復合材料結構的制作方法

專利名稱：復合材料結構的制作方法
技術領域：
本發明涉及包括復合結構的部件的新型內部結構。更具體地說，本發明涉及部件內部結構。該結構一方面按照負載的空間分布對部件的材料3D強度進行了調整(adoption)，另一方面通過盡可能的降低粘結材料的含量，和提高部件的慣性動量但不引起結構彎折破損(buckling damage)，并降低密度，來提高比強度或剛性。結果，本發明所提出的結構能夠改進強度-重量或在各方向上的剛性-重量比、強度，尤其是剛性(包括彎折)參數。
本發明進一步提供了所提出的部件結構的生產方法，能夠使產品具有3維取向強度，從而可按照各種目的對產品進行調整。該部件結構能夠被制成各種形狀，與夾層結構設計相比有更高生產效率。本發明產品中的某些類型是非常容易再循環利用的，尤其在大型產品-象車身及其元件。而且本發明的生產過程是簡單的和安全的。
背景技術：
目前具有金屬或塑料皮層殼型的設計的總體情況是80-95％的大而薄的殼體(機身)缺少剛性和耐彎折性，即該材料大部分沒有得到有效利用，其強度參數不能被使用。這涉及的不僅是飛機或汽車等中的相對簡單的機身。這里的復雜程度決定于外殼的單位面積內的支撐體的數目。
這決定了通過增大“雙外殼(twin skins)”的厚度和提供蜂窩夾層結構來開發具有高慣性動量的外殼的必要性。復合玻璃纖維產品不能顯著改變這一情形，因為，一方面，玻璃纖維包括以極低強度為特征的樹脂的重要組分(40-70％)，和，另一方面，它非常難以實現增強線材(strengthening threads)在空間和方向上的最優分布，尤其對于局部和總的彎折。
通過夾層結構蜂窩設計實現了重要的改進。這一類型的設計首先被用于航空工業中，由于對機加工的要求，其中牽涉到極高的生產成本。一般說來，該夾層結構設計產品是不可回收利用的，并且它們需要一個復雜的生產過程。選擇使用泡沫材料如corn，并采用蜂窩設計，并沒有帶來什么改進。
DU PONT DE NEMOURS AND CO的以色列專利#75426和FOSTER GRANT CO INC的#36522提出了顯著的改進方案，但是這些設計受限于特定形式的單元(cells)或輪廓(profiles)，以及按照它們的基材對材料對(pairs)的選擇的限制，而且更重要的是，它們的3D-體積取向強度不能被預先確定。
發明概述本發明涉及部件的新型內部結構。更具體地說，本發明涉及一種結構，該結構一方面按照負載的空間分布對部件的材料3D強度進行了調整(adoption)，另一方面通過盡可能的降低粘結材料的含量，和提高部件的慣性動量但不引起結構彎折破損(buckling damage)，并降低密度，來提高比強度或剛性。本發明所提出的結構能夠改進強度-重量、各3D取向方向上的剛性-重量比、強度，尤其是剛性(包括彎折)。
本發明還提供了生產具有所述結構的部件的方法原理，能夠使部件具有3維取向強度，從而可以按照各種目的對產品進行改造。該部件的所述結構能夠被制成各種形狀，與夾層結構設計相比有更高生產效率。而且，所述產品也可以非常容易地再循環利用。并且生產過程簡單又安全。
