纖維相對于預(yù)型件的腿取向于斜向(非0/90度)角度即可?？椉y結(jié)構(gòu)本身可以是下列文獻所披露的任意類型:美國專利N0.6，446，675、美國專利N0.6，712，099、美國專利N0.6，874，543、美國專利N0.7，712，488、和美國專利N0.8，079，387，上述專利的全部內(nèi)容在此以引用方式并入本文。
[0041]預(yù)型件300中的經(jīng)向纖維312大致互相平行，沿各纖維的縱向長度稍有起伏，并且排列成大致豎向列。緯向纖維314與兩層經(jīng)向纖維312交織，從而形成如圖4中所示的預(yù)型件。跨越預(yù)型件300的黑斜線代表交織接合處304，此處，來自織物頂層318的經(jīng)向纖維312以及緯向纖維314與來自底層322的經(jīng)向纖維312以及緯向纖維314交換位置，例如，如圖7(a)中所示。在織造期間，在行進的緯向列314中規(guī)定用于行進的經(jīng)向列312的交換點，導(dǎo)致本文所謂的“斜向”派形預(yù)型件，其具有相對于接合處304成斜向角度的增強作用。盡管圖4只示出跨越預(yù)型件300寬度的一條斜線，但取決于最終派形預(yù)型件所要求的尺寸，跨越預(yù)型件的寬度可以形成任意數(shù)量的接合處。類似地，雖然圖4中圖示相對于經(jīng)紗和緯紗以+/-45度的角度形成接合處，但本發(fā)明并不局限于此，也就是，接合處可以以不同于常規(guī)O度、+/-90度取向的任意角度形成。例如，接合處可以+35/-55度的角度形成，反之亦然。應(yīng)當(dāng)注意到，增強作用的取向角度可以取決于成品派形預(yù)型件所承受的負荷方向。
[0042]預(yù)型件300織造之后，將織造材料從織布機或織機取出，并且，以相對于預(yù)型件的長度和寬度斜向的方式，將該織造材料切割成條帶，例如，如圖4中的虛線所示。虛線只用作示例，以及，取決于結(jié)構(gòu)體的最終用途，可以改變所切割預(yù)型件的實際尺寸和形狀。在將端部切成一定長度之后，派形預(yù)型件具有傳統(tǒng)形狀，但增強作用位于斜向上。在切成期望尺寸條帶之后，預(yù)型件仍是扁平的，如圖5(a)中所示，類似于傳統(tǒng)織造時的派形預(yù)型件。位于U形夾316 (豎立腿之間的空間)任一側(cè)的頂層經(jīng)向纖維312表示為315、320，其現(xiàn)在形成用于豎立腿的材料，以及，織造預(yù)型件的底層經(jīng)向纖維表示為310，其形成斜向派形預(yù)型件的基底。從織造預(yù)型件300上切下材料條帶之后，通過將位于U形夾216任一側(cè)的材料抬起，可以形成斜向派形預(yù)型件300的腿315、320，例如，如圖5(b)中所示。腿315、320可以與基底310垂直、或非垂直、或成一定角度?；?10和腿315、320各自包含至少一層經(jīng)向纖維312，以及，如果有兩層或多層經(jīng)向纖維，則可以具有可選的楔形邊緣。雖然在圖7(a)和圖7(b)以及上述示例中，圖示單層結(jié)構(gòu)用于基底和腿，但本發(fā)明并不局限于此，基底和腿可以使用任意數(shù)量的層。例如，如果期望較厚的基底，則基底可以包括兩層或更多層經(jīng)向纖維，以及，如果腿上需要厚度，則各腿可以包括兩層或更多層經(jīng)向纖維。
[0043]通過將豎立腿與基底的交叉接合處設(shè)計為相對于織造織物的經(jīng)向成非零角度，織造本發(fā)明的斜向派形預(yù)型件300。此接合處可以寬于僅僅一根經(jīng)紗，以及，也可以是幾根經(jīng)紗，這同樣取決于派形預(yù)型件的最終用途，如圖7(c)中所示。根據(jù)本發(fā)明的斜向派形預(yù)型件具有相對于預(yù)型件的U形夾方向成斜向角度的增強作用，例如，如圖6所示，從而，提供了在剪切加載方向的增強組件。此外，在基底與豎立腿的交叉接合處纖維增強的有效半徑能夠更大，例如，如在圖3能看到的那樣。將纖維限制到邊緣中時，如在成型工具中，纖維必須符合的半徑會影響纖維損傷量、以及派形預(yù)型件的殘余強度。相比于與邊緣斜向的纖維20，垂直于邊緣彎折的纖維被迫以更小半徑彎折。對于本發(fā)明的斜向派形預(yù)型件，使該半徑增大兩倍，以及，較大的半徑不容易受到纖維斷裂的影響，從而更有效地利用了纖維的特性。
