包括分散的纖維絲的復合織物的制作方法
【專利摘要】一種包括多方向織物的制品，該多方向織物由在第一方向延伸的第一增強纖維束和在第二方向延伸的第二增強纖維束構(gòu)成。第一纖維束的纖維絲延伸經(jīng)過織物的邊界并分散。纖維束嵌入樹脂中。
【專利說明】包括分散的纖維絲的復合織物

【背景技術(shù)】
[0001]纖維加強塑料(FRP)復合材料對于航空航天結(jié)構(gòu)應用而言是具有吸引力的。它們具有比金屬好的比強度和硬度，這意味著重量的節(jié)省、燃料的節(jié)約以及更低的操作成本。
[0002]諸如蒙皮、加強件、框架和翼梁的FRP結(jié)構(gòu)元件可以接合在一起構(gòu)成主要部件，如機翼、機身以及尾翼。這些FRP元件的脫粘是不希望發(fā)生的。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]根據(jù)本文的實施例,一種包含由第一加強纖維束和第二加強纖維束構(gòu)成的多方向織物的制品，其中第一加強纖維束在第一方向延伸，而第二加強纖維束在第二方向延伸。第一纖維束的纖維絲延伸經(jīng)過織物的邊界并分散。纖維束被嵌入樹脂中。
[0004]根據(jù)本文另一實施例，一種包括接合在一起的第一和第二部件的結(jié)構(gòu)。第一部件包括多層加強纖維。外邊的一層包括由纖維束構(gòu)成的多維織物，纖維束具有分散的纖維絲，其中分散的纖維絲接合到第二部件的表面。
[0005]根據(jù)本文另一實施例，一種包含匹配第一和第二部件的制造復合結(jié)構(gòu)的方法。第一部件包括外層，該外層具有由在第一方向延伸的第一纖維束和在第二方向延伸的第二纖維束構(gòu)成的紡織物。該方法還包括將纖維束的末端分散成獨立的纖維絲，并將分散的纖維絲接合到第二部件的表面。
[0006]這些特征和功能可以在各種實施例中獨立實現(xiàn)，或者可以結(jié)合在其他實施例中實現(xiàn)。參照下面的說明和附圖能夠看到實施例的更詳細內(nèi)容。
[0007]此外，本公開包括根據(jù)下列條款的實施例:
[0008]條款1:一種結(jié)構(gòu)，其包括接合在一起的第一和第二部件，第一部件包括多層加強纖維，外邊的一層包括由具有分散的纖維絲的纖維束加強的多維織物，其中分散的纖維絲被接合到第二部件的表面。
[0009]條款2:根據(jù)條款I的結(jié)構(gòu)，其中所述第一和第二部件為分離的部件。
[0010]條款3:根據(jù)條款2的結(jié)構(gòu)，其中所述分離的部件為飛機結(jié)構(gòu)元件。
[0011]條款4:根據(jù)條款I的結(jié)構(gòu)，其中所述第一部件為所述第二部件的補片。
[0012]條款5:根據(jù)條款4的結(jié)構(gòu)，其中所述第二部件位于飛機的易于被沖擊破壞的區(qū)域。
[0013]條款6:根據(jù)條款I的結(jié)構(gòu)，其中所述纖維絲的末端是波浪狀的。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1A和圖1B為具有分散的纖維絲的多方向復合織物的圖示說明。
[0015]圖2A和圖2B為被分散前和被分散后的纖維束絲的圖示說明。
[0016]圖3為具有被分散的纖維絲的相鄰纖維束的圖示說明。
[0017]圖4為包括具有分散的纖維絲的纖維束的復合織物的鋪層堆疊的圖示說明。
[0018]圖5為包括圖4的鋪層堆疊的部件的圖示說明，該部件接合到另一部件。
[0019]圖6為用于碳纖維增強塑料面板的補片的圖示說明。
[0020]圖7和圖8為具有分散的纖維絲的復合織物的圖示說明。
[0021]圖9為具有波浪狀末端的纖維絲的圖示說明。
[0022]圖10為使用具有分散的纖維絲的復合織物的一般方法的圖示說明。
[0023]圖11為飛機的圖示說明。

【具體實施方式】
