專利名稱：使用兩個固化循環(huán)的用于制造由復合材料構成的部件的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種使用兩個固化循環(huán)的用于制造由復合材料構成的部 件的方法，并且更具體而言，涉及意在用于航空結構體的部件。
背景技術：
已知用于制造由復合材料構成的意在用于航空結構體的許多部件的 方法，所述復合材料由聚合物樹脂和纖維增強材料制成，其中在高壓釜中 對所述部件的至少一個子元件施加第一固化循環(huán)，并且在高壓釜中對其全 部子元件適當組裝的部件的組裝體施加第二固化循環(huán)。
同時，據(jù)認為是由于在高壓釜中的固化過程中，在樹脂的聚合過程中 發(fā)生的化學反應的放熱性所造成的缺點，在航空工業(yè)中是眾所周知的反 應所產(chǎn)生的熱被加入到高壓釜的熱中，并且可能導致被施加固化循環(huán)的工 件的不需要的過熱。為了控制此缺點，已知的是如緩慢或逐步升高高壓釜
溫度的技術，或如在美國專利5,345,397中所描述的最優(yōu)化技術，其中根 據(jù)工件的溫度周期性地再計算最佳高壓釜溫度，所述工件的溫度由用于測 量受控變量的傳感器測量。
然而，用于降低放熱反應在制造具有不同子元件的工件中的影響的有 效技術，特別是降低制造成本的技術還是未知的。
本發(fā)明的目的在于解決這些缺點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種由至少兩個子元件制造復合材料的工件的方法，所述
復合材料由聚合物樹脂和纖維增強材料制成，所述方法包括以下步驟
-提供第一子元件，所述第一子元件在最高溫度丁l的高壓釜中的固化
循環(huán)中被部分固化，所述最高溫度Tl在樹脂凝膠化溫度GT和樹脂固化 溫度CT之間，所述固化循環(huán)被施加預定的時間PT1，使得第一子元件的放熱量(exothermal component)以超過50%的程度被釋放。 -提供第二子元件。
-將兩個子元件組裝，然后在最高溫度T2的高壓釜中的固化循環(huán)中將 它們結合在一起，所述最高溫度T2在樹脂固化溫度CT的90%至100%之 間，所述固化循環(huán)被施加預定的時間PT2。
本發(fā)明的方法的優(yōu)點在于其減少了第一固化循環(huán)的時間，從而節(jié)省制 造成本。
本發(fā)明的方法的另一個優(yōu)點在于樹脂的部分放熱性在第一固化循環(huán) 中被釋放，剩余的較少的放熱量可以在第二固化循環(huán)中被釋放，從而在加 工過程中不會過多地升高溫度。
從以下參照附圖對本發(fā)明的說明性實施方案進行的詳細描述中，將理 解本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點。


圖1顯示根據(jù)本發(fā)明的方法制造的工件的兩個子元件。
圖2示意性地顯示為施加第二固化循環(huán)所組裝并制備的工件的子元件。
圖3顯示常規(guī)固化循環(huán)的圖。 圖4顯示依照本發(fā)明的方法的第一固化循環(huán)的圖。 圖5顯示依照本發(fā)明的方法的第二固化循環(huán)的圖。 圖6顯示參照本發(fā)明的實施方案，依照本發(fā)明的方法和常規(guī)方法的第 一固化循環(huán)的圖。
圖7顯示第一固化循環(huán)之后的總焓和剩余焓。 圖8顯示第一固化循環(huán)中的樹脂凝膠化。
具體實施例方式
用于制造復合材料的工件，如由T型縱梁(stringer) 13加強的外殼(skin) 11所形成的空中客車380的水平尾翼(HTP)外殼面板的常規(guī)方法包括以下