部件的新型結構包括特殊類型的粘結材料分布，其中包括泡沫形式。該部件的增強材料可以是聚合物線，有機和非有機細絲，無紡纖維和機織纖維等。這些增強類型的材料在一個部件中的聯合使用是可能的。部件的基體材料與增強材料可以由相同的原材料組成，其中包括如上材料的混合物。該非固體(包括泡沫體)基材是以預定距離設置在線段支持體之間(對于泡沫體泡的情況-泡壁和增強線交點是線支撐點)。線直徑滿足某些長度-直徑比率的要求，具有所需的泡壁(cellwall)剛性，它已給定了預定的空間取向，和它還滿足了與對于3維強度參數分布的實現而言必不可少的參數有關的要求。所述的部件內部結構使得粘結材料減少至5-10％(普通的復合材料中的粘結材料含量為50-60％)，從而導致重量、原料成本的同時減少，和生產工藝的簡化。
另一方面，為了實現所述部件結構材料的構建(architecture)設計了如下3個主要的實施方案1.粘結和增強材料的低密度粘結材料的密度可以降低至30-60kg/m3。塑料增強材料的密度會降低至1000kg/m3。
2.部件的增強材料的最優分布(在空間設置和取向上)。這一類型的分布的簡單例子為增強材料周邊設置的形式，和粘結材料-內部。
3.部件的功能-強度和它的絕熱和隔音作用的結合。在這種意義上，上述參數滿足了相應部件和組件的抗彎強度和剛性的要求。
該新型部件結構在同一生產過程中提供了內部材料結構和外部裝飾外殼(skin)。
所述粘結材料能夠從不同的聚合物制得，其中包括強度組件材料。
孔(泡)尺寸的范圍應該是0.2mm-5mm，具有20kg/m3-150kg/m3的足夠的平均材料密度(對聚合物型而言)。
本發明的一個目標是實現空間上的最佳定量分布和最佳線取向。產品的控制可以一方面利用確定增強元件的形式的定量方法和另一方面利用泡沫體基質狀態(包括泡沫體泡分布)來實現。理想的泡分布方式是基于“Euler critical length of bar”。線-粘結對的一些可能情況是如下1.低壓聚乙烯的粘結材料和高強度(分子取向)聚乙烯的線；2.低壓聚乙烯的粘結材料和從同一材料形成的線。
在以上情況1中，楊氏模量達到1,194,000kg/cm2，當泡(bulb)厚度為泡直徑的1％時，泡-線直徑比率在10到50之間。
在以上情況2中，楊氏模量是30,000kg/cm2，該泡-線直徑比率僅為5-10。
理想的參數是如下泡壁的厚度-10mk，細絲/基質材料重量比是30∶1；總密度340kg/cm3或更低。容許應力(到彈性極限)是300kg/cm2-3D壓縮。對于這中結構的耐彎折性(包括總共一個)是僅僅由泡沫體形成的結構的耐彎折性的80倍。這一關系對于上述3D壓縮是最佳的。對于其它情況，能夠使用增大的泡尺寸，而這會導致材料密度的下降。
泡尺寸分布控制可通過該生產過程的基質加熱和冷卻匹配拓撲學分析(topology)的狀態(regime)的控制來實現。
在本發明中建議的方法可用于整個產品的多個部件的加固，如下1.各種形式的ST.M.和/或各種形式的配料復合。
2.在粘結材料產生(包括發泡)之前ST.M.組件(Set)的預先插入。
3.ST.M.的同時注入和粘結的形成。
5.ST.M.同時放置于模具中和粘結的形成。
6.強度增強材料可以以短的細絲形式作為產品的一部分被插入。這些細絲的長度可以是泡直徑的3-10倍。
7.強度增強材料也能夠以無規取向的非常長(相當于泡直徑的100-10,000倍)的細絲形式被插入。
8.強度增強材料能夠以各種纖維材料的形式被插入。這對于殼(它承受內壓力)和板(它承受各種形式的負荷)是有效的。
9.強度增強材料可以利用在對應方向具有所需抗壓縮強度的垂直編織線以互聯層的形式形成。發泡的囊的直徑分布可以對應于線的直徑分布、與外層的距離和連結線的頻率。
10.強度增強材料可以部件的骨架組件形式形成，并在發泡之前插入模具中。基質材料可以通過增強材料和流過模具內腔的氣體之間的反應而產生。這一工藝可以實現，同時產生了氣輪機的部件，其中包括定子和渦輪葉片。
