專利名稱：最小扭曲的三維織造預(yù)成形件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于增強(qiáng)復(fù)合材料的織造預(yù)成形件，其能夠平直地織造并彎折成其最終形狀，而在纖維中不會產(chǎn)生不希望有的扭曲。
通常這樣的組件是由嵌入基體材料中的增強(qiáng)材料構(gòu)成。增強(qiáng)組件可以是這樣的材料形成，玻璃、碳、陶瓷、芳族聚酰胺(例如“凱夫拉爾(KEVLAR)”即聚對苯二甲酰對苯二胺纖維)、聚乙烯、和/或其它材料，這些材料呈現(xiàn)有所希望的物理、熱、化學(xué)和/或其它特性，其中主要是較大的抗應(yīng)力斷裂強(qiáng)度。通過使用這樣的最終成為一種完整組件的組成元件的增強(qiáng)材料，增強(qiáng)材料的所希望的特征----例如非常高的強(qiáng)度----被賦予完整復(fù)合組件。組分增強(qiáng)材料通?？梢员豢椩?，針織或其它方式取向成為增強(qiáng)預(yù)成形件用的所希望的外形和形狀。通常尤其注意的是，確保這些特性的最佳利用，為此已選擇了組分增強(qiáng)材料。一般這些增強(qiáng)的預(yù)成形件是與基體材料相結(jié)合以形成所希望的組件或生產(chǎn)所述具有制成組件的最終產(chǎn)品用的加工原料。
在所希望的增強(qiáng)預(yù)成形件已構(gòu)成之后，基體材料可被摻入并進(jìn)入到預(yù)成形件中，以致增強(qiáng)預(yù)成形件一般會被包圍在基體材料中，并且基體材料填充在增強(qiáng)預(yù)成形件的組成元件之間的空隙區(qū)域。基體材料可以是這些材料的任一種，例如環(huán)氧樹脂、聚酯、乙烯基酯、陶瓷、碳、和/或其它材料，該材料也表現(xiàn)出所希望的物理、熱、化學(xué)和/或其它特性。所選擇的用于基體的材料可以是或者可以不是與增強(qiáng)預(yù)成形件的材料相同，并且可以具有或者可以不具有相容的物理、化學(xué)、熱或其它特性。然而，一般它們將不是相同的材料或不具有相容的物理、化學(xué)、熱或其它特性，使用復(fù)合材料首先追尋的目標(biāo)是獲得一種在單獨(dú)使用一種組分材料所不能達(dá)到的在最終產(chǎn)品中的特性組合。如此被結(jié)合，增強(qiáng)預(yù)成形件和基體材料就可在相同的操作中通過熱定形或其它已知方法來固化和穩(wěn)定化，并隨后經(jīng)過其它操作來生產(chǎn)出所希望的組件。這里尤其注意的是，在被固化之后，基體材料的固化塊狀物通常就會非常牢固地結(jié)合到增強(qiáng)材料(例如增強(qiáng)預(yù)成形件)上。其結(jié)果是，在最終組件上的應(yīng)力，特別是通過其作為纖維間粘合劑的基體材料，可被有效地傳遞到所增強(qiáng)的增強(qiáng)預(yù)成形件的組成材料上而并由其承擔(dān)。
常常希望生產(chǎn)這樣的組件，其形狀不是象嵌條、片材、長方形或方形固體材料等這樣簡單的幾何形狀。一種實(shí)施方式是把這樣的基本幾何形狀相結(jié)合成為所希望的更加復(fù)雜的形狀。一種這樣典型的結(jié)合是將如上述制成的增強(qiáng)預(yù)成形件彼此之間按一角度(一般為直角)連接而構(gòu)成。對于這種連接增強(qiáng)預(yù)成形件的成角度布置來說，通常目的是，構(gòu)造一種所希望的形狀來形成一種包括有一個或多個端壁或例如“T”形交叉的增強(qiáng)預(yù)成形件，或要加強(qiáng)所述增強(qiáng)預(yù)成形件和復(fù)合結(jié)構(gòu)的組合效果，當(dāng)這種角度布置受到外力，例如壓力或張力時，其產(chǎn)生抗偏差或抗斷裂的效果。在任何情況下，相關(guān)考慮的問題是，使在組成組件之間的各連接應(yīng)盡可能地牢固。如果增強(qiáng)預(yù)成形件組分本身具有非常高的強(qiáng)度，連接的低強(qiáng)度實(shí)際上成為結(jié)構(gòu)“鏈”上的“薄弱環(huán)節(jié)”。
