壓印圖案到復(fù)合材料層壓件上的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開(kāi)大體涉及復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，并且更具體地，涉及將改性材料壓印到復(fù)合材料層壓件上。
【背景技術(shù)】
[0002]復(fù)合材料結(jié)構(gòu)通常包括嵌入樹(shù)脂基體的連續(xù)增強(qiáng)纖維。復(fù)合材料層壓件是一種包含布置成堆疊的復(fù)合材料層片的鋪層的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)類型。復(fù)合材料鋪層中的單個(gè)復(fù)合材料層片可以在堆疊之前被樹(shù)脂預(yù)浸漬(例如，預(yù)浸層片)。預(yù)浸層片的堆疊可以被布置成使得每個(gè)層片中的連續(xù)增強(qiáng)纖維沿特定方向取向。熱可以被施加到堆疊以減小每個(gè)層片中的樹(shù)脂的粘性，從而允許樹(shù)脂與相鄰層片的樹(shù)脂混合，同時(shí)堆疊在壓力下被固結(jié)以去除復(fù)合材料鋪層內(nèi)的空隙以及來(lái)自復(fù)合材料鋪層的揮發(fā)物。樹(shù)脂可以被固化或固結(jié)成堅(jiān)硬狀態(tài)并且被動(dòng)地或主動(dòng)地被冷卻，從而形成復(fù)合材料結(jié)構(gòu)?？商娲?，代替使用預(yù)浸層片，復(fù)合材料層片可以被提供為布置成堆疊的干纖維預(yù)制件。液態(tài)樹(shù)脂可以被注入堆疊中同時(shí)熱和/或壓力可以被施加以固結(jié)和固化樹(shù)脂，在固結(jié)和固化樹(shù)脂之后，鋪層可以被動(dòng)地或主動(dòng)地被冷卻以形成復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。
[0003]能夠調(diào)整復(fù)合材料鋪層中的每個(gè)層片內(nèi)的增強(qiáng)纖維的方向的能力導(dǎo)致形成具有顯著性能優(yōu)勢(shì)的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。這樣的性能優(yōu)勢(shì)包括相對(duì)于金屬結(jié)構(gòu)的比強(qiáng)度和模量更高的比強(qiáng)度和更高的比彈性模量。不過(guò)遺憾的是，傳統(tǒng)復(fù)合材料層壓件具有若干會(huì)有損于它們的性能優(yōu)勢(shì)的特性。例如，由于復(fù)合材料層壓件內(nèi)不存在止裂特征，所以傳統(tǒng)復(fù)合材料層壓件會(huì)易于在樹(shù)脂-纖維界面處分離。此外，傳統(tǒng)復(fù)合材料組合件在構(gòu)成復(fù)合材料組合件的共粘合或共固化的復(fù)合材料層壓件之間的界面處會(huì)具有相對(duì)低的模式II層間剪切強(qiáng)度或剝離強(qiáng)度。
[0004]傳統(tǒng)復(fù)合材料層壓件也可以具有相對(duì)低的導(dǎo)電性，這對(duì)例如在雷擊的情況下傳輸與分配電流通過(guò)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)會(huì)存在挑戰(zhàn)。此外，與金屬部件交接的復(fù)合材料層壓件會(huì)易于腐蝕，這是由于可能發(fā)生在復(fù)合材料層壓件和金屬材料之間的氧化或還原反應(yīng)所導(dǎo)致的。而且，傳統(tǒng)干纖維復(fù)合材料層片可能缺少足夠的粘附性來(lái)確保干纖維層片粘附在一起，從而允許干纖維層片受控地堆疊成預(yù)制件。