[0044]應(yīng)當(dāng)注意到，雖然所有經(jīng)向纖維描繪成具有相同直徑，但本發(fā)明并不局限于此。例如，基底中的經(jīng)向纖維可具有比腿中的經(jīng)向纖維更小的橫截面面積。
[0045]通過使相繼的多個層終止，例如，通過以短于先前層的長度、按一定角度切割經(jīng)向纖維和/或緯向纖維，在預(yù)型件的外緣上可以形成楔形邊緣。例如，兩個腿315、320的邊緣和/或基底310的邊緣可以具有楔形邊緣。與經(jīng)向纖維層全部以相同長度終止的預(yù)型件相t匕，基底或豎立腿中具有楔形邊緣的斜向派形預(yù)型件對剝離負荷具有更好的抵抗性。另外，經(jīng)向楔形纖維使用較小的纖維尺寸，允許從預(yù)型件到與之接合的組件進行更順暢、更漸進的過渡。
[0046]根據(jù)本發(fā)明的一種示例性實施例是一種用于帶有多個腿315、320的預(yù)型件的織造方法，這種方法使得這些腿在斜向(非0/90度)方向不必一定是線狀的。在一種示例性實施例中，這些腿在斜向(非0/90度)方向可以正弦曲線方式、鋸齒狀方式、斜線方式、彎曲方式、或非線狀方式、或上述方式的組合移動。取決于應(yīng)用，U形夾316的寬度也可沿其長度改變。在一些情況下，預(yù)型件可以具有零寬度U形夾，也就是，形成預(yù)型件的多個層在其互換位置的部位處可以彼此相交。根據(jù)本實施例，通過從預(yù)型件中形成豎立腿315、320的部分選擇性地退出一些經(jīng)向纖維和/或緯向纖維，同時在其它區(qū)域添加經(jīng)向纖維和/或緯向纖維，可以實現(xiàn)腿在位置方面的變換。在這種情況下，取代緯向纖維，可以使用經(jīng)向纖維來提供層與層互鎖。預(yù)型件的一些層也可以沒有層與層互鎖。
[0047]盡管平紋是用于織造根據(jù)本發(fā)明的預(yù)型件的優(yōu)選圖案，但在實施本發(fā)明時可以使用本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的任意織造圖案，只要使纖維相對于派形預(yù)型件的腿取向于斜向(非0/90度)角度即可?？椉y結(jié)構(gòu)本身可以是下述文獻中所披露的任意一種:美國專利N0.6，446，675、美國專利 N0.6，712，099、美國專利 N0.6，874，543、美國專利 N0.7，712，488、和美國專利N0.8，079, 387，上述專利的全部內(nèi)容在此以引用方式并入本文。
[0048]雖然圖7示出了本文所描述的斜向派形預(yù)型件的實施例，其中使緯向纖維314在層318與層322之間交換，但本發(fā)明也適用于經(jīng)向纖維312在層318與層322之間交換，以及經(jīng)向纖維和緯向纖維都在層之間交換。
[0049]在復(fù)合結(jié)構(gòu)體中可以使用諸如這樣的預(yù)型件，以增強連接處，以及，以將預(yù)型件組合成更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)體，諸如飛機中的翼梁和翼肋。根據(jù)本發(fā)明形成的派形預(yù)型件可以在兩個或更多個垂直方式連接的組件之間均勻地傳遞剪切負荷。該件在離軸或斜向(非0/90度)方向具有纖維增強作用，對于在某些復(fù)合結(jié)構(gòu)體中承受剪切負荷這是非常重要的。
[0050]本方法也可以用于制造其它截面形狀，諸如“T”形或“T”加勁件(其具有相對于“T”形的頂部以正弦曲線方式行進的“T”形的翼片)，或者其它形狀，諸如具有三個或更多個腿、或者具有“I”形或“H”形結(jié)構(gòu)的預(yù)型件。本方法可以用來織造具有可變厚度或可變長度/高度的腿的預(yù)型件，這些腿在一個或多個平面中可以互相平行或成一定角度?？梢允褂萌我夂弦说目椩靾D案，即，層與層、穿過厚度方向的角度互鎖、正交等，來織造預(yù)型件。盡管優(yōu)選碳纖維，但本發(fā)明可應(yīng)用于幾乎任意其它纖維類型，諸如玻璃纖維、陶瓷纖維、芳族聚酰胺纖維、聚乙烯纖維、聚丙烯纖維、牽切纖維諸如牽切碳纖維(SBC)、或者其組合。