附圖簡介

圖1是部件片段剖視圖，顯示了具有單一取向的增強線的結構，經過它們(線)之間的連接而得到支持。
圖2說明了從填充在模具中的致密單向性硼線產生的定子或渦輪機葉片結構視圖。這些線用氨流動氣體(ammonium flow gas)在高于800℃的溫度下粘結。結果，在線上產生了氮化硼的保護(和連接)層。
圖3是顯示了部件的結構剖視圖，該部件具有單一取向的增強線，其由泡沫結構的粘結材料所支持。
圖4是具有3D正交取向擴張線的部件結構的透視圖，由它們(線)之間的連接所支持。
圖5是具有3D正交取向擴張線的部件片段結構的透視圖，其由泡沫粘結結構所支持。
圖6是具有被泡沫結構泡所支持的3D無序擴張線的部件片段內部結構剖視圖。
圖7是具有預定的泡空間分布的泡沫材料的部件結構，沒有插入單獨的增強元件。
圖8是具有預定的泡空間分布的泡沫材料的部件結構，無單獨元件的插入，由小泡形成的假-固體滲透性或密封性和(或)裝飾性外層。
圖9顯示了纖維層所形成的平面，接近外表面放置。
圖10顯示了接近厚板外表面放置的由纖維層形成的泡的片段，具有單獨細絲空間分布。該樹脂組分是具有空間-泡尺寸分布的特殊微型布置的泡沫。
圖11展示了一部件片段，它包括纖維狀的增強材料，垂直纖維狀材料設置的附加增強線和具有泡沫特殊分布的泡沫體粘結材料。
優選實施方案下面將參考附圖來詳細描述本發明的優選實施方案。
實施方案1如圖1中所示，該實施方案由具有單向性取向的增強材料線1的部件片段組成，由線之間的連接2所支持。確定的連接點之間的距離A等于(或小于)Euler臨界長度。該材料的這一構造可耐受施加于線1上的壓縮力，并防止在X軸的方向上的彎折。即，在耐受Z方向上的壓縮力時，與同等耐彎折性能的固體壁構造相比，所需的線橫截面(及相應的重量)會急劇地下降(多達5-100倍)。即，對Z方向上的壓縮力的耐受獲得了適用線材壓縮的強度。在這種情況下，在連接點2處的附加重量可以比成比例連接到臨界長度的線上的固體粘結材料的重量小5-20倍，并意味著預定附加重量減少。
實施方案2。
圖2代表了由致密的單向性模具-填充的硼線21形成的部件片段結構。與連接點22連接的線21是通過在超過800℃的溫度下使用銨(ammonium supply)所產生的。隨后，在它們之間和在外表面23上連接的線產生了氮化硼的保護層。該構造必須耐受Z方向上的張力(離心力)，在X & Y方向上的彎曲(氣體壓力)，和因為氣體力的影響，耐受在與氣體壓力方向相反的一側上單獨的外部線的可能的彎折。這一應用(渦輪葉片)的此類部件結構的優選形式可如下構造1.單向性硼能夠在1150℃的高溫下，即提高了250-300℃，耐受更高的力(對于被氮化硼保護的硼)。渦輪葉片溫度的提高會導致渦輪機效率多達20％的提高，與噴氣發動機的現時值相比。
2.通過對渦輪葉片外表面進行硬化保護能夠改進渦輪葉片的耐磨性。
3.渦輪葉片4重量減少多達4倍(與鎳和鈷合金相比)，并且Z軸方向上負荷的同時減少會導致渦輪葉片的應力下降，尤其在它與圓盤的連接處。
4.離心力的減少引起渦輪盤重量的降低。
5.所述技術能夠用于制造渦輪(葉片)，直接從所述形成方法制成而無需機加工。
6.汽輪機(或定子)葉片的這一構造必須防止材料的脆性，后者是陶瓷葉片的特性。理由是強金屬硼影響材料的彈性。另一方面，金屬硼和氮化硼具有相同的熱膨脹系數。