[0005]解決在傳統(tǒng)復(fù)合材料層壓件的樹(shù)脂纖維界面處的分離問(wèn)題的嘗試包括將熱塑性材料大批地隨機(jī)分布在整個(gè)復(fù)合材料鋪層中。盡管隨機(jī)分布熱塑性材料可以改善模式II層間強(qiáng)度，但缺少在傳統(tǒng)復(fù)合材料層壓件中的樹(shù)脂-纖維界面處的控制會(huì)導(dǎo)致低的模式I層間強(qiáng)度，這會(huì)對(duì)防止纖維束內(nèi)的裂紋擴(kuò)展提出挑戰(zhàn)。解決在傳統(tǒng)復(fù)合材料組合件的復(fù)合材料層壓件之間的界面處的低模式II層間剪切強(qiáng)度的嘗試包括將增韌劑添加到樹(shù)脂中。遺憾的是，樹(shù)脂增韌劑會(huì)具有相對(duì)高的分子量，這會(huì)不良地增加樹(shù)脂的粘性，而粘性增加會(huì)在纖維預(yù)制件的灌注期間抑制樹(shù)脂流動(dòng)。解決傳統(tǒng)復(fù)合材料層壓件中的低導(dǎo)電性問(wèn)題的嘗試包括將金屬網(wǎng)或者箔片添加到復(fù)合材料層片的表面上。遺憾的是，添加單獨(dú)的金屬網(wǎng)或者箔片會(huì)增加復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的成本、復(fù)雜性以及生產(chǎn)時(shí)間。
[0006]防止在復(fù)合材料層壓件和金屬零件之間的界面處的腐蝕的嘗試包括在界面處添加單獨(dú)的玻璃纖維層以充當(dāng)?shù)挚垢g的屏蔽層片。遺憾的是，添加玻璃纖維會(huì)增加制造復(fù)合材料層壓件的成本和復(fù)雜性。傳統(tǒng)干纖維復(fù)合材料層片的低粘附性問(wèn)題已經(jīng)通過(guò)在樹(shù)脂中添加環(huán)氧樹(shù)脂膠結(jié)料或尼龍來(lái)解決，或者通過(guò)使用烙鐵局部加熱并將復(fù)合材料層片粘附在一起來(lái)解決。遺憾的是，環(huán)氧樹(shù)脂膠結(jié)料或尼龍具有有限的特性，這限制形成干纖維預(yù)制件的層片堆疊所需的溫度和壓力的范圍。使用烙鐵將復(fù)合材料層片局部粘附在一起是一個(gè)耗時(shí)的過(guò)程，且該過(guò)程增加了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)時(shí)間。
[0007]如能夠所見(jiàn)，本領(lǐng)域需要一種復(fù)合材料層壓件及制造方法，其提供性能改善(諸如，改善的抗裂性、改善的層間剪切強(qiáng)度、增強(qiáng)的導(dǎo)電性和抗腐蝕性以及改善的在廣泛溫度下的粘附性)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]上述與復(fù)合材料層壓件相關(guān)的需求具體通過(guò)本公開(kāi)來(lái)解決，本公開(kāi)提供一種復(fù)合材料纖維，該復(fù)合材料纖維可以包括由第一材料形成的至少一個(gè)增強(qiáng)纖維絲。第二材料可以以壓印圖案被有序地沉積到增強(qiáng)纖維絲上，使得第二材料的長(zhǎng)度、寬度和/或厚度在增強(qiáng)纖維絲的表面上變化。壓印圖案可以具有改變包含復(fù)合材料纖維的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的一種或更多種特性的效果。
[0009]在進(jìn)一步的實(shí)施例中，公開(kāi)了一種復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，該復(fù)合材料結(jié)構(gòu)可以包括樹(shù)脂和嵌入樹(shù)脂內(nèi)的多個(gè)增強(qiáng)纖維絲。增強(qiáng)纖維絲可以由第一材料形成。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)可以包括第二材料，該第二材料可以被有序地沉積在增強(qiáng)纖維絲上，使得第二材料的長(zhǎng)度、寬度和/或厚度在增強(qiáng)纖維絲的表面上變化。
