使用纖維轉(zhuǎn)向的復(fù)合層壓板的熱膨脹調(diào)節(jié)系數(shù)的制作方法
【專利說明】使用纖維轉(zhuǎn)向的復(fù)合層壓板的熱膨脹調(diào)節(jié)系數(shù)
【背景技術(shù)】
[0001] 不同類型的材料經(jīng)常被結(jié)合，W完成某種裝配。例如，復(fù)合零件和結(jié)構(gòu)經(jīng)常與金屬 結(jié)構(gòu)結(jié)合。然而，復(fù)合零件和結(jié)構(gòu)可能具有與結(jié)合的金屬結(jié)構(gòu)的熱膨脹系數(shù)（CTC)顯著不 同的熱膨脹系數(shù)，有時在不同的數(shù)量級上。在許多應(yīng)用中，因為溫度變化極小，所W運可能 不重要。然而，在其他應(yīng)用中，材料可能在寬泛的溫度范圍內(nèi)經(jīng)歷快速加熱和/或冷卻。例 如，由于直接暴露于UV福射或由于缺乏UV福射，所W航天器應(yīng)用將各種組件暴露于加熱和 冷卻。使由具有顯著不同的CTE的兩種結(jié)構(gòu)形成的裝配件處于經(jīng)歷重大溫度變化的環(huán)境中 可能導(dǎo)致有害的影響。
[0002] 可W在復(fù)合結(jié)構(gòu)和結(jié)合的金屬結(jié)構(gòu)之間使用額外的聯(lián)接/界面結(jié)構(gòu)（interhce structure)來減小由變化的熱膨脹誘發(fā)的應(yīng)力。運些額外的聯(lián)接件可W包括接合器和間隔 器，其允許一些CTE失配。然而，熱膨脹接合器可W增加顯著的重量到整體裝配件，并且增 加成本。運些熱膨脹接合器可能難W制造且易于損壞。
[0003] 因此，期望提供用于使復(fù)合結(jié)構(gòu)與其他具有不同CTE的結(jié)構(gòu)結(jié)合的新的且改進的 解決方案，使得運些解決方案W克服現(xiàn)有機構(gòu)的缺點的方式解決不同的熱膨脹系數(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 提供裝配件，每個裝配件包括具有一致的熱膨脹系數(shù)（CTC)的第一結(jié)構(gòu)和具有可 變的CTE的第二復(fù)合結(jié)構(gòu)。還提供形成此類裝配件的方法。第二結(jié)構(gòu)具有重疊區(qū)、過渡區(qū)和 基線區(qū)。重疊區(qū)直接與第一結(jié)構(gòu)聯(lián)接，并且具有與第一結(jié)構(gòu)的CTE相差無幾的CTE?；€區(qū) 遠離第一結(jié)構(gòu)，并且具有不同的CTE。運些CTE中的每一者在其各自的區(qū)內(nèi)是一致的。過渡 區(qū)可W與基線區(qū)和重疊區(qū)互連，并且可W具有從一端到另一端的漸進的CTE變化。第二復(fù) 合結(jié)構(gòu)的CTE變化可W通過改變延伸通過所有Ξ個區(qū)的至少一個層片的纖維角度來實現(xiàn)。 例如，至少一個層片可W經(jīng)受纖維轉(zhuǎn)向。被纖維轉(zhuǎn)向的層片可W是復(fù)合結(jié)構(gòu)內(nèi)的任意層片， 諸如最靠近第一結(jié)構(gòu)的層片。 陽0化]在一些實施例中，裝配件包括第一結(jié)構(gòu)和第二結(jié)構(gòu)。第一結(jié)構(gòu)具有第一 CTE，該第 一 CTE在整個第一結(jié)構(gòu)的全部體積中基本上一致。第一結(jié)構(gòu)可W由金屬、復(fù)合材料或適合 于給定應(yīng)用的一些其他材料形成。第二結(jié)構(gòu)由包括第一層片和第二層片的復(fù)合材料形成。 