用于復合結構應用的混雜三維織造/層合支撐物的制作方法

專利名稱：用于復合結構應用的混雜三維織造/層合支撐物的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于增強復合結構的三維織造預制件的幾何構造，在所述增強復合結 構的一個或多個末端上具有準各向同性的或多方向的增強并且在所有其它區域具有近似 單方向的增強。該預制件具有另外通過在厚度方向上嵌入增強纖維而提供的全厚度增強。
背景技術：
當前廣泛使用增強復合材料來生產結構組件，尤其是在追求所希望的輕質、堅固、 強韌、耐熱、自支撐以及適于成型和定型的特性的應用中。這樣的組件例如用在航空、航天 和衛星工業中，以及用于娛樂性應用例如賽艇和賽車中，以及用于其它數不盡的應用中。三 維織物一般由沿三個方向定向的纖維構成，其中每一纖維都沿著垂直于其它纖維的方向， 即沿著X、Y和Z軸方向延伸。通常，由上述織物形成的組件由嵌入基體材料中的增強材料構成。增強組件可以 由具有所希望的物理性能、熱性能、化學性能和/或其它性能(尤其是具有抵抗應力破壞的 高強度)的材料制得，所述材料為例如玻璃、碳、陶瓷、芳族聚酰胺(例如獲自Ε. I. Dupont 的“KEVLAR ，，)、聚乙烯和/或其它材料。通過使用這種增強材料并使其最終成為完成 組件的組元，完成的復合組件便被賦予了所希望的增強材料的特性，例如非常高的強度。組 成增強材料通常可以機織、針織或以其它方式定向成所希望的增強預制件的結構和形狀。 通常，特別需要注意的是確保最有利地利用已選擇的組成增強材料的性能。一般說來，這樣 的增強預制件與基體材料結合以形成所希望的成品組件或生產用于最后生產成品組件的 日常原料。在構造了所希望的增強預制件后，可以引入基體材料并且將其與預制件結合，使 得增強預制件被基體材料包圍，以使基體材料填充增強預制件的組元之間的空隙區域。基 體材料可以是非常多種材料中的任一種，例如環氧樹脂、聚酯、乙烯基酯、陶瓷、碳和/或其 它材料，它們也具有所希望的物理性能、熱性能、化學性能和/或其它性能。選擇用作基體 的材料可以與增強預制件的材料相同或不同，也可以具有或不具有相當的物理性能、化學 性能、熱性能或其它的性能。然而，通常，它們與增強預制件不是同一種材料或者不具有相 當的物理性能、化學性能、熱性能或其它性能，這是因為在使用復合材料時首先所要達到的 目的通常是獲得僅通過使用一種組成材料不能獲得的最終產品的綜合性能。在結合時，增強預制件和基體材料可以隨后在同一操作中通過熱定型或其它已知 方法進行固化和穩定化，然后經歷其它的操作來生產所希望的組件。需要強調指出的是在 如此固化后，基體材料的固化物質通常非常牢固地粘結到增強材料(例如，增強預制件)。 結果，最終組件上的應力，尤其是通過充當纖維之間粘合劑的基體材料，可以有效地轉移到 增強的增強預制件的組成材料上并且由其承載。通常，材料供應商生產出簡單的二維織造織物或單方向的纖維，并將其發送給客 戶，裁剪出各種圖案并且層層鋪設成最終部件。最簡單的織造材料是基本上二維的平面結 構，其中基本上僅在兩個方向上具有纖維。這種織物通過交織兩組相互垂直的紗線來形成。
5在二維織造中，0°的紗線稱作經向纖維或紗線，90°的紗線稱作緯向纖維或紗線。對于樹 脂傳遞模塑來說，一系列的織造織物可以組合形成干燥的鋪設物，所述干燥的鋪設物被置 于模具中并注入樹脂。這些織物可以使用“裁剪縫制”技術或熱成形法來預成型并且使用 樹脂粘合劑“粘結”。然而，二維織造結構具有局限性。預成型步驟在鋪設中需要大量的手工勞動。二 維織造結構在除了 0°和90°方向之外的其它方向上沒有足夠的強度或沒有足夠的抗拉 伸性能，尤其是在遠離纖維軸向的角度上。減少這種可能的局限性的一種方法是在織物中 增加斜交纖維，以中間角度、優選以與填充纖維的軸成士45°的角度將纖維穿插織入織物 中。簡單的織造預制件還是單層的。這限制了材料的可能強度。一種可能的解決方案 是增加纖維的尺寸。另一種解決方案是使用多層。