一種交叉配置的實(shí)例在US6,103,337中提出，其所公開的內(nèi)容在此可結(jié)合參考。該參考文獻(xiàn)陳述了把兩個增強(qiáng)板連接在一起成為T形的有效裝置。
對于構(gòu)成這樣連接，已在過去提出了各種其它建議方案。已建議形成和固化彼此相分離開的一板元件和一成角度的加強(qiáng)元件，其中成角度的加強(qiáng)件具有單個(panel)接觸表面或是在一端被分叉成兩個漸開的、共面的、嵌條接觸表面。而兩個組件是通過使用熱固性粘合劑或其它粘合劑材料把加強(qiáng)元件的嵌條接觸表面粘接地粘合到另一組件的接觸表面上來連接起來的。然而，當(dāng)張力施加到固化嵌條或復(fù)合結(jié)構(gòu)的表層時，由于連接的有效強(qiáng)度是其基體材料的強(qiáng)度并不是粘合劑的強(qiáng)度，非常小值的負(fù)載就產(chǎn)生“剝離”力，該剝離力使加強(qiáng)元件與嵌條在它們交界面處分離。
在這樣的組件的交界面上使用金屬螺栓或鉚釘是不能接受的，因?yàn)檫@種附加件至少部分地?fù)p害和降低了復(fù)合結(jié)構(gòu)本身的完整性，增加了重量，并在這些元件與周圍材料之間導(dǎo)致熱膨脹系數(shù)不同。
解決這個問題的其它辦法是基于引入高強(qiáng)度纖維穿越連接區(qū)域的設(shè)計思路，通過使用這樣的方法，使其中之一的組件縫合到其它組件上并且依靠縫合線來將這樣的增強(qiáng)纖維引入到并且穿越連接部位。這樣一種方法已在US4,331,495中公開，并且在其方法分案申請US4,256,790中公開。這些專利公開了在由粘合纖維層制成的第一與第二復(fù)合嵌條之間制成的連接結(jié)構(gòu)。第一嵌條按現(xiàn)有技術(shù)方式在一端分叉成兩個分開的、共面的嵌條接觸表面，其通過未固化的韌性復(fù)合線縫合穿越兩嵌條而結(jié)合到第二嵌條上。所述嵌條和線然后被“共同固化”，即同時固化。
對連接強(qiáng)度加以改進(jìn)的另一方法在US5,429,853中提出。
而現(xiàn)有技術(shù)已試圖改進(jìn)增強(qiáng)復(fù)合的結(jié)構(gòu)完整性并且已獲得成功，尤其是在US6,103,337中，其中存在通過一種不同于使用粘合劑或者機(jī)械接合的方法來對其改進(jìn)或提出問題的意愿。在這方面，一種方法是通過特殊的機(jī)器來制出一種織造結(jié)構(gòu)，其可以是三維(“3D”)結(jié)構(gòu)。然而，所投入的費(fèi)用是值得考慮的，并且?guī)缀醪豢赡苡幸环N直接產(chǎn)生簡單結(jié)構(gòu)的織機(jī)。
另外一種方法是織造一種二維(“2D”)結(jié)構(gòu)并把其折疊成形。然而，當(dāng)預(yù)成形件被折疊時，這一般形成部分扭曲。扭曲的出現(xiàn)是由于纖維織造狀態(tài)的長度不同于其在預(yù)成形件被折疊時的長度。這會在織造狀態(tài)的纖維長度太短的區(qū)域中引起凹陷和波紋，而在織造狀態(tài)的纖維太長的區(qū)域中會引起皺褶。這些扭曲產(chǎn)生不希望的表面異常并降低了組件的強(qiáng)度和剛性。顯然這可通過切割和褶縫而被消除，但這樣的措施是不希望的，原因是其勞動量大或是另外有可能影響預(yù)成形件的完整性。
如上所述，3D預(yù)成形件是所希望的，其能夠加工成為纖維增強(qiáng)復(fù)合組件，因?yàn)樗鼈兿鄬τ?D層狀復(fù)合材料提供了增強(qiáng)的強(qiáng)度。這些預(yù)成形件尤其用于要求復(fù)合材料承受平面外負(fù)載的一些領(lǐng)域。
因此，需要一種3D預(yù)成形件，并提供一種可采用的方法和/或產(chǎn)生3D預(yù)成形件和/或增強(qiáng)復(fù)合結(jié)構(gòu)的改進(jìn)方法。
