可塌縮卷曲芯棒的制作方法
【技術領域】
[0001]本公開總體涉及用于制造共固化碳-環氧結構的可去除的芯棒，并且更特別地涉及這樣的可塌縮卷曲芯棒:其便于在鋪放期間減少或消除碳-環氧結構的外疊層的翹曲，并且在共固化該碳-環氧結構之后能夠容易且干凈地去除。
【背景技術】
[0002]碳-環氧結構包括包埋在樹脂(通常是環氧樹脂)基體中的多個碳纖維，用于將碳纖維支撐和結合在一起，并且可設置為預浸漬結構或“預浸漬體”結構。
[0003]碳-環氧結構堅固又輕巧，因此通過自身到或者共固化到其它碳-環氧結構而應用于廣泛的行業之中。例如，在飛行器工業中，飛行器機翼包括共固化型碳-環氧結構，為機翼提供足夠的強度來應對在飛行期間施加于機翼上的氣動載荷，并且重量足夠輕以適應飛行器的需求。飛行器機翼及其它飛行器結構通常形成有與外疊層(諸如飛行器蒙皮)共固化的加強筋或“縱梁”陣列。縱梁可制造為各種橫截面的預浸漬體，諸如工形梁、Z或“帽形”橫截面。“帽形縱梁”一般由一對腹板形成，腹板從基部向上延伸并且連接在封閉帽形橫截面容積的帽形狀中。
[0004]鋪放方法通常用于共固化縱梁與飛行器蒙皮。同樣形成為預浸漬體的飛行器蒙皮被鋪放到縱梁上，以覆蓋帽形橫截面容積并且形成中空內容積。足夠的熱量和壓力由壓熱器(autoclave)或類似的方法施加，以將縱梁與飛行器蒙皮共固化在一起。可去除的芯棒常常插入到中空內容積中，以在固化期間支撐中空內容積。縱梁向施加在飛行器蒙皮上的載荷提供加強筋阻力，同時縱梁的中空內容積相對于其加強筋強度而言提供較輕的重量。上述工藝可用來共固化任何類型的碳-環氧結構，例如，將飛行器蒙皮共固化到肋、梁和其它飛行器結構部件而不會損害飛行器蒙皮。
[0005]形成用于飛行器構造的中空帽形縱梁并且在以可去除的內芯棒作為支撐的情況下將縱梁共固化到飛行器蒙皮的常規設備和方法的示例例示在圖1至圖4中。如圖1例示的，開槽面板10具有多個以一角度間隔隔開并且在總體縱長或縱向方向L上延伸的溝槽
12。在該示例中，溝槽12具有總體梯形的帽形橫截面，其中角部平滑地彎曲并以圓角過渡到底平面14。其它的溝槽橫截面形狀也是可行的，舉幾個例子諸如是半圓形溝槽或V形溝槽。開槽面板10可由復合材料制成，諸如碳纖維或環氧樹脂基體中的織物。其它材料可單獨或組合地用以制造開槽面板10，并且其它材料可與復合材料組合。材料或材料組合具有面板合成熱膨脹系數CTE箍(由圖1的雙箭頭指示)。
[0006]圖2至圖4是例示形成縱梁16的常規方法各階段的橫截面端視圖，縱梁16使用圖1示出類型的開槽面板10共固化到飛行器蒙皮。縱梁16的橫截面具有帶側壁18和端凸緣部20a、20b的梯形的帽形狀。參照圖2，縱梁16定位在形成在開槽面板10中的其中一個帽形溝槽12中。縱梁16的側壁18具有內表面22，內表面22在帽形縱梁16內限定出中空內容積24。剛性帽形芯棒26定位在縱梁16的中空內容積24內，使得帽形芯棒26的外表面28與縱梁16的內表面22支撐著接觸，以在鋪放和固化期間所施加的壓縮力下維持縱梁16的形狀。
[0007]參照圖3，一旦芯棒26定位在形成縱梁16的中空內容積24的側壁18內部，外襯底層30就疊壓在面板10、縱梁端凸緣部20a、20b和芯棒26上方，以形成飛行器蒙皮。與縱梁16類似，外襯底層30可以是預浸漬體碳-環氧結構。通過用壓熱或類似的方法施加足夠的熱量和壓力而使外襯底層30與縱梁16共固化。外襯底層30通過共固化到縱梁16的凸緣部20a、20b和芯棒26的外表面28而結合。