[0024]參考圖1A，其示出了包含由第一增強纖維束和第二增強纖維束構(gòu)成的多方向復合織物110的制品100，其中第一增強纖維束在第一方向延伸，而第二增強纖維束在第二方向延伸。在一些實施例中，多方向織物110可以為由在X方向延伸的纖維束和在I方向延伸的纖維束構(gòu)成的紡織物。在圖1A中所示的實施例中，X和y方向是正交的。多方向織物I1具有邊界112。在織物110的邊界112內(nèi)，纖維束提供沿X和y方向的結(jié)構(gòu)強度。
[0025]標準的纖維束可包括數(shù)千(例如，I千、3千、12千、24千)條纖維。每個纖維束的單獨的纖維或纖維絲可以被捆扎成若干(N)纖維束。在纖維束中的捆扎的纖維絲通常通過交叉纖維被保持在一起(即，支撐)。交叉纖維通常正交于纖維絲120。
[0026]纖維束的纖維絲120延伸經(jīng)過邊界112。這些纖維絲120僅在其延伸方向提供結(jié)構(gòu)強度。纖維絲120在正交方向沒有支撐是松弛的。支撐可以被松弛，例如，通過僅使用小百分比(例如，10%至30% )的交叉纖維，該交叉纖維在纖維束中正常使用。在圖1A的示例中，認為纖維束在X方向延伸，而其纖維絲120延伸經(jīng)過邊界112。纖維絲120在X方向提供結(jié)構(gòu)強度。沒有交叉纖維用于支撐這些纖維絲120。類似地，在y方向延伸經(jīng)過邊界112的纖維絲120僅在y方向提供強度。沒有交叉纖維用于支撐這些纖維絲120。
[0027]在正交方向上這樣的松弛的結(jié)構(gòu)支撐或者缺乏結(jié)構(gòu)支撐使纖維絲120能夠被“分散(spread)”。當被壓縮時，纖維絲120重新分布使得纖維束的數(shù)目(N)減少。在圖1A的織物110中，延伸經(jīng)過邊界112的纖維絲120被分散。
[0028]圖2A和圖2B示出了在其纖維絲220被分散之前和之后的織物中的纖維束210。圖2A示出了在纖維絲220被分散之前的具有N = 5行纖維絲220的纖維束210。當壓縮力(F)在z方向被施加于纖維束210的無支撐的或松散支撐的部分時，壓縮力引起纖維絲220在正交(y)方向分散。圖2B示出了已被分散后的纖維絲220。在圖2B的示例中，分散的纖維絲220的行數(shù)從五被減少到二。分散的纖維絲220的寬度可以比纖維束210中的被完全支撐的纖維絲的寬度大。
[0029]再次參照圖1A，交叉纖維的減少或消除也使延伸經(jīng)過邊界112的纖維絲120的軸向硬度減小。S卩，織物110在邊界112外側(cè)比在邊界112內(nèi)柔軟。
[0030]邊界112外側(cè)的纖維絲120的硬度可以通過使一些或全部的纖維絲末端122呈波浪狀而進一步減小。圖1A示出了具有以波浪狀末端122終止的直線部分的纖維絲120。波浪狀末端122處于x-y平面中。由于纖維絲120也處于同一平面，所述波浪被稱為“在平面中”。
[0031]因此，織物110具有變化的硬度。在邊界112內(nèi)硬度最高，其在邊界112的外側(cè)減小，并且可在波浪狀末端122處進一步減小。與在邊界112內(nèi)的纖維絲相比，在其末端聚集載荷的纖維絲120將承受較小的應變力。
[0032]對于圖1A中所示的織物110，邊界112的外側(cè)的纖維絲的直線部分將傳遞負載。纖維絲的波浪狀末端122將不傳遞負載。
[0033]現(xiàn)在參照圖1B，圖1B示出了制品150的另一示例，制品150包括纖維束構(gòu)成的復合織物160。纖維絲170延伸超過纖維束的邊界162。負載轉(zhuǎn)移可通過改變纖維絲170的長度被調(diào)整(tailor)，使得纖維絲在不同位置聚集負載。負載轉(zhuǎn)移還可以通過使纖維絲170的一些末端172呈波浪狀而一些末端174呈直線被進一步適當定制。
[0034]圖1A和圖1B的制品100和150還包括樹脂(未示出)?？椢?10和160被嵌入樹脂中。作為第一示例，剛好在固化之前纖維束和分散的纖維絲以樹脂基質(zhì)浸潰。作為第二示例，在鋪層之前纖維束以樹脂基質(zhì)預浸。作為第三示例，纖維束以部分交叉結(jié)合的樹脂粘合在一起以便于最終處理前的儲存和運輸。
