[发明专利]用于复合层压材料的铺层递减改进和相关方法

说明书

技术领域

本主题大体而言涉及复合层压材料(composite laminate materials)，且更特定而言涉及用于减轻复合层压材料内应力集中的铺层递减改进(ply drop modifications)。

背景技术

复合层压材料(“层压件”)大体上包括组装在一起的多个复合材料层或铺层以提供具有改进的工程性质的层压件。每个铺层通常包括由基质材料包围且在基质材料内支承的加强材料。关于纤维加强的层压件，加强材料通常包括高强度纤维(诸如玻璃或碳纤维)，且合适基质材料包括各种聚合物或树脂材料，诸如环氧树脂、聚酯或乙烯酯树脂。通常，已知的加强材料被设计成具有高静态强度和疲劳强度，且因此可向由层压材料形成的构件提供优良的刚度和强度。因此，层压件通常用于较宽范围的应用以生成结构和/或承载构件。举例而言，层压件通常用于风力涡轮机工业中以生成高强度转子叶片和其它转子叶片构件。同样，层压件用于制造航空构件、船、自行车架、直升飞机桨叶和需要增加的强度和刚度的各种其它构件。

通常通过在合适工具或模具内一个在另一个的顶部组装多个铺层直到实现了所需厚度而制成层压构件。但是，取决于被制造的构件的所需配置，常常需要使得层压件的厚度逐渐减小。举例而言，可需要厚度逐渐减小来生成具有所需表面轮廓或形状的构件。为了提供这种厚度逐渐缩小，一个或多个缩短或终止铺层通常在层压件内的各个位置引入以形成铺层递减。每个铺层递减大体上代表层压件厚度的逐步减小，从而允许层压材料从厚的截面逐渐减小为更薄截面。

在图1中示出层压材料10的构件的代表性实例，其包括铺层递减12的逐渐缩小效果的描绘。层压材料10通常包括一个在另一个顶部组装的多个相邻设置的内铺层14。每个铺层14包括由基质材料18包围且在基质材料18内支承的多个纤维16(出于清楚目的，仅示出一个纤维)。如图所示，纤维16是单向的且在每个铺层14内的取向在纵向17。层压件10也可包括覆盖铺层19(诸如双轴纤维玻璃铺层)，其通常用作层压件10的外覆盖物。

为了能使层压件10的厚度逐步减小或者递增变化，通常通过包括终止铺层20将铺层递减12限定于层压件10内。因此，如图1所示，终止铺层20可设置于覆盖层19与内铺层14之一之间，以便在层压件10内限定外铺层递减12。应了解可同样地通过将终止铺层20插入于相邻的内铺层14之间而形成内铺层递减。如图所示，铺层递减12大体上限定于终止铺层20的端部且因此提供层压件10厚度的“缩减(drop-off)”。图1还示出限定于终止铺层20与任何相邻铺层(诸如覆盖铺层19与内铺层14)之间的间隙22。此间隙22通常是由于铺层递减12所致的厚度的突然减小造成且导致层压件10内基质材料填充的区域和/或空隙。

现参看图2，示出了常规铺层递减12的配置。如图所示，终止铺层20大体上限定常规铺层递减12且包括在终止铺层20的纵向17延伸的多个单向纤维16。应了解，出于说明目的，纤维16被放大。举例而言，在层压材料10内的典型纤维16可具有小于10微米的直径。常规铺层递减12大体上特征为在终止铺层20上在横向25延伸的直边缘或直平面表面。因此，应了解通常穿过终止铺层20在横向切割或切削而生成铺层递减12的直边缘。如在图2中特别地示出的那样，此直切割或切削直接穿过纤维16做出，导致纤维止于沿着铺层递减12的平面表面的各个点24。因此，在终止铺层20与相邻铺层14的外表面23之间生成直边缘的垂直递减。

虽然常规铺层递减12的直边缘递减的确提供层压件10的高效厚度逐渐减小，但是这种几何形状也对层压件10的结构完整性具有不利的影响。特别是，常规直边缘铺层递减12生成层压件内的结构不连续性，这会在铺层递减12处引起显著的应力集中。如上文所示，间隙22(图1)通常生成于终止铺层20与任何相邻铺层之间。因此，与铺层递减12相邻生成低强度区域，其可导致层压件10失效，诸如由于在基质材料18内的裂缝形成和传播。当在层压件随后的加工期间间隙22被不充分地填充基质材料时尤为如此且孔隙或空隙保留在完成的层压件中。但是，即使在间隙22被适当地填充基质材料时，仍可在铺层递减12处生成低强度区域。特别是，基质材料的静态和疲劳强度的量值通常小于加强材料强度的100倍或更多。