[0051]雖然本文所描述的示例性實施例涉及層與層互鎖，但對于本發(fā)明的實踐而言這不是必須的。預(yù)型件的部分層可以沒有層與層互鎖?？梢允褂媒?jīng)向纖維的任何合宜的圖案，即層與層、穿過厚度的角度互鎖、正交等，織造本預(yù)型件。根據(jù)本發(fā)明的預(yù)型件用于機械或結(jié)構(gòu)接合處，其具有三維織紋結(jié)構(gòu)，用緯向纖維織造，從而提供經(jīng)向纖維層的層與層互鎖、以及各層內(nèi)的纖維互鎖。雖然本文所描述的示例性實施例涉及層與層互鎖，但對于本發(fā)明的實踐這并非必須。預(yù)型件的部分層可以沒有層與層互鎖。本織造預(yù)型件通過定向纖維傳遞面外加載，從而使層間張力減至最小。本預(yù)型件具有基底和從基底延伸的一個或多個腿，基底以及一個或多個腿各自具有至少一層經(jīng)向纖維?；缀?或腿的外端可以具有楔形邊緣，例如，通過以一定角度切割，以階狀圖案終止經(jīng)向纖維的多個層，形成該楔形邊緣。
[0052]通常，將一類纖維例如碳纖維用于經(jīng)向纖維和緯向纖維二者，來織造本預(yù)型件。然而，本預(yù)型件也可以是使用由多種材料如碳纖維和玻璃纖維制成的纖維/紗線的織造圖案。這些結(jié)構(gòu)可以導(dǎo)致具有更高韌性、降低的成本、并且優(yōu)化了熱膨脹性能的預(yù)型件?？椩靾D案可包括一種材料類型的所有經(jīng)向纖維和另一材料類型的所有緯向纖維；或者，織造圖案可以具有交替類型的經(jīng)向纖維和/或緯向纖維，這些經(jīng)向纖維和/或緯向纖維排列成例如遍及該層的任意圖案。
[0053]因此，本發(fā)明實現(xiàn)了其目的和優(yōu)點，以及，盡管在此披露并具體說明了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，但并不限制本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的范圍應(yīng)當(dāng)由所附權(quán)利要求確定。
【權(quán)利要求】
1.一種在增強復(fù)合結(jié)構(gòu)體中使用的織造預(yù)型件，所述預(yù)型件包括: 第一層經(jīng)向纖維； 第二層經(jīng)向纖維，其平行于所述第一層經(jīng)向纖維；以及 一層或多層緯向纖維， 其中，所述緯向纖維垂直于所述第一層和所述第二層中的經(jīng)向纖維， 其中，使所述緯向纖維與所述第一層和所述第二層中的經(jīng)向纖維交織，以形成多層預(yù)型件， 其中，所述第一層中的經(jīng)向纖維與所述第二層中的經(jīng)向纖維交換位置，以形成預(yù)定寬度的U形夾， 其中，相對于所述預(yù)型件的U形夾，所述經(jīng)向纖維和所述緯向纖維處于離軸或斜向(非0/90度)角度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的預(yù)型件，進一步包括基底和兩個或更多個腿。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的預(yù)型件，其中，將所述兩個或更多個腿相對于所述基底折疊，從而形成豎立腿。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的預(yù)型件，其中，由零寬度或非零寬度的U形夾使所述兩個或更多個腿分開。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的預(yù)型件，其中，與各所述腿相比，所述基底具有同樣的或更多的層，或者，反之亦然。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的預(yù)型件，其中，所述基底和/或所述腿的邊緣成楔形。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的預(yù)型件，其中，所述腿與所述基底垂直、或非垂直、或成一定角度。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的預(yù)型件，其中，所述經(jīng)向纖維和所述緯向纖維由玻璃、碳、芳族聚酰胺、聚乙烯、聚丙烯或其組合制成。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的預(yù)型件，其中，所述腿具有相等的或不等的長度和/或高度。