使用多層的附加優點是某些層可以定 向為使不同層的經紗軸和緯紗軸處在不同的方向，由此起到類似上述討論的斜交纖維的作 用。然而，如果這些層是與樹脂一起層合的單層堆疊體，則出現分層問題。如果將各層縫合 在一起，那么許多織造纖維可能在縫合工藝中被破壞并且可能損害總抗張強度。此外，對于 多層的層合和縫合來說，通常需要手工鋪設操作來把各層對準。作為替代方案，可以作為織 造工藝的一部分來交織各層。形成多個織物交織層，尤其是具有一體化的斜交纖維的多個 織物交織層，一直是一個難題。復合材料用于生產結構組件的一個實例是生產支架和支柱。支架和支柱通常包括 在結構的每一末端上具有突出部的中心柱。這些突出部可以具有陽型或陰型(U形夾)構 造并且用于把支架或支柱連接到所要增強或支撐的結構上。如前所述，為了提高復合結構 的強度，將多層用于支架和支柱中的突出部和柱部分。盡管由于可以將各層定向為在0° 和90°方向上提供增強以及可以斜向定向以在其它方向例如在士45°方向上提供增強而 使得使用多層是有利的，但是如果與樹脂一起層合，則層間分層就會成為問題。存在許多層合突出部的實例，其中一些使用了混雜材料(即，交替的碳和鈦層)， 但是還沒有將層合的突出部與三維織造柱相結合。用于極高負載結構的層合復合材料突出 部的耐久性在多個政府資助的項目中已經被證實。然而，據本申請人了解，其中沒有一個項 目考慮使用三維織造預制件。因此，在支架和支柱中使用的具有層合突出部末端或部分以及整體式三維織造中 心柱的三維預制件是所希望的。在預制件的中心部分使用三維結構的優點是它減少了對厚 復合材料所需的所有層進行剪裁和整理所需要的勞動，并且與常規層合復合材料相比提供 了更好的容損性。末端處的獨立層的優點是可以調整層合體以具有特定的性能。具體而言， 可以通過在一個或多個角度嵌入增強纖維而在厚度方向上增強一部分或者整個預制件。因此，需要一種織造預制件，其具有整體織造的三維中心部分和包括獨立織造層 的增強的層合突出部末端。

發明內容
因此本發明的主要目的是提供一種用于復合結構的三維織造預制件，其具有交織 的柱部分和在突出部末端處單獨織造的織物的堆疊體。本發明的另一目的是提供一種用于厚復合結構的織造預制件，該結構在一個或兩個末端處具有準各向同性或多方向的增強以及在所有其它區域內具有近似單方向的增強。本發明的另一目的是提供一種織造預制件，該預制件在一個或兩個突出部末端處 具有厚度增強，以提高容損性并且改善全厚度性能。本發明的又一目的是提供一種可用于承載大的集中載荷的復合結構。本發明提供這些和其它目的和優點。就此而言，本發明涉及用于增強復合結構的 織造預制件以及制造這種預制件的方法。所述織造預制件包括具有織造在一起的多個層的 中心部分。所述預制件包括具有多個獨立織造層的第一末端部分，所述多個獨立織造層與 所述中心部分中的多個交織層整體織造并且沿著預制件的整個長度延伸。所述預制件還包 括具有多個獨立織造層的第二末端部分，所述多個獨立織造層與所述中心部分中的多個交 織層整體織造并且沿著預制件的整個長度延伸。在第一和第二末端部分中的多個獨立織造 層之間散布有斜交層(bias plies)。此外，具有單個突出部末端和柱部分末端的織造預制 件可以根據所公開的任意實施方案來構造。本發明的另一方面涉及一種三維織造預制件，其具有對第一和第二末端部分中的 獨立織造層和斜交層添加的全厚度增強。這樣的厚度增強通過降低改變微觀力學并導致過 早破壞的局部化彎曲的量而使得預制件的抗壓強度增加。此外，全厚度增強可以通過使與 沖擊損傷相關的脫層量局部化來改善復合部件的容損性，以及提高全厚度強度、剛度和剪 切強度。本發明的又一方面涉及使用本文中公開的織造預制件構造的三維增強復合結構。 所述增強復合結構包括具有單方向增強的中心部分和準各向同性或多方向增強的第一和 第二末端部分。作為替代方案，第一和第二部分可以具有厚度增強，其包括以一定的角度插 入預制件的厚度方向中的增強纖維。所述增強復合結構還可以構造為在一個末端具有柱部 分且在另一個末端具有突出部部分。體現本發明的多個新穎性特征在本公開內容所附并形成本公開內容一部分的權 利要求中具體指出。為了更好地理解本發明、它的操作優點和通過其應用所實現的特殊目 的，參考附隨的說明性內容，其中本發明的優選實施方案在附圖中示出，并且其中相應的部 分用相同的附圖標記表示。