[0010]同樣公開(kāi)了一種生產(chǎn)復(fù)合材料纖維的方法。該方法可以包括提供由第一材料形成的多個(gè)增強(qiáng)纖維絲。該方法可以附加地包括使用壓印機(jī)或壓印設(shè)備的沉積頭將第二材料壓印到多個(gè)增強(qiáng)纖維絲上。
[0011]已經(jīng)討論的特征、功能和優(yōu)勢(shì)在本公開(kāi)的各種實(shí)施例中能夠獨(dú)立地實(shí)現(xiàn)或者其可以在另一些實(shí)施例中組合在一起，其中參考下列說(shuō)明和附圖能夠明白進(jìn)一步的細(xì)節(jié)。
【附圖說(shuō)明】
[0012]通過(guò)參考附圖，本公開(kāi)的這些特征或者其他特征將變的更明顯，其中在整個(gè)說(shuō)明書(shū)中相同附圖標(biāo)記指的是相同的零件，并且其中:
[0013]圖1是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的方框圖，該復(fù)合材料結(jié)構(gòu)包含壓印在由第一材料形成的增強(qiáng)纖維上的一種或更多種材料并且該增強(qiáng)纖維可以被配置為纖維束、單向帶和/或紡織織物；
[0014]圖2是包括單向?qū)悠询B的復(fù)合材料鋪層的透視圖，一種或更多種材料可以被壓印在該堆疊上以改善復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的特性；
[0015]圖3沿圖2的線3截取的單向帶的一部分長(zhǎng)度的俯視圖，并且圖示說(shuō)明第二材料(和/或第三材料、第四材料等)的壓印圖案，該第二材料(和/或第三材料、第四材料等)以點(diǎn)陣列的形式被壓印在單向帶上以改善單向?qū)悠恼掣叫裕?br>[0016]圖4是單向帶的一部分長(zhǎng)度的俯視圖，其示出第二材料的示例，該第二材料以橫于單向帶的縱向方向取向的垂直線的形式被壓印在單向帶上并有利于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中的各項(xiàng)異性傳導(dǎo)和/或有利于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中的裂紋終止；
[0017]圖5是單向帶的一部分長(zhǎng)度的俯視圖，其示出第二材料的示例，該第二材料以交叉影線圖案的形式壓印在單向帶上以有利于阻止復(fù)合材料結(jié)構(gòu)開(kāi)裂；
[0018]圖6是單向帶的一部分長(zhǎng)度的俯視圖，其示出第二材料(和/或第三材料、第四材料等)的示例，該第二材料(和/或第三材料、第四材料等)以曲線組合的形式壓印在單向帶上;
[0019]圖7是纖維束的增強(qiáng)纖維絲的一部分長(zhǎng)度的透視圖，并圖示說(shuō)明增強(qiáng)纖維絲可以可選包括的膠料(sizing)(例如，表面涂層)；
[0020]圖8是沿圖3的線8所截取的單向帶的橫截面視圖，并示出壓印在單向帶的頂表面上的第二材料的分布的示例；
[0021]圖9是單向帶的橫截面視圖，其示出壓印在單向帶的頂表面和底表面上的第二材料的分布的示例；
[0022]圖10是單向帶的橫截面視圖，其示出直接與復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的兩個(gè)相鄰復(fù)合材料層片接觸的具有壓印圖案的第二材料的示例；
[0023]圖11是復(fù)合材料鋪層的橫截面視圖，其圖示說(shuō)明一對(duì)相鄰的具有相同纖維取向的單向帶的復(fù)合材料層片并示出復(fù)合材料層片中的每一個(gè)上的第二材料的壓印圖案之間的接觸的示例；
[0024]圖12是相鄰復(fù)合材料層片的單向帶的橫截面視圖，并示出直接接觸一個(gè)復(fù)合材料層片的并機(jī)械接合相鄰復(fù)合材料層片上的第二材料的壓印圖案的第二材料的壓印圖案；