將這一技術用于噴嘴定子和壓縮器葉片和定子的制造中，可以獲得相同的結果。對于壓縮器葉片和定子，該氮化硼涂層也可由碳化硼代替使用。
實施方案3圖3是部件片段剖視圖，顯示了具有泡沫結構的粘結材料所支持的單根取向增強線的結構。如圖3中所示，本實施方案由連接點32所支持的單向性增強材料線31和在線之間填充了氣體的外殼壁34組成。在確定的連接點之間的距離A等于(或低于)這一類型的材料的臨界(Euler)長度-楊氏模量和線直徑D。這一構造可耐受施加于線31上的壓縮力，并防止在X軸和Y軸的方向上的彎折。即，在耐受Z方向上的壓縮力時，與同等耐彎折性能的固體壁構造相比，所需的線橫截面(以及相應的重量)，會急劇地下降(多達5-100倍)。即，對Z方向上的壓縮力的耐受可具備線材的抗壓強度。在這種情況下，連接點32處的附加重量可以比成比例連接到臨界長度的線上的固體粘結材料的重量小5-20倍，意味著預定附加重量減少。
當機械強度必須與噪音和(或)熱的隔絕、能量吸收的空間(安全元件)結合起來考慮時，這種材料構造是非常適用的。
實施方案4圖4是具有3D正交取向擴張線的部件片段透視圖結構，這些線由它們(線)之間的連接所支持。如圖4中所示，本實施方案由具有空間取向的增強材料線41的部件片段組成，由線之間的連接42所支持。在確定的連接點之間的距離A等于(或低于)臨界(Euler)長度。這一材料構造可耐受施加于線41上的壓縮力，并防止在正交方向上的彎折。即，在耐受施加于任何線軸上的壓縮力時，與同等耐彎折性能的固體壁布置相比，所需的線橫截面(以及相應的重量)會急劇地下降(多達5-100倍)。即，對任何方向上的壓縮力的耐受可具有線材的抗壓強度。在這種情況下，連接點42處的附加重量可以比成比例連接到臨界長度的線上的固體粘結材料的重量小5-20倍，意味著預定附加重量減少。
實施方案5圖5是具有3D正交取向擴張線的透視圖結構，所述擴張線由泡沫粘結結構支持。如圖51中所示，本實施方案由連接點52所支持的包括正交取向增強材料線51的空間和在線之間填充了氣體的外殼壁54組成。在確定的連接點之間的距離A等于(或低于)這一類型的材料的臨界(Euler)長度-楊氏模量和線直徑D。這一材料構造可耐受施加于線51上的壓縮力，并防止在正交方向上的彎折。即，與同等耐彎折性能的固體壁布置相比，耐受外加力方向上的壓縮力所需的線橫截面(以及相應的重量)會急劇地下降(多達5-100倍)。即，對外加力方向上的壓縮力的耐受可具有線材的抗壓強度。在這種情況下，連接點52處的附加重量可以比成比例連接到臨界長度的線上的固體粘結材料的重量小5-20倍，意味著預定附加重量減少。
當機械強度必須與噪音和(或)熱的隔絕、能量吸收的空間(安全元件)結合起來考慮時，這種材料構造是非常適用的。
實施方案6圖6是具有被泡沫結構泡所支持的無序取向擴張線的部件片段內部3D結構的剖視圖。如圖6中所示，本實施方案是由空間無秩序的置換增強材料線61組成，該增強線由泡沫外殼壁經由線之間的連接點62支持。在確定的連接點之間的距離A等于(或低于)臨界(Euler)長度。這一材料構造可耐受在彎曲力矩下施加于組裝部件的任何側面的壓縮力，并防止力矩表面上的局部彎折。即這樣的構造能夠構建既具有高慣性動量和阻力矩，又具有非常薄的外殼的部件，而且可以防止外殼的局部彎折。即，與同等耐彎折性能的固體壁構造相比，在耐受施加于任何線軸上的壓縮力時，所需的線橫截面(以及相應的重量)，會急劇地下降(多達5-100倍)。即，對任何方向上的彎曲力矩的耐受都具有線材的抗壓強度和抗張強度。在這種情況下，連接點62和泡沫體泡的附加重量可以比成比例連接到臨界長度的線上的固體粘結材料的重量小5-20倍，意味著預定附加重量減少。