結合附圖將會更好地理解以下詳細說明，這些詳細說明通過實施例給出并且目的 不是使本發明僅限于此，附圖中相似的附圖標記指相似的元件和部件，其中圖1是具有包括突出部末端的柱部分的復合結構的平面圖，該突出部末端具有陽 型構造；圖2是具有包括突出部末端的柱部分的復合結構的平面圖，該突出部末端具有陰 型或U形夾構造；圖3是根據本發明一個實施方案構造的預制件的平面圖；圖4A是根據本發明一個實施方案構造的具有突出部末端的預制件的平面圖，該 突出部末端具有對稱構造；圖4B是根據本發明一個實施方案構造的具有突出部末端的預制件的平面圖，該 突出部末端具有對稱構造；
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圖4C是根據本發明一個實施方案構造的具有突出部末端的預制件的平面圖，該 突出部末端具有不對稱構造；圖4D是根據本發明一個實施方案構造的具有突出部末端的預制件的平面圖，該 突出部末端具有不對稱構造；圖5A和5B是根據本發明的一個實施方案構造的具有陰型突出部末端的預制件的 平面圖；圖6A-6B為一種預制件的放大平面圖，示出穿過預制件層的增強纖維。圖6A示出 突出部末端，其中根據本發明的一個方面，增強纖維垂直于層平面，圖6B示出突出部末端， 其中根據本發明的一個方面，增強纖維與層平面呈一定的角度；圖7是根據本發明一個方面的復合結構的三維視圖，所述復合結構具有柱部分， 其具有為陽型構造的突出部末端并且在突出部末端具有圓形通孔；圖8是根據本發明一個方面的復合結構的三維視圖，所述復合結構具有柱部分， 其具有為陰型或者U形夾構造的突出部末端并且在突出部末端具有圓形通孔；圖9是根據本發明一個方面的具有厚度增強的預制件的突出部末端的放大平面 圖，其中增強纖維均勻分布在整個突出部末端；和圖10是根據本發明一個方面的具有厚度增強的預制件的突出部末端的放大平面 圖，其中增強纖維集中在突出部末端中通孔的邊緣周圍。
具體實施例方式下文將參照附圖更全面地描述本發明，其中示出本發明的優選實施方案。然而，本 發明可以體現為多種不同的形式并且不應當理解為限于本文中示出的實施方案。相反，提 供這些示出的實施方案使得本公開內容更全面和更完整，并且使得本領域的技術人員全面 獲知本發明的范圍。在以下的描述中，相同的附圖標記在整個附圖中指相同或相應的部件。此外，在以 下描述中，應當理解術語“上”、“下”、“頂部”、“底部”等是方便說明的用語，不應理解為限定 性術語。本發明是用于復合結構或梁的預制件概念，該結構或梁在一個或兩個末端具有準 各向同性的或多方向的增強以及在所有其它區域中具有近似單方向的增強。這種構造對于 必須承載大的集中載荷的結構例如支架和支柱來說是適宜的。準各向同性或多方向增強的 末端提供良好的支撐性能和更平衡的張力、壓力和剪切強度，使得它們成為用于所述結構 的突出部末端的良好選擇。這些突出部末端具有陽型或陰型(U形夾)構造。單方向部分 提供高的軸向剛度，這對于防止柱彎曲或斷裂來說是有益的，并使得其成為用于支架或支 柱的主柱的良好選擇。圖1中描述的是具有突出部末端4和三維主柱部分6的支架或支柱 2。圖1中的突出部末端4具有陽型構造。圖2描述具有三維主柱部分10和突出部末端12 的支架或支柱8，所述突出部末端12具有陰型或U形夾構造。在預制件的中心部分中使用三維結構的優點是它減少了對厚復合材料所需的所 有層進行裁剪和整理所需要的勞動，并且和常規的層合復合材料相比提供了更好的容損 性。在結構末端處的獨立層的優點在于可以調整層合體以使其具有特定的性能。如所公開 的，突出部末端被認為是準各向同性或多方向增強的，但是它們實際上可以是任何層合體構造。本發明的預制件包括三維織造部分，所述三維織造部分由一定數目的層和相似數 目的獨立斜交層構成。在三維織造件的中心或柱部分中，所有的層都被交織或整體織造在 一起，形成整片的織造材料。