步驟
x)提供處于固化狀態(tài)的外殼ll。
5y)提供未固化的縱梁13。 z)將外殼+縱梁組件結合在一起。
步驟X)進而包括以下基本步驟
-在具有外殼11的形狀的工具上對預浸料坯形式的復合材料進行層壓。
-在層壓體上放置真空袋。
-在壓力135 psi和溫度185°C的高壓釜中，對組件施加2小時的固化循環(huán)。
步驟y)進而包括以下基本步驟
-在適當?shù)墓ぞ呱蠈︻A浸料坯形式的復合材料進行層壓。
-在適當?shù)墓ぞ咧?，在熱成型循環(huán)中形成T型縱梁13。
步驟Z)進而包括以下基本步驟
-將縱梁13與外殼11組裝。此步驟可以以不同的方式并且使用不同類
型的工具進行。例如，這樣做的一種方式包括首先在固化工具中將縱梁
13頭部向上地放置，其次將外殼11放置在縱梁13上，然后將工具翻轉，
從而將包括外殼11的組件放置在下部位置。組裝可以包括在元件之間使
用粘合劑15。
-在組件上放置真空袋。
-在壓力135 psi和溫度185°C的高壓釜中，對組件施加2小時的固化 循環(huán)。
在常規(guī)方法中，在步驟x)和步驟z)的2小時固化循環(huán)中，達到的溫度 是185。C，高壓釜的壓力是135psi。從而對外殼進行了兩次固化循環(huán)。
所有熱定型樹脂體系在其聚合過程中發(fā)生伴隨著溫度升高的放熱反 應。被加熱的樹脂的每表面單位的質(zhì)量越大，并且因而材料的厚度越大， 則此放熱反應就越強烈。在一定厚度(對每種類型的樹脂有所不同)之后， 樹脂的放熱反應開始對樹脂固化循環(huán)產(chǎn)生明顯的影響。當達到穩(wěn)定化溫度 并且切斷向高壓釜的供熱時，放熱反應導致溫度增加A，因此樹脂繼續(xù)變 熱(參見圖3)。如果在一定值之后，溫度升高導致材料的脆性增加，則此 過熱對于所制造的材料是有害的。此過熱可能進一步導致著火或不可控的 反應。控制放熱性的此效應的一種可能的方式是降低加熱速率。然而，降低 加熱速率導致非常長并且因而昂貴的制造工藝。
根據(jù)本發(fā)明，用于制造與前述相同的工件，即由T型縱梁13加強的 外殼11所形成的空中客車380的水平尾翼(HTP)外殼面板的方法包括以下 步驟 —
a) 提供處于部分固化狀態(tài)的外殼11。
b) 提供縱梁13。
c) 將外殼+縱梁組件結合在一起。
如本領域技術人員應當理解的，出于簡潔目的，在這些步驟中使用的 與常規(guī)方法的那些類似的步驟被省略。根據(jù)本發(fā)明的方法與傳統(tǒng)方法的根
本區(qū)別是以下這些
在步驟a)中，對外殼11的固化循環(huán)在至多特定溫度T1進行，從而在 正常加熱速率下， 一方面，達到這樣的部分固化程度，即使得外殼11足 夠硬，從而當將縱梁13組裝到其上時，其幾何形狀不會變化，而另一方 面，在不達到樹脂固化溫度CT的情況下，使樹脂的部分放熱量釋放，使 得在步驟c)的固化循環(huán)的過程中，外殼11的放熱量低至不會出現(xiàn)明顯的 外殼的過熱。
因此，在第一固化循環(huán)的過程中，工件的溫度必須一方面大于樹脂凝 膠化溫度GT，另一方面小于樹脂固化溫度CT，使得在正常加熱速率，例 如0.8。C/min下，足夠部分的放熱量被釋放，使得在步驟c)的固化循環(huán)的 過程中，外殼11的放熱量低至不會出現(xiàn)明顯的工件的過熱。圖4中顯示 了此步驟，可以看到在最高溫度140。C下進行固化循環(huán)，其中工件達到最 高溫度T1 = 140°C + Al, —方面，該溫度沒有達到所用樹脂的固化溫度 180 。C，而另一方面該溫度足夠使樹脂凝膠化。