[0035]參照圖3，圖3示出了以距離d分散的第一和第二纖維束310和320的示例。當纖維絲312在第一纖維束310中被分散時，分散的纖維的寬度可以超過第一纖維束310的寬度。對于第二纖維束320的纖維絲322也是同樣的。因此，從第一纖維束310延伸的一些纖維絲312可以與從第二纖維束320延伸的一些纖維絲322混合(圖3僅示出了兩個混合的纖維絲312和322以圖示說明這個方面)。
[0036]現(xiàn)在參照圖4，圖4示出了鋪層堆疊410。鋪層堆疊410包括多個層420。鋪層堆疊410的一個或更多個最外層420可包括本文的多維織物(圖4僅在一個外層示出了本文的織物)。剩余的層410可包括傳統(tǒng)的纖維束。
[0037]鋪層堆疊410不限于任何特定部件或結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)將提供兩個示例。
[0038]現(xiàn)在參照圖5，圖5示出了第一示例，其中第一部件510被接合到第二部件520。但是作為一個示例，第一部件510可以是橫梁而第二部件520可以是面板。第一部件510包括鋪層堆疊410。從鋪層堆疊410的外層延伸的纖維絲412設置在第二部件520的表面上。部件510和520可以通過粘接、共粘接或共固化接合。共固化是指當部件510和520均為生的(即，未固化)時接合部件510和520。共粘接是指當部件中的一個是生的而另一個已經(jīng)被固化或者成形時接合部件510和520。粘接是指在兩個部件510和520已經(jīng)被固化后接合這兩個部件510和520。
[0039]纖維絲412改善兩個部件510和520的接合。使數(shù)千條纖維絲412單獨地接合到第二部件520大大減小了脫粘的可能性。由于每條纖維絲412獨立于其他纖維絲，要產(chǎn)生任何顯著性脫粘需要有數(shù)百或數(shù)千條纖維絲的脫粘發(fā)生。
[0040]纖維絲末端的在平面中的波浪形提供了增加的益處。波浪形幾乎不聚集負載。
[0041]參照圖6，圖6示出了第二示例:修補包括嵌入塑料基質(zhì)中的多層碳增強纖維的面板610。在每一層中，碳纖維以特定角度(例如，O度、+45度、-45度和90度)單向延伸。
[0042]面板610的損壞區(qū)域被挖掉(scarf out)。在圖6的例子中，被挖的區(qū)域612為七層深并挖成一定角度。
[0043]用于面板610的補片620包括鋪層堆疊。堆疊的鋪層與被移除的面板610的層相對應。因此，補片620的每一鋪層被定尺寸和定形狀以替換被移除的面板層。另外，每一個鋪層可以具有與被移除的面板層相同的纖維取向。頂鋪層的邊界大致與面板610的上層中的開口一致。
[0044]在圖6的補片620中，頂鋪層包括由纖維束構(gòu)成的多方向紡織物。分散的纖維絲(未示出)延伸超過紡織物的邊界。例如，分散的纖維絲延伸穿過四個邊緣。纖維絲的末端可具有在平面中的波浪形。補片620的剩余鋪層可包括傳統(tǒng)紡織物或單向纖維束。
[0045]一層膠合劑630可被置于面板610的被挖區(qū)域612上。補片620被置于被挖區(qū)域612中。延伸超過紡織物的邊界的纖維絲被設置在面板610的上表面上并接合于面板610的上表面。
[0046]數(shù)千條分散的纖維絲從補片620延伸穿過在補片620和面板610之間形成的接縫，并延伸到面板610上。分散的纖維絲產(chǎn)生到面板610的數(shù)千獨立粘接，以防止補片620從面板610的剝落。纖維絲的波浪狀末端可以聚集負載，但其不向補片的其余部分傳遞負載，這樣進一步防止補片620從面板610的剝落。
[0047]本文的織物不限于第一復合部件與第二復合部件的接合。第二部件可以由金屬或者其他非復合材料制成。延伸經(jīng)過兩個部件之間的接縫的分散的纖維絲可以膠接地粘接到金屬部件。
[0048]本文的織物甚至不限于一個復合部件與非復合部件的接合?？紤]圖6的示例，但是面板和補片二者均由金屬制成而不是纖維增強塑料。金屬補片可被粘接在金屬面板的損壞的區(qū)域內(nèi)，并且本文的織物可覆蓋金屬補片，其分散的纖維絲延伸經(jīng)過接縫并延伸到金屬面板的表面上。除了將金屬補片保持在面板中，織物可以提供屏障以防止?jié)駳膺M入。