在該部分中使用的纖維排布可以是用于厚預制件的任何常規 方式，包括但不局限于層到層方式、全厚度方式、角聯鎖方式或正交方式。在該結構的末端， 各層彼此獨立織造以形成在0°和90°方向上增強的織物堆疊體，其中0°是沿該結構的 長度方向。單獨構造為在0° /90°方向之外的方向例如士45°方向上提供增強的斜交層 散布在0° /90°織物層之間以形成常規的層合體。斜交層可以用經向和緯向纖維或紗線 織造或者斜交層可以是非織造的、針織的或者是0°或90°方向的纖維陣列。在以下附圖 中，經向為沿0°方向或沿所述結構的長度的方向并且由箭頭100示出。具有包括中心或柱部分的預制件的所有層均使用提花織機和俘獲梭(captured shuttle)利用經向纖維或紗線和緯向纖維或紗線進行織造，然而任何常規的織造技術都可 以用于織造所述層。所述纖維或紗線可以是合成或天然材料，例如但不限于碳、尼龍、人造 纖維、聚酯、玻璃纖維、棉、玻璃、陶瓷、芳族聚酰胺以及聚乙烯。然后用傳統技術例如但不限 于樹脂傳遞模塑或化學氣相滲透，通過引入基體材料例如但不限于環氧樹脂、聚酯、乙烯基 酯、陶瓷、碳和/或其它材料，將完成的織造預制件加工成織造/層合的復合結構，所述基體 材料也具有所希望的物理性能、熱性能、化學性能和/或其它性能。根據本發明的一個實施方案，圖3描述了具有厚中心部分16的結構14的一部分， 所述厚中心部分16與位于中心部分16兩側的兩個較薄的陽型突出部末端18形成一體。從 圖3中可以看出，厚中心部分16是整體式的三維織造柱，由交織或織造在一起的多個織造 層50構成。為了形成較薄的陽型突出部末端18，所述厚中心柱16的經向纖維層從預制件 向外織造，以提供從柱16到較薄突出部末端18的錐形過渡22。一旦所希望數目的經向纖維層從預制件向外織造使得所述柱錐形縮減至所希望 的突出部厚度，就在較薄突出部末端18處從預制件向外織造出另外的經向纖維層，從而為 斜交織物層提供間隙或空間。在較薄突出部末端18處的剩余經向纖維與柱或中心部分16 中的多個層50整體織造并且沿著所述結構的長度方向連續，其形成彼此獨立織造的單獨 的層24。該層或織物的堆疊體在較薄突出部末端18處提供0°和90°方向上的增強。由 于0° /90°層24沒有相互交織，因此在其它方向例如士45°方向上提供增強的斜交層26 可以散布在0° /90°層24之間的間隙中，形成織物堆疊體，當施加基體材料時，所述織物 堆疊體形成在較薄突出部末端18處提供準各向同性或多方向增強的層合結構。此外，如圖 3所示，該結構具有連續的表面纖維28，這是厚柱16的最外層的經向纖維形成的。如果需要，則可以根據所公開的實施方案構造僅具有一個較薄突出部末端18的 結構，這不同于上述的具有中心部分16且在中心部分16的兩側具有兩個較薄突出部末端 18的結構。在這種情況下，該結構包括一個類似于整體式的三維織造中心部分16的末端和 一個如上所述的較薄突出部末端18。以這種方式構造的結構更類似于圖3中所述的結構。本發明的另一個實施方案描述在圖4A-4D中，其示出包括兩個突出部末端32的結 構30的一部分，這兩個突出部末端32比結構30的整體式三維織造中心柱部分34更厚。 如前述實施方案中所述的那樣，中心柱部分34由交織或織造在一起的多個織造層35構成。 然而在這種構造中，不需要將來自柱部分34的經向纖維36向外織出以形成較厚突出部末端32。相反，用于構造柱部分34的所有經向纖維36都用于構造較厚突出部末端32。然 而，來自柱部分34的經向纖維36不在較厚突出部末端32處相互交織。這使得斜交層38 散布在較厚突出部末端32中的經向纖維40之間，所述斜交層38是在0° /90°方向上提 供增強的層。因此，較厚突出部末端32具有由0° /90°定向的層或織物和在0° /90°方 向之外的方向上定向的單獨構造的層(例如士45°定向的層或織物)構成的織物堆疊體， 當施加基體材料時，所述織物堆疊體形成準各向同性或多方向增強的層合突出部。