第一纖維層片和第二纖維層片連續(xù)地延伸通過第二結(jié)構(gòu)的重疊區(qū)、過渡區(qū)和基線區(qū)。重疊 區(qū)與第一結(jié)構(gòu)聯(lián)接?；€區(qū)遠離第一結(jié)構(gòu)而設(shè)置。過渡區(qū)與重疊區(qū)和基線區(qū)互連。在一些 實施例中，在第一纖維層片內(nèi)的重疊區(qū)內(nèi)的纖維角度不同于在第一纖維層片內(nèi)的基線區(qū)內(nèi) 的纖維角度，使得第二結(jié)構(gòu)的重疊區(qū)具有與第一結(jié)構(gòu)的CTE(即，第一 CTC)基本上匹配的 CTE (即，第二 CTC)。
[0006] 應(yīng)當注意的是，如果形成第二結(jié)構(gòu)的材料是各向異性材料，那么第二結(jié)構(gòu)可W在 不同方向上具有不同的CTE值。在運種情形下，在一個方向（即，匹配方向）上的第二結(jié) 構(gòu)的CTE可W匹配第一結(jié)構(gòu)的CTE，而在另一個方向（即，非匹配方向）上的第二結(jié)構(gòu)上的 CTE可W不匹配第一結(jié)構(gòu)的CTE。匹配方向可W位于最長重疊的方向。例如，第一結(jié)構(gòu)和第 二結(jié)構(gòu)之間的重疊可w具有圓柱形形狀，其中圓柱的圓周長于圓柱的高度。在運種情況下， 匹配方向可W是圓周方向，而非匹配方向可W是軸向方向?？商鎿Q地，該圓柱形重疊可W具 有短于圓柱形重疊的高度的圓周。在運種情況下，匹配方向可W是軸向方向，而非匹配方向 可W是圓周方向。在一些實施例中，在不同方向上的CTE值可W是不同的數(shù)量級。而且，在 不同方向上的CTE值可W具有相反的符號。例如，在軸向方向上的CTE可W為正，而在圓周 方向上的CTE可W為負，反之亦然。
[0007] 在一些實施例中，在匹配方向和不匹配方向之間的CTE值的差小于100%，或者更 具體地，小于50%。除非該說明書中另有陳述，否則兩個組件之間的CTE值的比較沿著匹 配方向進行。還應(yīng)當注意的是，復(fù)合結(jié)構(gòu)的CTE值沿著匹配方向改變。例如，在重疊區(qū)內(nèi)的 匹配方向上的CTE值（即，第二CTC)不同于在基線區(qū)內(nèi)的匹配方向上的CTE值（即，第Ξ CTC)。
[0008] 在一些實施例中，第一纖維層片具有通過過渡區(qū)的纖維轉(zhuǎn)向。通過過渡區(qū)的纖維 轉(zhuǎn)向可W使用線性角度變換之一?？商鎿Q地，通過過渡區(qū)的纖維轉(zhuǎn)向可W沿著具有恒定轉(zhuǎn) 向半徑的路徑。而且，纖維路徑可W是樣條線表示（spline r巧resentation)。
[0009] 在一些實施例中，第二纖維層片在重疊區(qū)內(nèi)具有第Ξ纖維角度，該第Ξ纖維角度 不同于在基線區(qū)內(nèi)的第四纖維角度。在重疊區(qū)內(nèi)的第一纖維層片內(nèi)的第一纖維角度的絕對 值不同于在重疊區(qū)內(nèi)的第二纖維層片內(nèi)的第Ξ纖維角度的絕對值。
[0010] 在一些實施例中，第二纖維層片在重疊區(qū)和基線區(qū)內(nèi)具有相同的纖維角度。該裝 配件可W包括第Ξ纖維層片和第四纖維層片。第一纖維角度可W被選擇來平衡與第二結(jié)構(gòu) 和第二CTE與第一 CTE的匹配相關(guān)的泊松比的值。例如，第二CTE到第一 CTE的精確匹配 可W造成第二結(jié)構(gòu)的重疊區(qū)內(nèi)的泊松比大于1。允許在第二CTE和第一 CTE之間的一些失 配可W將第二結(jié)構(gòu)的重疊區(qū)內(nèi)的泊松比減小至低于0. 5的某一值，運對于第二結(jié)構(gòu)的完整 性可能是更可取的。