[0049]本文的織物不限于圖1A和圖1B中所示的樣式。本文的織物不限于在正交的第一和第二方向上延伸的纖維絲。
[0050]圖7示出了包括在三個方向(W、X和y)上延伸的三軸編織的纖維束的織物710?？椢?10的中心部分720由在所有三個方向上延伸的重疊纖維束構(gòu)成?？椢?10的外圍部分730由以三個方向中的兩個方向延伸的纖維束構(gòu)成。例如，織物710的右下外圍部分730由以w和y方向延伸的纖維束構(gòu)成。延伸經(jīng)過織物710的邊界的纖維絲被分散。
[0051]圖8示出了具有圓形邊界830的織物810和延伸經(jīng)過圓形邊界830的纖維絲820。該織物810可以通過將多維紡織物切割成圓形，拉出邊界處的獨立的纖維絲，并將那些獨立的纖維絲設置為正交于邊界830而形成。
[0052]本文的多方向織物不限于紡織物或編織物。在其他實施例中，多方向織物110包括多層纖維束構(gòu)成的壓層，其中每層的纖維束為單向的。例如，第一層包括以X方向延伸的纖維束，而第二層包括以y方向延伸的纖維束。這些層的重疊部分在X和y方向上提供強度。
[0053]本文的織物不限于延伸經(jīng)過邊界的所有纖維絲。在一些實施例中，僅一些纖維絲可延伸經(jīng)過邊界，而其他纖維絲以相同方向延伸并在邊界處終止。在邊界處終止一些纖維絲的優(yōu)勢是這更容易將延伸通過邊界的纖維分散。
[0054]在本文的織物中，所有纖維絲可具有相同的模量和相同的熱膨脹系數(shù)。然而，本文的織物不受此限制。
[0055]在本文的織物中，所有纖維絲可具有相同組分。例如，本文的織物可僅具有碳纖維絲。然而，本文的織物不受此限制，并且一些實施例可具有不同組分的纖維絲。例如，本文的織物可具有玻璃纖維絲和碳纖維絲的結(jié)合。玻璃纖維絲的使用可導致在負載處的更高應變?？紤]圖1B的示例，具有波浪狀末端的碳纖維絲可以被具有直線末端的玻璃纖維絲代替。
[0056]本文的織物不限于任何特定寬度的纖維束，或任何特定數(shù)目的纖維絲。纖維束可包括數(shù)千條纖維絲。
[0057]在本文的織物中，纖維絲不限于具有正弦曲線形的波浪狀末端。在一些實施例中，織物910的纖維絲920可具有彎曲成與織物的邊界912平行的波浪狀末端922，如圖9所
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[0058]現(xiàn)在參照圖10，圖10示出了使用本文的織物的一般方法。在方框1010處，匹配第一和第二部件。第一部件包括外層，該外層具有由以第一方向延伸的第一纖維束和以第二方向延伸的第二纖維束構(gòu)成的紡織物。第一纖維束的末端部分延伸至第二部件的表面上。膠合劑可被置于第一和第二部件的接合表面。
[0059]在方框1020處，纖維束的末端部分被分散成獨立的纖維絲?？上蚰┒瞬糠质┘?例如，利用輥子)壓力以造成纖維絲分散?？墒崂砝w維絲以進一步確保纖維絲被分散。膠合劑也可置于分散的纖維絲上。
[0060]在方框1030處，通過將部件的接合表面接合在一起，第一部件被接合到第二部件，并且分散的纖維絲被接合到第二部件的表面。取決于部件的成分和固化程度，接合可通過共固化、共粘接或粘接來實現(xiàn)。可通過蒸壓器來施加在固化或粘接期間的熱和壓力。如果第一部件為補片，可通過熱毯來施加熱和壓力。
[0061]參照圖11，圖11示出了包括機身1110、機翼組件1120和尾翼1130的飛機1100。包括一個或更多個推進單元的推進系統(tǒng)1140被聯(lián)接至機身1110、機翼組件1120或飛機1100的其他部分。諸如蒙皮、加強件、框架和翼梁的FRP結(jié)構(gòu)元件可被接合在一起以形成機身1110、機翼組件1120和尾翼1130。本文的織物可用于這些FRP結(jié)構(gòu)元件中?？紤]具有粘接和/或緊固于蒙皮面板的FRP凸緣的橫梁的示例。橫梁可被用于加強蒙皮面板。本文的織物用于凸緣的外層。從織物延伸出的獨立的纖維絲被接合至蒙皮面板。纖維絲可從凸緣縱向地延伸和/或從凸緣橫向地延伸。