本發(fā)明的另一目的是提供這樣一種3D預(yù)成形件，其可折疊成形而沒有使構(gòu)成預(yù)成形件的纖維扭曲。
本發(fā)明的再一目的是提供一種3D預(yù)成形件，該預(yù)成形件尤其用于形成T形增強(qiáng)復(fù)合制品。
上述目的和其它目的以及優(yōu)點(diǎn)是通過所提供的一種3D織造預(yù)成形件來實(shí)現(xiàn)的，其能夠被平直織造并且隨后在樹脂浸漬之前能被折疊成為最終的形狀，而在纖維中不會產(chǎn)生不希望的扭曲。這是在織造期間通過這樣調(diào)整纖維的長度而完成的在某些區(qū)域中纖維非常短而在其它區(qū)域中纖維非常長。在預(yù)成形件被折疊成形時，纖維就得以補(bǔ)償，從而在折疊處提供一平滑的過渡。該技術(shù)雖然適合于形成T形狀織造預(yù)成形件，但可應(yīng)用于各種形狀。另外，雖然參照是對織造預(yù)成形件作出的，但對非織造一例如編織或縫連結(jié)合的適應(yīng)性對本技術(shù)領(lǐng)域的普通人員來說是顯然的。


圖1A和1B所表示的是，可考慮一種傳統(tǒng)方法來形成一種織物預(yù)成形件，其可彎折成形。在此情況中，在織造織物中提供有一空間16，在這里，下面四排緯向纖維14在編織中不存在。這使得織物10的相鄰部分或支腳18和20與織物10成直角彎折，其如圖1B所示。
然而，產(chǎn)生的問題是，由于緯向纖維12A，B和C的長度是一樣的，當(dāng)平直織造并當(dāng)因進(jìn)行彎折而被彎折時，這就會在纖維12B非常短的區(qū)域22和24上引起凹陷或波紋，而在緯向纖維12C非常長的區(qū)域26和28上引起皺褶。區(qū)域22和24中的凹痕和皺褶的出現(xiàn)，是由于在彎折時太短的緯向纖維12B引起經(jīng)向纖維向下拉。在區(qū)域26和28中，由于在彎折時緯向纖維12C太長，它們向外起皺。上述情形產(chǎn)生不希望有的表面異常并且降低了組分的強(qiáng)度和剛性。
現(xiàn)參看附圖2A和2B，類似部分類似地標(biāo)記。如從附圖2A中可以看到，為了說明的目的，僅示出了緯向纖維12B′。由于在織造狀態(tài)(示于圖2A)與彎折狀態(tài)(示于圖2B)中的纖維長度的差異，纖維長度在區(qū)域30織成非常短而區(qū)域32中織成非常長。當(dāng)預(yù)成形件被彎折成形時，使長度上的差異被調(diào)整，以至獲得所希望的長度。圖2B示出一預(yù)成形件的典型纖維路徑，其在被彎折時具有“π”形橫截面。纖維12B′有意地被織在一路徑上，該路徑使其在區(qū)域30上非常短而在區(qū)域32上非常長。這在短部分上產(chǎn)生一張力，其在彎折成“π”形狀時引起拉動所述長的部分，以致于在兩側(cè)上的纖維12B′長度相等，并且校正被彎折的部分，避免了如上所述的扭曲和起皺。
當(dāng)然圖2A和2B只不過說明所表示的單個纖維12B使用的基本概念。沿著預(yù)成形件的長度有許多纖維，所述纖維具有相同的纖維路徑。而且，以類似的方式織有另外的經(jīng)向纖維，以根據(jù)其在織造組織上的位置提供所需的不同長度，其如下所述。
現(xiàn)參看附圖3A和3B，其分別表示了用于一“π”形預(yù)成形件中的織造狀態(tài)和彎折狀態(tài)的織物10。預(yù)成形件形狀僅是用于說明的目的，因?yàn)楸景l(fā)明能夠提供所涉及到的許多形狀，本領(lǐng)域的技術(shù)人員對此將是非常清楚的。
如圖所示，“π”形預(yù)成形件的織物10的頂部包括一些經(jīng)向纖維14和一般表示為12′的緯向或填充纖維的層?！唉小毙晤A(yù)成形件的支腳部分36和38類似地包括一些經(jīng)向纖維14和緯向纖維12的層。如在先的實(shí)施例，織物10以適合于目的所希望的織造花紋(例如緞紋等)被織造。而且，如在緊接其上的在先實(shí)施例，本發(fā)明的目的在于消除扭曲和起皺，其扭曲和起皺通常是出現(xiàn)在當(dāng)從一平直織造組織到一彎折狀態(tài)的時候。