據(jù)認為，應當以超過50%，優(yōu)選超過65%的程度在第一循環(huán)中從外殼 11釋放放熱量。
在步驟c)中，將可以處于未加工或預固化狀態(tài)下的縱梁13組裝在外 殼11中。如果它們是未加工的，將由金屬角鐵25和板27組成的工具用 于該目的。如前所述，外殼ll必須足夠硬，從而使所述金屬角鐵25和板 27不會在其上留下印跡。放置真空袋29，并隨后進行固化循環(huán)，直至外殼11和縱梁13的固化度超過90%。
如圖5中所示，如在固化循環(huán)的31段中所表現(xiàn)出的，因為外殼ll的
樹脂的放熱量如此小，以致由于放熱作用導致的工件的過熱是微小的，所
以可以在接近所使用的樹脂的固化溫度，即180 。C的最高溫度下進行固化 循環(huán)。
實施例
下面描述在本發(fā)明的具體實施方案和依照常規(guī)方法使用相同的子元 件的平行實施例中所得到的結果，在該具體實施方案中，使用作為第一子 元件的表面積為300 x 300 mm且厚度為50 mm的稱作Tomy 3911-T800的 環(huán)氧樹脂浸漬碳纖維材料的面板，和作為第二子元件的表面積為50 x 50 mm且厚度為3 mm的面板。
應當理解，這些子元件令人滿意地模擬飛機的尾翼或機翼的包覆層的 外殼和縱梁。
在本方法的第一步中，依照圖6的下部所示出的固化循環(huán)，對第一子 元件進行部分固化，其中可以看到溫度以0.8°C/min的速率上升，直至達 到140 。C，將此溫度保持3小時。
根據(jù)通過位于面板的中心和端部的熱電偶所獲得的測量值，放熱反應 導致溫度升高A2至164 。C，此溫度小于材料的固化溫度180 。C。還分析 了第一子元件的固化度，得到了75%的值。
施加在圖6的上部示出的，根據(jù)常規(guī)方法在180 。C的最高溫度下的固 化循環(huán)，放熱反應導致溫度升高A3至210。C，并且所得固化度為96%。
在第三步中，在兩種情況下均常規(guī)地進行固化循環(huán)以0.8。C/min的 速率使溫度上升，直至達到180。C，將此溫度保持2小時。
在它們的任何一個中均沒出現(xiàn)由于放熱性所導致的過熱。
使用常規(guī)方法和根據(jù)本發(fā)明的方法，最終工件的固化度均為約95%。
第一固化循環(huán)的溫度、時間和加熱速率參數(shù)的選擇基于在預浸漬材料 上進行的差示掃描量熱法(DSC)和流變測定法。圖7顯示預浸漬材料樣品 的剩余焓35與總基準焓37的對比，顯示出樹脂的剩余焓的明顯減小(并且 從而防止放熱性的潛在問題)，并且圖8顯示經(jīng)過在0.8°C/min的加熱速率
8下，140T/3小時的循環(huán)41的樹脂的凝膠化過程39，其中可以看到樹脂凝 膠化43在140 。C開始的等溫步40分鐘后發(fā)生。
本發(fā)明的方法不僅可用于從預固化外殼和處于未加工狀態(tài)下的多個 縱梁制造飛機的HTP外殼面板，還可以用于任何從兩個子元件制造復合 材料工件的加工，其中在第一步中進行子元件中的一個的部分固化?？梢?以未加工或預固化的狀態(tài)提供第二子元件，這樣如果以未加工的狀態(tài)提供 第二子元件則在第二步中進行結合，或如果以預固化的狀態(tài)提供第二子元 件則進行二次粘合。
本發(fā)明的方法的應用是特別為制造包括以下子元件的工件考慮的
-預固化外殼和未加工縱梁。
-預固化外殼和預固化縱梁。
-未加工外殼和預固化縱梁。
縱梁可以具有T， Q或U外型，或任何其它合適的外型。