此外，從 圖4A-4D可以看出，根據該實施方案構造的結構具有從較厚層合突出部末端32到整體式柱 部分34的鋸齒形過渡42，由此改善了從一個部分向另一個部分的載荷轉移。從圖4A-4D可以看出，斜交層38的長度和位置是因圖而異的。圖4A和4B描述了 具有對稱構造的突出部末端32。也就是說，突出部末端32中的斜交層38的長度和位置是 關于中心線或縱軸A-A對稱的。圖4A描述的對稱構造中，當從中心線A-A朝著突出部末端 32的頂表面43和底表面45移動時，突出部末端32的上半部分39和下半部分41中相繼的 斜交層38的長度增加。圖4B描述的對稱構造中，當從中心線A-A朝著突出部末端32的頂 表面43和底表面45移動時，突出部末端32的上半部分39和下半部分41中相繼的斜交層 38的長度減小。圖4C和4D描述了具有不對稱構造的突出部末端32。也就是說，當從突出部末端 32的底表面45向頂表面43移動時，突出部末端32中相繼的斜交層38的長度僅僅增加或 減小。圖4C示出的不對稱構造中，當從突出部末端32的底表面45向頂表面43移動時，突 出部末端32中相繼的斜交層38的長度增加。如4D所示，不對稱的突出部末端32也可以構 造為，當從突出部末端32的底表面45向頂表面43移動時，相繼的斜交層38的長度減小。如果需要，可以根據公開的實施方案構造僅具有一個較厚突出部末端32的結構， 這不同于前述實施方案公開的具有中心部分34且在中心部分34的兩側上具有兩個較厚突 出部末端32的結構。在這種情況下，該結構包括一個類似于整體式的三維織造中心部分34 的末端和一個如上所述的較厚突出部末端32。以這種方式構造的結構更類似于圖4A-4D中 所述的結構。在本發明另一個實施方案中，圖5A描述了具有包括兩個陰型突出部或U形夾48 的整體式三維織造中心柱部分46的結構44的一部分。如圖5A中所示，陰型突出部末端48 可以相對于中心柱部分46成角度，使得陰型突出部末端48和中心柱部分46不在一條直線 上或不共線。在本發明的另一個實施方案中，整體式三維織造中心部分46平行于兩個陰型 突出部或U形夾48。和前述實施方案相似的是，中心柱部分46由交織或織造在一起的多 個織造層50構成。為了形成陰型突出部或U形夾48，整體式的柱部分46織造為使其分叉 52，以形成U形夾的兩半。在U形夾的每半部分的第一部分或角度部分56中的0° /90° 層54繼續交織在一起。為了在0° /90°增強層58之間為U形夾的平行或末端部分62中的斜交織物層 60提供間隙，經向纖維從預制件的角度部分56向外織造。與中心柱部分46以及角度部分 54中的多個織造層50整體織造的在突出部末端48處的剩余經向纖維形成互相獨立織造 的單獨層并且在U形夾48處提供0°和90°方向上的增強。由于0° /90°層58沒有互 相交織，因此在0° /90°方向之外的方向如士45°方向上的增強由散布在0° /90°層58 之間的斜交層60來提供，當在預制件中加入基體材料時，在U形夾處形成提供準各向異性或多方向增強的織物堆疊體。圖5B描述了具有包括兩個陰型突出部或U形夾48的整體式三維織造中心柱部分 46的結構44的替代實施方案。然而，與圖5A中所示出的實施方案不同，為了形成陰型突出 部或U形夾48，圖5B中預制件的經向纖維55并沒有從柱部分46向外織出。相反，用來構 造柱部分46的所有的經向纖維55都用于構造突出部末端48。然而，來自柱部分46的經向 纖維55在突出部末端48處沒有相互交織。這使得斜交層60散布在突出部末端48處的經 向纖維58之間，所述斜交層60是在0° /90°方向上提供增強的層。因此，較厚突出部末 端48具有由0° /90°定向的層或織物和在0° /90°方向之外的方向上定向的單獨構造 的層(例如士45°定向的層或織物)構成的織物堆疊體，當施加基體材料時，所述織物堆疊 體形成準各向異性或多方向增強的層合突出部。如果需要，可以根據公開的實施方案構造僅具有一個陰型突出部末端48的結構， 這不同于上述實施方案的具有中心部分46且在中心部分46的兩側上具有兩個陰型突出部 末端或U形夾48的結構。