原則上，殼部件、大板等的這種結構更類似于普通夾層結構材料。其主要區別如下1.外部固體或假固體單元或板的部件壁的最小厚度不受限制，只要考慮到彎折就行。
2.在外部剛性元件之間的空間可具有控制剛性，包括在圓周方向上增加的剛性-最優分布。
3.在單個生產過程中部件的生產無需進一步機械加工。
4.使用相同原材料生產部件中的增強和粘結材料成為可能，從而使得該產品可以簡單、高效地再循環利用。
實施方案7圖7是有泡的預定空間分布的泡沫材料的部件復合結構，沒有插入單獨的增強元件。圖7指示了部件片段的剖視圖和解釋了所述部件結構的基本結構原理。這種結構設計的主要原理是將粘結和增強元件作為一個組件使用。原則上，這一構造非常相似于動物和人的骨骼構建。
增強元件是任何的泡沫體泡74。在單獨的泡之間的接觸點和劃分是連接點72。這種構造的主要問題是，目前還沒有生產泡沫體泡形式的增強材料的物理-化學參數。任何可用的增強材料都具有線性結構，包括長絲線。作為泡壁，該泡沫材料沒有提供強度，但提高了該部件段的慣性動量。在大多數場合下，泡孔尺寸74顯示最優分布(在圓周表面上泡孔尺寸減少)。這些泡孔可以開孔或閉孔的，可滲透的或透明的。生產時，該泡可以通過在形成過程中對模具壁加熱和冷卻溫度的控制來調控。
實施方案8圖8是具有與實施方案7中所述的類似的預定空間分布的泡沫材料的部件片段結構。這一結構是由其外層泡尺寸所特定的，從類似于動物(或人)骨骼構造的小泡產生假一固體可滲透或密封外層。
實施方案9圖9說明了在包括板的自由表面上經成形纖維層95形成的部件片段，其由設置在外表面上的具有提高強度和剛性的線制得，并提供了高慣性動量，其中它的強度和剛性參數盡可能實現，并最終決定了強度和剛性。該樹脂組分是以在連接點92處連接的泡沫體泡94形式存在，它們在泡沫體粘結生產過程中產生。
最小的抗彎折尺寸A是由泡的尺寸和它們的分布所決定的。同時，強度僅僅取決于外部(纖維)層的厚度和強度。
實施方案10圖10說明了在包括板的自由表面上經由成形纖維層105而形成的部件片段，其由設置在外表面上的具有提高強度和剛性的線或纖維(編織或非編織的)制得，提供了高慣性動量，其中它的強度和剛性參數盡可能實現，并最終決定了強度和剛性。纖維支持部件是在粘結泡沫體生產過程中產生的由連接點102連接的泡沫體泡104。通過間距為A的正交長絲獲得了附加的抗彎折強度。長絲B的長度是由泡的尺寸和它們的分布所決定的。最小的抗彎折尺寸A和B決定了外部纖維層的抗彎性。部件(或它的片段)的強度僅僅由外部(纖維)層的厚度和強度來決定。
實施方案11圖11說明了有空氣動力學箔形式的增強材料的部件結構，它由兩個自由形式的相反形狀(包括板)115組成，經由連結線102來組裝，線間距離為A。支持系統是以具有泡沫體泡的空間分布的泡沫體粘結材料形式制造的。這一分布必須符合下列條件。在外部區域中，相對泡直徑D1必須符合該纖維層線的彎折要求，即它的直徑必須低于線的臨界Eller長度。在內部區域中，該泡直徑必須對應于連結線D2的Eller臨界長度，該線大致與外表面正交。另一方面，這一尺寸必須適應于連結線A2之間的距離。
部件內部結構的使用和實現的實施例實施例1部件應用 -單塊車身(轎車4150mm 2500mm輪距，1350mm軌跡(track)。
荷載情況(包括沖擊)1.扭矩-1000kgm(在輪距2500mm上)2.彎曲-最大力矩1250kgm。