[0008]參照圖4，固化可這樣執行:首先將可壓縮墊或網膜片(caul sheet) 32定位在外襯底層30上方，并且將真空袋34定位在網膜片32和外襯底層30上方以便形成用于壓熱的加壓環境。然后排空真空袋34和外襯底層30之間的空氣空間，以在外襯底層30、縱梁16的端凸緣部20a、20b和芯棒26的外表面28上施加均勻壓力。然后使用壓熱器在固化溫度下同時在真空下將外襯底層30共固化到開槽面板10、縱梁16的端凸緣部20a、20b和芯棒26的外表面28。固化之后，將外襯底層30從網膜片32和真空袋34分離，并且去除縱梁16的中空內容積24中的芯棒26。芯棒26的外表面28可由在固化后從縱梁16內表面22釋放以允許去除芯棒26的材料制成或處理。
[0009]多種芯棒中的任一種可用來共固化具有中空內部容積的共固化型碳環氧樹脂結構。例如，存在硬橡膠類型的芯棒，其可插入縱梁的橫截面容積中，但該類型的芯棒已被證實在固化之后難以從縱梁去除。也存在消耗性類型的芯棒，其可在固化之后被溶解，但該類型的芯棒需要麻煩而不切實際的溶解工藝。其它類型是可重復使用的彈性芯棒系統(REMS)，其實質上是富含陶瓷珠的橡膠芯棒。然而，REMS類型的芯棒與更長的縱梁長度一起使用可能是不切實際的。
[0010]常用的芯棒類型是可加壓柔性囊狀物(bladder)，其提供大小相等方向相反的膨脹力，以便在高達約lOOpsi的固化壓力期間不產生塌縮。然而，囊狀物類型的芯棒在鋪放或侵位(emplacement)期間不被加壓，這可允許外疊層翹曲并導致隨后操作中的諸多問題。而且，囊狀物類型的芯棒可能不便于使用，因為它可以導致外疊層起皺，可以具有每次運行必須檢查的潛在泄漏，每次運行必須插入和去除，和/或更換成本高。
[0011]因此可期望的是提供改進類型的芯棒用于共固化中空碳-環氧結構，其可以在鋪放期間減少或消除外疊層的翹曲，并且在共固化碳-環氧結構之后能夠容易而干凈地去除。
【發明內容】
[0012]依據本公開中的優選實施方式，提供了一種用于共固化中空碳-環氧結構的可塌縮卷曲芯棒。所述可塌縮卷曲芯棒由經摻雜材料浸濕的纖維制成，所述摻雜材料為纖維提供干燥時的剛度特性。用摻雜材料浸濕的所述纖維形成有線圈匝，所述線圈匝沿著縱軸延伸并且在干燥時維持外線圈形狀，當用作芯棒時在隨后鋪放和固化中空碳-環氧結構期間，所述外線圈形狀抵抗外部壓縮力。所述可塌縮卷曲芯棒通過當用摻雜材料浸濕的所述纖維的一端在沿著所述縱軸的方向上被牽拉時所施加的剪切力可軸向塌縮，使得所述可塌縮卷曲芯棒能夠在固化之后被容易地從所述中空碳-環氧結構去除并被棄置。
[0013]所述可塌縮卷曲芯棒被容納在保護性襯里內。所述保護性襯里提供保護邊界來防止樹脂在共固化期間熔融到所述卷曲芯棒中。用于形成所述可塌縮卷曲芯棒的優選纖維可以是足夠多孔以吸收流體摻雜材料并且能夠以剛度特性干燥化以便在鋪放和共固化期間抵抗壓縮力的天然或合成纖維。優選纖維的拉伸強度大于所述摻雜材料干燥時的結合強度。優選的摻雜材料可以是懸浮在水流體中的陶瓷粉末。在優選應用中，所述可塌縮卷曲芯棒以適用于用作形成飛行器構造中的縱梁的芯棒的線圈形狀、尺寸和線圈密度形成。所述可塌縮卷曲芯棒可具有用于形成帽形縱梁的梯形或帽形橫截面。
[0014]還提供了一種制造可塌縮卷曲芯棒的方法。在所述方法中，提供具有上模具半體和下模具半體的模具，所述上模具半體和下模具半體沿著縱軸延伸并且具有互補性形狀的半體凹部，所述半體凹部彼此面對并一起形成所述模具的組合模具凹部。將施用器(applicator)插入通過