據(jù)認為，所提出的對于放熱性問題的解決方法在其中第一子元件具有
厚度超過25 mm的區(qū)域的工件的制造中顯得特別有利。
在上述優(yōu)選實施方案中，可以引入包括在受后附權利要求所限的范圍
內(nèi)的任何改變。
權利要求
1. 一種由至少兩個子元件制造復合材料的工件的方法，所述復合材料是由聚合物樹脂和纖維增強材料制成的，其特征在于所述方法包括以下步驟a)提供第一子元件，所述第一子元件在最高溫度T1的高壓釜中的固化循環(huán)中被部分固化，所述最高溫度T1在所述樹脂凝膠化溫度GT和所述樹脂固化溫度CT之間，所述固化循環(huán)被施加預定的時間PT1，使得放熱量以超過50％的程度從所述第一子元件被釋放；b)提供第二子元件；c)將所述兩個子元件組裝，然后在最高溫度T2的高壓釜中的固化循環(huán)中將它們相互結合，所述最高溫度T2在所述樹脂固化溫度CT的90％至100％之間，所述固化循環(huán)被施加預定的時間PT2。
2. 根據(jù)權利要求1所述的制造復合材料的工件的方法，其特征在于 在所述第一步中，使所述放熱量以超過65%的程度從所述第一子元件被釋 放。
3. 根據(jù)權利要求1-2中任一項所述的制造復合材料的工件的方法，其 特征在于所述第一子元件具有至少一個厚度超過25 mm的區(qū)域。
4. 根據(jù)權利要求1-3中任一項所述的制造復合材料的工件的方法，其 特征在于使所述第一子元件在步驟a)中以在50%和90%之間的程度被固 化。
5. 根據(jù)權利要求1-4中任一項所述的制造復合材料的工件的方法，其 特征在于使所述第一子元件和所述第二子元件在步驟c)中以超過90%的 程度被固化。
6. 根據(jù)權利要求1-5中任一項所述的制造復合材料的工件的方法，其 特征在于所述被制造的工件是飛機的水平尾翼的包覆層，所述第一子元件 是外殼，并且所述第二子元件是以未加工狀態(tài)提供的多個縱梁。
7. 根據(jù)權利要求1-5中任一項所述的制造復合材料的工件的方法，其 特征在于所述被制造的工件是飛機的水平尾翼的包覆層，所述第一子元件 是外殼，并且所述第二子元件是以預固化狀態(tài)提供的多個縱梁。
8.根據(jù)權利要求1-5中任一項所述的制造復合材料的工件的方法，其 特征在于所述被制造的工件是飛機的水平尾翼的包覆層，所述第一子元件 是多個縱梁，并且所述第二子元件是以未加工狀態(tài)提供的外殼。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種由至少兩個子元件制造復合材料的工件的方法，所述復合材料是由聚合物樹脂和纖維增強材料制成的，所述方法包括以下步驟a)提供第一子元件，所述第一子元件在最高溫度T1的高壓釜中的固化循環(huán)中被部分固化，T1在所述樹脂凝膠化溫度GT和所述樹脂固化溫度CT之間，所述固化循環(huán)被施加預定的時間PT1，使得放熱量以超過50％的程度從所述第一子元件被釋放；b)提供處于未加工或固化狀態(tài)的第二子元件；c)將所述兩個子元件組裝，然后在最高溫度T2的高壓釜中的固化循環(huán)中將所述兩個子元件結合在一起，所述最高溫度T2在所述樹脂固化溫度CT的90％和100％之間，所述固化循環(huán)被施加預定的時間PT2。
文檔編號B29C70/44GK101511567SQ200680055863
公開日2009年8月19日 申請日期2006年7月28日 優(yōu)先權日2006年7月28日
發(fā)明者何塞·昆卡·林孔, 何塞·桑切斯·戈麥斯, 貝高樂·桑多拉·阿爾瓦茲 申請人:空客西班牙公司