在這種情況下，該結構包括一個類似于整體式的三維織造中心部 分46的末端和一個如上所述的陰型突出部末端或U形夾48。以這種方式構造的結構，將更 類似于圖5A或5B中所述的結構。在所有公開的實施方案中，在將斜交層嵌入到突出部末端之后，織造預制件可以 與玻璃材料層進行外層編織(overbraid)以改善預制件的耐磨性能。在所有公開的實施方案中，突出部末端也可以具有全厚度增強以便將獨立織造的 0° /90°層和士45°斜交層鎖定在一起。該增強由橫穿突出部末端中的獨立織造層和斜 交層的增強纖維來提供。增強纖維可以垂直于突出部末端中的層平面或者可以與法線軸成 一個或多個角度，例如成60°角。法線增強使得全厚度張力和壓縮性能最大化，同時偏軸增 強改善了全厚度剪切性能。圖6A-B描述了具有全厚度增強的突出部末端70，其中增強纖維 71橫穿突出部末端的層72。圖6A特別示出了與層72的平面垂直的增強纖維71，而圖6B 顯示與層72的平面的法線成一定角度的增強纖維。一般而言，增強纖維可以均勻地分布在 預制件的整個突出部末端。提供全厚度增強的技術包括本領域已知的簇絨法(tufting)或針織法。簇絨/針 織通過插入增強纖維將0° /90°和士45°層鎖定在一起。這些纖維可以由諸如碳纖維的 不同材料構成。例如，該纖維可以由6k碳絲束構成，即由6000根碳絲的紗線束構成。可以使用針以與預制件層的法向平行/成角度地插入增強纖維來進行簇絨/針織 的方法。例如，用來插入增強纖維的針可以是中空的陶瓷包覆的針，其中隔點是非去芯的且 在針的中央。任選地，針可以偏離使隔點朝中央取向。也可以使用電鍍加工(EDM)來處理 針，例如改變針以具有EDM平端(ground heel)。簇絨或針織過程可以另外包括其它組件來支撐預制件并且防止預制件材料被針 拉出。例如，在簇絨/針織過程中可以鄰近預制件放置與預制件具有相同輪廓的乳膠覆蓋 的泡沫聚苯乙烯墊。在簇絨/針織過程中，插入速度、插入深度、針間距、針的數目、箝位要求以及經由 蒸餾水的潤滑量都可以根據預制件的厚度進行調節。顯然對于本領域技術人員來說，上文公開的結構可以具有除本文公開之外的許多 形式。例如，所述結構可以具有包括陰型或U形夾突出部構造的厚的整體式三維織造柱。所述結構也可以具有厚的整體式三維織造柱，其中在一個末端具有陽型突出部，在另一個 末端具有陰型突出部。此外，所述結構可以具有薄的整體式三維織造柱，其中在一個末端具 有陰型突出部或者在一個末端具有陽型突出部，而在另一個末端具有陰型突出部。最后，所 有的構造都可以具有與主柱部分成一直線或共線的兩個突出部；與主柱部分成角度的兩 個突出部；或者可以是一個突出部與主部分共線，另一個突出部與主柱成角度。盡管如上所 述，突出部末端被認為是準各向同性或多方向增強的，但是突出部末端實際上可以是任何 層合構造。因此，本發明的結構如支架或支柱可以設計為具有不同的構造，以基于結構的特 定需要或所希望的用途來提供不同類型的增強或支撐。另外，以上所公開的結構可以在突出部末端具有一個或多個孔。在其中突出部末 端位于陰型或U形夾構造的實例中，孔可以在分叉組件之一或二者之中。在與主柱部分共 線的方向上、在垂直于主柱部分的方向上或者在前二者之間的角度方向上，孔可以穿過突 出部末端。此外，這些孔可以為任意形狀，例如，圓形、橢圓形、多邊形、方形、長方形等。圖 7描述了具有三維主柱部分76和突出部末端77的支架或支柱75，其中突出部末端77具有 陽型構造以及穿過突出部末端的圓孔78。圖8描述了具有三維主柱部分81和突出部末端 82的支架或支柱80，其中突出部末端82具有陰型或U形夾陽型構造以及穿過突出部末端 的圓孔83。可以在構造預制件的過程中或者構造預制件之后使用鉆孔機等來形成孔。在其中存在穿過突出部末端的孔的實施方案中，增強纖維可以均勻地分布，或者 作為替代方案，可以集中在孔的周圍。圖9作為一個實例圖示了具有三維主柱部分86和突 出部末端87的支架或支柱85的一半，其中描述了獨立層和斜交層。突出部末端87包括孔 88，并且通過橫穿獨立層和斜交層的增強纖維89來增強。在這種情況下，增強層均勻地分 布在整個突出部末端中。圖10作為一個實例圖示了具有三維主柱部分91和突出部末端92 的支架或支柱90的一半，其中描述了獨立層和斜交層。突出部末端92包括孔93，并且通過 橫穿獨立層和斜交層的增強纖維94來增強。在圖10中，增強纖維94集中在孔93的邊緣 周圍。盡管本發明的優選實施方案及其變化方案在本文中進行了詳細描述，但是應當理 解，本發明不限于這些特定的實施方案和變化方案，并且本領域技術人員可以進行其它變 化和改變，而不會背離由所附權利要求所限定的本發明的精神和范圍。