[0062]本文的織物也可用于修補機身1110、機翼組件1120和尾翼的損壞部分。飛機1100的某些區(qū)域可能易于腐蝕損壞和/或沖擊損壞。本文的織物可以用于修補如上所述的損壞?？椢锏莫毩⒌睦w維絲防止補片剝落，纖維絲的波浪狀末端進一步防止補片剝落。
[0063]補片還降低沖擊后的損壞。如果修補的區(qū)域再次受到碎片沖擊，那么纖維絲的波浪狀末端聚集沖擊負載，但不向補片的其他部分傳遞沖擊負載。
【權(quán)利要求】
1.一種包括多方向織物的制品，其中該多方向織物由在第一方向延伸的第一增強纖維束和在第二方向延伸的第二增強纖維束構(gòu)成，所述第一纖維束中的部分纖維絲延伸經(jīng)過所述織物的邊界并分散，所述纖維束嵌入樹脂中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制品，其中所述第二纖維束中的纖維絲也延伸經(jīng)過所述織物的所述邊界并分散。
3.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的制品，其中所述織物的所述邊界內(nèi)的纖維絲沿所述第一和第二方向提供結(jié)構(gòu)強度，并且其中延伸經(jīng)過所述邊界的那些纖維絲僅在所述第一方向提供結(jié)構(gòu)強度。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的制品，其中所述織物包括若干行捆扎的纖維絲，并且其中分散的纖維絲的行數(shù)較少。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的制品，其中所述織物包括由纖維束構(gòu)成的紡織物。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制品，其中延伸經(jīng)過所述邊界的所述纖維絲稀疏而沒有交叉纖維支撐。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的制品，其中所述織物包括由在第一、第二和第三方向延伸的纖維束構(gòu)成的編織物。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的制品，其中所述織物具有圓形邊界并且其中延伸經(jīng)過所述邊界的所述纖維絲正交于所述邊界。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的制品，其中所述分散的纖維絲的末端具有在平面中的波浪形。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的制品，其中延伸經(jīng)過所述邊界的所述纖維絲以不同長度終止。
11.一種鋪層，其包含多層增強纖維以及包括前述任一權(quán)利要求所述制品的外層。
12.—種制造復合結(jié)構(gòu)的方法，其包括: 匹配第一和第二部件，其中所述第一部件包括外層，該外層具有由在第一方向延伸的第一纖維束和在第二方向延伸的第二纖維束構(gòu)成的紡織物； 將所述纖維束的末端分散成獨立的纖維絲；以及 將分散的纖維絲接合到所述第二部件的表面。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中所述第一和第二部件是飛機結(jié)構(gòu)元件。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中所述第一部件是用于所述第二部件的補片，該第二部件是飛機結(jié)構(gòu)元件。
【文檔編號】B32B27/04GK104448877SQ201410423099
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年8月26日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月23日
【發(fā)明者】K·H·格里斯, J·J·埃斯波西托, G·E·喬治森 申請人:波音公司