[发明专利]具有加强芯部的复合结构及其制造方法

说明书

本申请是2008年7月29日提交的名称为“具有加强芯部的复合结构及其制造方法”的中国专利申请200810144130.7的分案申请。

技术领域

本发明一般涉及复合结构，更特别涉及具有加强芯部的复合夹层件，以及该复合夹层件的制造方法。

背景技术

复合夹层结构可以通过将结构加强件放入结合在两块面板之间的芯部而进行加强。芯部加强件可以包括限定载荷路径的结构元件，这些载荷路径用来在面板之间传递压缩、拉伸和剪切载荷。复合夹层件的性能部分地取决于芯部加强件的类型以及芯部和面板之间的结合质量。常用芯部材料可以包括刚性塑料泡沫和蜂巢件。虽然蜂巢芯部展现出良好的结构效率，但是它们在某些场合下可能承受较高的芯部-面板载荷，诸如在长期空间飞行中，此时在芯部和周围环境之间会产生压力差。

如果遭遇水分或空间中的较高温度或者极低温度，未加强的闭合单元刚性泡沫会展现出结构效率降低。

与上述夹层结构关联的问题通过引入所谓X-COR结构芯部而部分地得到解决，该芯部包括轻体闭合单元聚甲基丙烯酰胺(PMI)泡沫，利用布置在四方构架网络中的小直径共挤压(poltrude)碳纤维/环氧销钉进行加强。X-COR销钉延伸超过泡沫芯部并且嵌入面板中。X-COR的变形方案在2001年9月18日授权的US6,291,049中进行了公开，其中销钉端部弯折，从而铺平贴靠芯部所结合的面板。

上述采用了碳纤维/环氧销钉的构架网络在某些航空应用中可能无法提供足够的性能。因此，需要一种具有加强芯部的复合结构，其适合航空应用的需求，此时要求面板和芯部之间的存在优良的结合强度。本发明的实施例用来满足这种需要。

发明内容

本发明的实施例提供一种复合夹层结构，其中实现了面板-芯部结合强度的改善，同时保证维持芯部的结构整体性。所述夹层结构所用的结构和选材使其适合航空应用，包括执行长期的空间任务，此时在芯部和周围环境之间可能会产生压力差。由所公开的实施例提供的结合强度改善效果可以在宽泛的温度和湿度条件范围内得到维持。

根据一种实施例，复合夹层件包括：第一和第二纤维加强的聚合物面板；和位于所述第一和第二面板之间的加强芯部。该芯部包括多个布置成组件以形成构架的销钉；和包围这些销钉的载体。每个销钉包括在面板之间延伸的中间部分；和基本上平行于面板延伸并分别结合到面板的远端部分。每个组件中的销钉在其中一块面板附近的节点处交叉。所述销钉和所述面板可以包括碳纤维加强的树脂，诸如环氧，以使芯部构架的热膨胀系数基本上等于面板。每个组件中的销钉远端部分从节点向外辐射，并且节点彼此基本上等距隔开。销钉组件包括至少3个销钉，它们相对于面板平面倾斜。载体可以包括刚性低密度闭合单元泡沫，诸如聚甲基丙烯酰胺，其热膨胀系数基本上与面板相符。包括载体泡沫和石墨/环氧共挤压杆栅格结构的加强芯部，其密度介于约6.9和12磅每立方英尺之间，且所述芯部的厚度介于二分之一英寸和一英寸之间，而所述节点彼此隔开的距离介于0.168英寸和0.191英寸之间。

根据另一种实施例，加强的聚合物复合结构包括：一对纤维加强的聚合物面板；和面板之间的加强芯部。加强芯部可以包括布置成组件的多个结构销钉，每个组件中的销钉彼此交叉接触并且围绕基本上正交所述面板的中轴线隔开。每个组件中的销钉对称布置在中轴线周围，并且包括基本上平行于面板延伸并结合到面板的远端部分。

根据一种方法实施例，加强的复合夹层件可以通过以下步骤制造，包括：形成泡沫层，并在该泡沫层中形成交叉的结构销钉组件，从而制造芯部；弯折所述销钉的端部；和将销钉弯折的端部结合到一对纤维加强的面板。可以通过将销钉沿着接近相交的轨迹插入泡沫层来形成销钉组件。该方法进一步包括步骤：共挤压一定长度的石墨环氧复合材料；局部固结所述一定长度的环氧石墨材料；和切割所述一定长度的石墨环氧材料来形成所述销钉。

一种复合夹层件，包括：

第一和第二纤维加强的聚合物面板；和

位于所述第一和第二面板之间的加强芯部，所述加强芯部包括：

(i)多个布置成组件而形成构架的销钉，每个销钉包括在所述第一和第二面板之间延伸的中间部分和基本上平行于所述第一和第二面板分别延伸并结合到所述第一和第二面板的远端部分，每个组件中的销钉在所述第一和第二面板其中之一附近的节点处交叉；和

(ii)包围所述销钉的载体。

所述复合夹层件，其中每个组件中的销钉相对于所述面板的平面倾斜大约30度。

所述复合夹层件，其中所述刚性泡沫包括聚甲基丙烯酰胺。