1權利要求
一種用于增強復合結構的織造預制件，其包括具有多個交織層的中心部分；具有多個獨立織造層的第一末端部分，其中所述多個獨立織造層與所述中心部分中的所述多個交織層整體織造并且沿著所述預制件的整個長度延伸；和具有多個獨立織造層的第二末端部分，其中所述多個獨立織造層與所述中心部分中的所述多個交織層整體織造并且沿著所述預制件的整個長度延伸；其中在所述第一末端部分和所述第二末端部分中的所述多個獨立織造層之間散布有斜交層，并且其中所述第一末端部分和/或所述第二末端部分具有包括橫穿所述獨立織造層和所述斜交層的增強纖維的全厚度增強。
2.根據權利要求1所述的織造預制件，其中所述中心部分包括沿著所述織造預制件的 整個長度延伸的多個層以及沿著所述織造預制件的長度部分延伸的多個層。
3.根據權利要求2所述的織造預制件，其中所述部分延伸的層由經向纖維或紗線形 成，所述經向纖維或紗線從所述織造預制件向外織造并且提供從所述中心部分到所述第一 末端部分和所述第二末端部分的過渡。
4.根據權利要求2所述的織造預制件，其中在所述第一末端部分和所述第二末端部分 中的所述獨立織造層之間的用于所述斜交層的間隙是由從所述織造預制件向外織造的經 向纖維或紗線產生的。
5.根據權利要求1所述的織造預制件，其中所述第一末端部分和/或所述第二末端部 分是具有陽型或陰型構造的突出部。
6.根據權利要求1所述的織造預制件，其中所述第一末端部分和/或所述第二末端部 分與所述中心部分共線或與所述中心部分成角度。
7.根據權利要求3所述的織造預制件，其中在所述柱部分與所述第一末端部分和所述 第二末端部分之間的所述過渡是平滑的錐形過渡或鋸齒形過渡。
8.根據權利要求1所述的織造預制件，其中所述中心部分在所述中心部分末端處分叉。
9.根據權利要求8所述的織造預制件，其中所述分叉的末端形成陰型突出部或U形夾 的兩半部分。
10.根據權利要求1所述的織造預制件，其中所述中心部分比所述第一末端部分和所述第二末端部分厚。
11.根據權利要求1所述的織造預制件，其中所述中心部分比所述第一末端部分和所述第二末端部分薄。
12.根據權利要求1所述的織造預制件，其中所述第一末端部分、所述第二末端部分和 /或所述中心部分的所述層由經向和緯向纖維或紗線織造。
13.根據權利要求1所述的織造預制件，其中所述中心部分具有選自層到層方式、全厚 度方式、正交方式和角聯鎖方式的纖維結構。
14.根據權利要求12所述的織造預制件，其中所述經向和緯向纖維或紗線選自包括 碳、尼龍、人造纖維、聚酯、玻璃纖維、棉、玻璃、陶瓷、芳族聚酰胺和聚乙烯的合成或天然材 料。
15.根據權利要求1所述的織造預制件，其中所述織造預制件與玻璃層進行外層編織。
16.根據權利要求1所述的織造預制件，其中所述增強纖維在所述層的法向上定向。
17.根據權利要求1所述的織造預制件，其中所述增強纖維在與所述層的法向成一定 角度的方向上定向。
18.根據權利要求1所述的織造預制件，其中所述增強纖維是碳絲束。
19.根據權利要求1所述的織造預制件，其中所述增強纖維被簇絨或針織進所述預制 件的末端部分中。
20.根據權利要求1所述的織造預制件，其中所述第一末端部分和/或所述第二末端部 分包括橫穿所述末端部分的孔。
21.根據權利要求20所述的織造預制件，其中所述孔是圓形、橢圓形、正方形、長方形 或多邊形的。
22.根據權利要求20所述的織造預制件，其中所述厚度增強均勻地分布在整個所述末 端部分上。