[0025]圖13是復(fù)合材料鋪層的一部分的橫截面視圖，其圖示說(shuō)明具有不同纖維取向的單向帶的若干相鄰復(fù)合材料層片，并示出直接接觸相鄰復(fù)合材料層片的第二材料，并進(jìn)一步示出被沉積在相鄰單向帶的側(cè)面之間的第二材料；
[0026]圖14是用于將第二材料的壓印圖案壓印在纖維束上的系統(tǒng)的示例的示意性說(shuō)明；
[0027]圖14A是沿圖14的線14A截取的壓印介質(zhì)的示意性說(shuō)明，并示出由微粒構(gòu)成的壓印介質(zhì)；
[0028]圖14B是由纖維絲股線構(gòu)成的壓印介質(zhì)的示意性說(shuō)明；
[0029]圖14C是沿圖14的線14C所截取的沉積頭的尖端的放大視圖，并示出形成于纖維束上的像素(pixel)；
[0030]圖15是用于將第二材料的壓印圖案自動(dòng)壓印在復(fù)合材料鋪層上的機(jī)器人設(shè)備的示例的示意性說(shuō)明；
[0031]圖16是用于將第二材料的壓印圖案壓印在紡織織物或者單向帶上的系統(tǒng)的示例的不意性說(shuō)明；
[0032]圖17是用于將第二材料的壓印圖案自動(dòng)壓印在紡織織物和/或單向帶上的機(jī)器人設(shè)備的示例的示意性說(shuō)明；
[0033]圖18是圖示說(shuō)明一種或更多種操作的流程圖，所述一種或更多種操作可以被包括在一種將第二材料的壓印圖案應(yīng)用到纖維束、紡織織物和/或單向帶上的方法中；
[0034]圖19是圖示說(shuō)明一種或更多種操作的流程圖，所述一種或更多種操作可以被包括在一種使用圖14-17所示的系統(tǒng)壓印壓印圖案的方法中；
[0035]圖20是圖示說(shuō)明一種或更多種操作的流程圖，所述一種或更多種操作可以被包括在一種在預(yù)制工具上鋪放期間將壓印圖案壓印到一個(gè)或更多個(gè)復(fù)合材料層片上的方法中。
[0036]元素列表:
[0037]100復(fù)合材料結(jié)構(gòu)
[0038]102復(fù)合材料鋪層
[0039]104復(fù)合材料層壓件
[0040]106復(fù)合材料層片
[0041]108層片之間的層間區(qū)域
[0042]110單向?qū)悠?br>[0043]112樹(shù)脂
[0044]114纖維束(復(fù)合材料纖維)
[0045]116增強(qiáng)纖維絲
[0046]118纖維絲表面
[0047]120第一材料
[0048]122一捆增強(qiáng)纖維絲
[0049]124捆的平面
[0050]126纖維捆的外部
[0051]128頂表面
[0052]130底表面
[0053]131側(cè)表面
[0054]132單向帶
[0055]134紡織織物
[0056]136纖維預(yù)制件
[0057]138膠料
[0058]140膠料厚度
[0059]200壓印圖案
[0060]202第二材料
[0061]204長(zhǎng)度
[0062]206寬度
[0063]208厚度
[0064]210像素
[0065]212第三材料
[0066]214點(diǎn)
[0067]216線
[0068]218交叉影線圖案
[0069]220曲線
[0070]222機(jī)械互鎖特征
[0071]224齒
[0072]250計(jì)算機(jī)
[0073]252數(shù)字模型一 CAD模型
[0074]254壓印程序一代碼
[0075]256壓印機(jī)床
[0076]258導(dǎo)軌
[0077]260壓印機(jī)
[0078]262沉積頭
[0079]264壓印介質(zhì)
[0080]266顆粒
[0081]268纖維絲股線
[0082]270饋送輥
[0083]272機(jī)器人設(shè)備
[0084]274壓印圖案的顯示
[0085]276壓印的纖維束
[0086]278壓印的織物或帶
[0087]280纖維束的線軸
[0088]282壓印的纖維束的線軸
[0089]284織物/帶的卷軸