[发明专利]用于复合结构应用的混杂三维织造/层合支撑物

说明书

本申请是申请日为2008年10月23日、申请号为200880123452.1、发明名称为“用于复合结构应用的混杂三维织造/层合支撑物”(PCT/US2008/080941，进入国家阶段日期2010年6月29日)之申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及用于增强复合结构的三维织造预制件的几何构造，在所述增强复合结构的一个或多个末端上具有准各向同性的或多方向的增强并且在所有其它区域具有近似单方向的增强。该预制件具有另外通过在厚度方向上嵌入增强纤维而提供的全厚度增强。

背景技术

当前广泛使用增强复合材料来生产结构组件，尤其是在追求所希望的轻质、坚固、强韧、耐热、自支撑以及适于成型和定型的特性的应用中。这样的组件例如用在航空、航天和卫星工业中，以及用于娱乐性应用例如赛艇和赛车中，以及用于其它数不尽的应用中。三维织物一般由沿三个方向定向的纤维构成，其中每一纤维都沿着垂直于其它纤维的方向，即沿着X、Y和Z轴方向延伸。

通常，由上述织物形成的组件由嵌入基体材料中的增强材料构成。增强组件可以由具有所希望的物理性能、热性能、化学性能和/或其它性能(尤其是具有抵抗应力破坏的高强度)的材料制得，所述材料为例如玻璃、碳、陶瓷、芳族聚酰胺(例如获自E.I.Dupont的)、聚乙烯和/或其它材料。通过使用这种增强材料并使其最终成为完成组件的组元，完成的复合组件便被赋予了所希望的增强材料的特性，例如非常高的强度。组成增强材料通常可以机织、针织或以其它方式定向成所希望的增强预制件的结构和形状。通常，特别需要注意的是确保最有利地利用已选择的组成增强材料的性能。一般说来，这样的增强预制件与基体材料结合以形成所希望的成品组件或生产用于最后生产成品组件的日常原料。

在构造了所希望的增强预制件后，可以引入基体材料并且将其与预制件结合，使得增强预制件被基体材料包围，以使基体材料填充增强预制件的组元之间的空隙区域。基体材料可以是非常多种材料中的任一种，例如环氧树脂、聚酯、乙烯基酯、陶瓷、碳和/或其它材料，它们也具有所希望的物理性能、热性能、化学性能和/或其它性能。选择用作基体的材料可以与增强预制件的材料相同或不同，也可以具有或不具有相当的物理性能、化学性能、热性能或其它的性能。然而，通常，它们与增强预制件不是同一种材料或者不具有相当的物理性能、化学性能、热性能或其它性能，这是因为在使用复合材料时首先所要达到的目的通常是获得仅通过使用一种组成材料不能获得的最终产品的综合性能。

在结合时，增强预制件和基体材料可以随后在同一操作中通过热定型或其它已知方法进行固化和稳定化，然后经历其它的操作来生产所希望的组件。需要强调指出的是在如此固化后，基体材料的固化物质通常非常牢固地粘结到增强材料(例如，增强预制件)。结果，最终组件上的应力，尤其是通过充当纤维之间粘合剂的基体材料，可以有效地转移到增强的增强预制件的组成材料上并且由其承载。

通常，材料供应商生产出简单的二维织造织物或单方向的纤维，并将其发送给客户，裁剪出各种图案并且层层铺设成最终部件。最简单的织造材料是基本上二维的平面结构，其中基本上仅在两个方向上具有纤维。这种织物通过交织两组相互垂直的纱线来形成。在二维织造中，0°的纱线称作经向纤维或纱线，90°的纱线称作纬向纤维或纱线。对于树脂传递模塑来说，一系列的织造织物可以组合形成干燥的铺设物，所述干燥的铺设物被置于模具中并注入树脂。这些织物可以使用“裁剪缝制”技术或热成形法来预成型并且使用树脂粘合剂“粘结”。

然而，二维织造结构具有局限性。预成型步骤在铺设中需要大量的手工劳动。二维织造结构在除了0°和90°方向之外的其它方向上没有足够的强度或没有足够的抗拉伸性能，尤其是在远离纤维轴向的角度上。减少这种可能的局限性的一种方法是在织物中增加斜交纤维，以中间角度、优选以与填充纤维的轴成±45°的角度将纤维穿插织入织物中。

简单的织造预制件还是单层的。这限制了材料的可能强度。一种可能的解决方案是增加纤维的尺寸。另一种解决方案是使用多层。使用多层的附加优点是某些层可以定向为使不同层的经纱轴和纬纱轴处在不同的方向，由此起到类似上述讨论的斜交纤维的作用。然而，如果这些层是与树脂一起层合的单层堆叠体，则出现分层问题。如果将各层缝合在一起，那么许多织造纤维可能在缝合工艺中被破坏并且可能损害总抗张强度。此外，对于多层的层合和缝合来说，通常需要手工铺设操作来把各层对准。作为替代方案，可以作为织造工艺的一部分来交织各层。形成多个织物交织层，尤其是具有一体化的斜交纤维的多个织物交织层，一直是一个难题。