23.根據權利要求20所述的織造預制件，其中所述厚度增強集中在所述孔的邊緣周圍。
24.一種利用權利要求1所述的織造預制件增強的三維復合結構。
25.一種用于增強復合結構的織造預制件，其包括 具有多個交織層的柱部分；和具有多個獨立織造層的突出部末端部分，其中所述多個獨立織造層與所述柱部分中的 所述多個交織層整體織造并且沿著所述預制件的整個長度延伸；和其中在所述突出部末端部分中的所述多個獨立織造層之間散布有斜交層； 并且其中所述第一和/或第二末端部分具有包括橫穿所述獨立織造層和所述斜交層 的增強纖維的全厚度增強。
26.—種制造用于增強復合結構的織造預制件的方法，包括以下步驟 將多個層織造在一起以形成整體式中心部分；織造多個獨立層以形成第一末端部分，其中所述多個獨立層與所述中心部分中的所述 多個層整體織造；織造多個獨立層以形成第二末端部分，其中所述多個獨立層與所述中心部分中的所述 多個層整體織造；在所述第一末端部分和所述第二末端部分中的所述多個獨立織造層之間散布斜交層；以及在所述第一末端部分和/或所述第二末端部分中使用增強纖維來簇絨或針織所述獨 立層和所述斜交層。
27.根據權利要求26所述的方法，還包括從所述織造預制件向外織造經向纖維或紗線 以提供從所述中心部分到所述第一末端部分和所述第二末端部分的過渡的步驟。
28.根據權利要求26所述的方法，還包括從所述織造預制件向外織造經向纖維或紗線 以在所述第一末端部分和所述第二末端部分中形成獨立織造層以由此在所述獨立織造層 之間為所述斜交層提供間隙的步驟。
29.根據權利要求26所述的方法，其中所述第一末端部分是具有陽型或陰型構造的突出部。
30.根據權利要求26所述的方法，其中所述第二末端部分是具有陽型或陰型構造的突出部。
31.根據權利要求26所述的方法，其中所述第一末端部分與所述中心部分共線或與所 述中心部分成角度。
32.根據權利要求26所述的方法，其中所述第二末端部分與所述中心部分共線或與所 述中心部分成角度。
33.根據權利要求27所述的方法，其中所述柱部分與所述第一末端部分和所述第二末 端部分之間的所述過渡是平滑的錐形過渡或鋸齒形過渡。
34.根據權利要求26所述的方法，其中所述中心部分被織造成在所述中心部分的末端 具有分叉。
35.根據權利要求34所述的方法，其中所述分叉的末端形成陰型突出部或U形夾的兩 半部分。
36.根據權利要求26所述的方法，其中所述中心部分比所述第一末端部分和所述第二 末端部分厚。
37.根據權利要求26所述的方法，其中所述中心部分比所述第一末端部分和所述第二 末端部分薄。
38.根據權利要求26所述的方法，其中所述中心部分、所述第一末端部分和所述第二 末端部分是由經向和緯向纖維或紗線織造的。
39.根據權利要求26所述的方法，其中所述中心部分以選自但不限于層到層方式、全 厚度方式、正交方式和角聯鎖方式的纖維結構進行織造。
40.根據權利要求26所述的方法，其中所述經向和緯向纖維或紗線選自包括碳、尼龍、 人造纖維、聚酯、玻璃纖維、棉、玻璃、陶瓷、芳族聚酰胺和聚乙烯的合成或天然材料。
41.根據權利要求26所述的方法，其中所述織造預制件與玻璃層進行外層編織。
42.根據權利要求26所述的方法，還包括產生一個或更多個橫穿所述第一末端部分和 /或所述第二末端部分的孔。
全文摘要
一種用于增強復合結構的織造預制件，包括具有多個交織層的中心部分(6，10)。所述預制件還包括具有多個獨立織造層(50)的第一和第二末端部分(4，12)，所述多個獨立織造層與所述中心部分(6，10)中的多個交織層整體織造并且沿著所述預制件的整個長度延伸。在所述第一和第二末端部分中的多個獨立織造層(50)之間散布有斜交層。第一和第二末端部分可具有包括橫穿獨立織造層和斜交層并將它們鎖定在一起的增強纖維的全厚度增強(71)。
文檔編號B29C70/24GK101918630SQ200880123452
公開日2010年12月15日 申請日期2008年10月23日 優先權日2007年11月9日
發明者布賴恩·科芬伯里, 強納森·葛林 申請人:阿爾巴尼復合物工程股份有限公司