[0011] 在一些實施例中，用于設(shè)計復(fù)合結(jié)構(gòu)的方法包括，確定第一層壓板鋪層（layup) 和第二層壓板鋪層、確定纖維角度、調(diào)整纖維角度，W及實施第一層壓板鋪層。在第一復(fù) 合物內(nèi)的第一層壓板鋪層具有重疊區(qū)CTE，W便連接到接觸結(jié)構(gòu)。具有集合特性（set characteristic)的第二層壓板鋪層可W基于結(jié)構(gòu)需求（例如，層壓板強度或結(jié)構(gòu)剛度）來 確定。在第一層壓板鋪層內(nèi)的第一纖維層片內(nèi)的重疊區(qū)與基線區(qū)處的纖維角度被確定。在 重疊區(qū)處的纖維角度被調(diào)整，W允許CTE失配，從而平衡泊松比使。使用纖維轉(zhuǎn)向?qū)嵤┑谝?和第二層壓板鋪層，和從第一到第二層壓板鋪層的過渡。
[0012] 在一些實施例中，第一纖維層片具有通過過渡區(qū)的纖維轉(zhuǎn)向。通過過渡區(qū)的纖維 轉(zhuǎn)向可W使用線性角度變換之一?？商鎿Q地，通過過渡區(qū)的纖維轉(zhuǎn)向可W沿著具有恒定轉(zhuǎn) 向半徑的路徑。而且，纖維路徑可W是樣條線表示。
[0013] 在一些實施例中，第二結(jié)構(gòu)的圓周方向上的第二CTE對應(yīng)于第一結(jié)構(gòu)的第一 CTE。 第一結(jié)構(gòu)可W包括金屬。
[0014] 在一些實施例中，第二纖維層片在重疊區(qū)內(nèi)具有第Ξ纖維角度，該第Ξ纖維角度 不同于在基線區(qū)內(nèi)的第四纖維角度。在重疊區(qū)內(nèi)的第一纖維層片內(nèi)的第一纖維角度的絕對 值可W不同于在重疊區(qū)內(nèi)的第二纖維層片內(nèi)的第Ξ纖維角度的絕對值。
[0015] 在一些實施例中，第二纖維層片在重疊區(qū)和基線區(qū)內(nèi)具有相同的纖維角度。該裝 配件可W包括第Ξ纖維層片和第四纖維層片。第一纖維角度可W被選擇來平衡與第二結(jié)構(gòu) 和第二CTE與第一 CTE的匹配相關(guān)的泊松比的值。
[0016] 在一些實施例中，第二結(jié)構(gòu)的重疊區(qū)內(nèi)的層片的數(shù)量可W不同于基線區(qū)內(nèi)的層片 的數(shù)量。第二結(jié)構(gòu)具有從重疊區(qū)到基線區(qū)的至少一個連續(xù)的纖維層片。
[0017] 下面將參考附圖進一步描述運些實施例和其他實施例。
【附圖說明】
[0018] 圖1根據(jù)一些實施例圖示說明包括復(fù)合結(jié)構(gòu)的裝配件的一個示例，其中復(fù)合結(jié)構(gòu) 具有不同的區(qū)，不同的區(qū)具有不同的CTE。
[0019] 圖2A是根據(jù)一些實施例的示出用于形成恒定的CTE的平衡的對稱層壓參數(shù)的所 有可能的組合的示例。
[0020] 圖2B是根據(jù)一些實施例的圖示說明穿過復(fù)合結(jié)構(gòu)的不同區(qū)的不同纖維角度的示 例的圖表。
[0021] 圖3是根據(jù)一些實施例的圖示說明穿過復(fù)合結(jié)構(gòu)的不同區(qū)的不同CTE的示例的圖 表。
[0022] 圖4根據(jù)一些實施例示出平衡失配的圓周CTE和泊松比的示例。
[0023] 圖5根據(jù)一些實施例圖示說明用于匹配復(fù)合結(jié)構(gòu)的CTE與結(jié)合的結(jié)構(gòu)的CTE的