3.X方向壓縮1900kg4.在Y方向上的壓縮1200kg5.+Z方向上的壓縮4000kg6.-Z方向上的壓縮1600kg附加條件 1.非常重要的滲透性和表面質量2.包括噪音和熱隔絕體的部件強度和剛性 1.在外部纖維層上形成造型，通過正交于該層線而連接。
2.纖維-編織X方向(翹曲)4個端頭/厘米，Y方向(緯線)2個端頭/厘米，Z方向(連接線1端頭每10厘米)，3.線粗0.5mm。
4.普通的纖維正方形25m25.纖維的密度-95g/m26.增強材料-分子取向聚乙烯7.增強材料總重量2.33kg8.增強材料抗張強度5Gpa支持體粘結和裝飾層 1.支持體-粘結泡沫材料體積-1.7m32.泡沫材料的密度-40kg/m33.泡沫支持體-粘結材料重量-68kg4.裝飾膜厚度0.2mm5.裝飾膜重量-4.75kg不包括門、窗口和懸掛物，隔熱和漆層的75.1kg車身的總重量(包括座位、噪音和連接系統)。
實施例2

實施例3

權利要求
1.由線狀增強材料組成的部件結構，其中線跨度的支撐點之間的距離小于彎折的臨界長度。
2.根據權利要求1的部件結構，其中支撐功能采用泡沫體粘結材料的氣泡的壁來實現。
3.根據權利要求1或2的部件結構，其中增強材料具有一組三維取向的線。
4.根據權利要求1到3的部件結構，其中增強材料的使用方式為由纖維制成的特定取向的元件組成的元件。
5.根據權利要求1到4的部件結構，其中增強材料具有在分隔的線之間的不規則距離。
6.根據權利要求1到5的部件結構，其中所述泡沫體粘結材料具有被氣泡直徑和氣泡壁厚的特殊分布所支持的不規則泡沫形式。
7.根據權利要求1到6的部件結構，其中增強元件的組包括不同形式的纖維、單根線、無序的束。
8.根據權利要求1到7的部件結構，其中增強元件，例如不同于纖維線和粘結支撐材料的那些元件，包括相同纖維的泡沫體。
9.根據權利要求1到7的部件結構，其中增強元件，例如不同于取向聚乙烯線和支撐材料的那些元件，包括低壓聚乙烯的泡沫體。
10.根據權利要求1到7的部件結構，其中增強元件，例如不同于取向聚乙烯線和支撐材料的那些元件，包括高壓聚乙烯的泡沫體。
11.根據權利要求1到7的部件結構，其中增強元件是金屬硼線，并且粘結支撐材料是陶瓷、碳化物或氮化硼材料。
12.根據權利要求1-10的部件結構，其由從微型尺寸的密閉氣泡形成的外部泡組成，產生滲透性外層。
13.根據權利要求1-10的部件結構，由空間自由形狀(包括平板)的增強材料組成，并由垂直線在它們之間提供連接。
14.根據權利要求1-11中任何一項的部件的生產方法，包括在模具中引入填充增強泡沫材料，并進行發泡，直到形成了被以上增強材料所增強的所需泡沫體為止。
15.根據權利要求14的部件生產方法，通過在具有溫度控制壁的模具中成形來生產部件，壁溫是由所需方向上泡孔尺寸的分布決定的。
16.根據權利要求1-15的材料，其利用在其軸方向上線的預拉伸而實現壓縮應力的減少。
全文摘要
改進的復合結構包括在分散基質內分布的線。該結構通過控制線跨度的支撐點之間的距離使強度得到增加，該距離被設定為小于與彎折相應的臨界長度的距離。該結構適合于需要在各方向上改進強度－重量或剛性－重量比的各種制品。
文檔編號C04B35/80GK1491301SQ02804495
公開日2004年4月21日 申請日期2002年1月23日 優先權日2001年2月1日
發明者費拉迪米爾·克里亞澤金, 費拉迪米爾 克里亞澤金 申請人:費拉迪米爾·克里亞澤金, 費拉迪米爾 克里亞澤金