10.根據(jù)權(quán)利要求2所述的預(yù)型件，其中，所述腿被可變寬度的U形夾分開。
11.根據(jù)權(quán)利要求2所述的預(yù)型件，其中，所述腿沿所述預(yù)型件的長度是線狀的或非線狀的。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的預(yù)型件，其中，所述預(yù)型件是派形、“T”形、“H”形、或“I”形的預(yù)型件。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的預(yù)型件，其中，所述離軸角度或所述斜向角度是+/-45度。
14.一種形成織造預(yù)型件的方法，所述方法包括以下步驟: 設(shè)置第一層經(jīng)向纖維； 設(shè)置平行于所述第一層經(jīng)向纖維的第二層經(jīng)向纖維；以及 設(shè)置一層或多層緯向纖維，其中，所述緯向纖維垂直于所述第一層和所述第二層中的經(jīng)向纖維， 使所述緯向纖維與所述第一層和所述第二層中的經(jīng)向纖維交織，以形成多層預(yù)型件， 其中，所述第一層中的經(jīng)向纖維與所述第二層中的經(jīng)向纖維交換位置，以形成預(yù)定寬度的U形夾， 其中，所述經(jīng)向纖維和所述緯向纖維相對于所述預(yù)型件的U形夾處于離軸或斜向(非0/90度)角度。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，進一步包括切割預(yù)定長度和寬度的所述織造預(yù)型件的步驟。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，進一步包括下述步驟:將所述織造預(yù)型件中位于所述U形夾任一側(cè)的部分折疊，以形成基底以及兩個或多個豎立腿。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，與各所述腿相比，所述基底具有同樣的或更多的層，或者，反之亦然。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，所述基底和/或所述腿的邊緣成楔形。
19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，所述腿與所述基底垂直、或非垂直、或成一定角度。
20.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，所述經(jīng)向纖維和所述緯向纖維由玻璃、碳、芳族聚酰胺、聚乙烯、聚丙烯或其組合制成。
21.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，所述腿具有相等的或不等的長度和/或高度。
22.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，所述兩個或更多個腿被零寬度或非零寬度的U形夾分開。
23.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，所述腿由可變寬度的U形夾分開。
24.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，所述腿沿所述預(yù)型件的長度是線狀的或非線狀的。
25.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，所述預(yù)型件是派形、“T”形、“H”形、或“I”形的預(yù)型件。
26.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，所述離軸角度或所述斜向角度是+/-45度。
27.一種派形預(yù)型件，包括: 基底和兩個豎立腿，其中，所述基底和所述腿一體方式織造，以及，所述預(yù)型件在相對于所述U形夾的斜向(非0/90度)角度具有離軸增強作用。
【文檔編號】D03D25/00GK104245264SQ201380019808
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2013年2月13日 優(yōu)先權(quán)日:2012年2月17日
【發(fā)明者】布羅克·吉爾伯森, 喬納森·戈林 申請人:阿爾巴尼復(fù)合物工程股份有限公司