如從圖3中可以看出，根據(jù)在織造組織中的位置，來確定纖維路徑。例如，緯向纖維40在空間16兩側(cè)是等長的，纖維42在圖3A的左手側(cè)上是非常的長，而在右手側(cè)是非常短。類似地，纖維44在左手側(cè)是非常的短，而在右手側(cè)是非常的長。
因?yàn)槭沁@樣，當(dāng)支腳部分36和38被如圖3B所示向下彎折時，使纖維長度按與相關(guān)于圖2A和2B所述的相同方式進(jìn)行補(bǔ)償。應(yīng)注意到，在支腳部分36和38與頂部34之間的空間為了說明的目的而被放大了。
現(xiàn)參看附圖4A和4B，其示出了一種用于制造T形狀預(yù)成形件的設(shè)計圖。圖4A為織造狀態(tài)織物而圖4B為彎折狀態(tài)織物。
T形預(yù)成形件的頂部是由兩個支腳部分52和54制成。T的底部包括有部分56。如早先的實(shí)施例，預(yù)成形件以適合于目的所希望的織造花紋用改進(jìn)的緯向纖維58被織造，以便提供本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。在這方面，纖維58在頂部非常長而在底部非常短。纖維60在頂部非常短而在底部非常長。纖維62在頂部和底部兩部分上是相等長度。
如圖4B所示，由于非常長和非常短的纖維路徑，纖維58和60起著如在前所述的作用。它們用來互連部分52和54之用。纖維62用來將部分52和54與部分56互連。
如在本發(fā)明的所有預(yù)成形件的情況中，一旦被彎折成形，隨后它們能夠被浸漬或涂覆樹脂以形成所希望形狀的復(fù)合結(jié)構(gòu)。
由此本發(fā)明的目的和優(yōu)點(diǎn)得以了解，并且盡管在此詳細(xì)地公開并描述了一些最佳的實(shí)施例，但其范圍不受其限定，而是由所附的權(quán)利要求所確定。
權(quán)利要求
1.一種二維織造織物，用于形成一具有三維形狀的結(jié)構(gòu)，所述的織物包括所述織物的第一部分；所述織物的第二部分，其相對于所述第一部分可彎折；多根纖維，其互連于所述第一部分和所述第二部分；一纖維路徑，其由所述多根互連纖維形成，所述的纖維路徑具有被織造成短于路徑的一部分纖維，和被織造長于路徑的一部分纖維，這樣，在所述第一部分相對于所述第二部分彎折時，就引起被織造短的纖維沿著纖維路徑拉動被織造長的纖維部分，從而對彎折進(jìn)行補(bǔ)償。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的織物，其特征在于，所述織物包括經(jīng)向和緯向纖維，并且所述互連纖維是緯向纖維。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的織物，其特征在于，所述織物被平直地織造并且所述第一和第二部分被彎折以形成一種三維形狀。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的織物，其特征在于，所述，三維形狀是“π”形狀或T形狀。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的織物，其特征在于，所述織物是一種用于增強(qiáng)復(fù)合材料的預(yù)成形件。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的織物，其特征在于，所述的織物在第一和第二部分上具有多個織造層，并且多個纖維路徑是在第一和第二部分的織造層的不同層之間。
全文摘要
一種增強(qiáng)復(fù)合材料用的織造預(yù)成形件，其可平直織造，并在所要織造的彎折處用纖維彎折成形以進(jìn)行彎折補(bǔ)償。
文檔編號C08J5/24GK1413815SQ02156349
公開日2003年4月30日 申請日期2002年7月5日 優(yōu)先權(quán)日2001年7月5日
發(fā)明者喬納森·格林 申請人:阿爾巴尼國際編織技術(shù)公司