經(jīng)樹(shù)脂涂布的圓角填充物及其制造系統(tǒng)及方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種可變形、經(jīng)涂布的圓角填充物，其由連續(xù)或細(xì)長(zhǎng)的纖維結(jié)構(gòu)(2)及粘性、樹(shù)脂表面涂層所組成，所述樹(shù)脂表面涂層通過(guò)將干燥、連續(xù)或細(xì)長(zhǎng)的纖維結(jié)構(gòu)拉引通過(guò)加熱樹(shù)脂浴(3)而形成。所述經(jīng)涂布的圓角填充物具有大體上無(wú)樹(shù)脂的內(nèi)部且所述樹(shù)脂表面涂層具有大體上均勻的厚度。
【專(zhuān)利說(shuō)明】經(jīng)樹(shù)脂涂布的圓角填充物及其制造系統(tǒng)及方法
[0001]相關(guān)申請(qǐng)案的交叉參考
[0002]本申請(qǐng)案主張2011年6月3日申請(qǐng)的第61/493，277號(hào)美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)案的權(quán)利，所述申請(qǐng)案的揭示內(nèi)容以引用的方式全部并入本文中。
【技術(shù)領(lǐng)域】【背景技術(shù)】
[0003]制造具有復(fù)雜形狀的復(fù)合材料的現(xiàn)有方法是通過(guò)形成具特定形狀的強(qiáng)化纖維預(yù)成形件、將預(yù)成形件放置在真空袋或模具中、用液態(tài)樹(shù)脂灌注預(yù)成形件并且隨后加熱經(jīng)浸潰的預(yù)成形件以使其固化成最終的復(fù)合材料部件。在制備一些預(yù)成形件期間，在纖維層的不同疊層之間形成的多個(gè)接面處常發(fā)現(xiàn)空隙空間或空腔。通常將填充物用于填充此類(lèi)空腔。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明涉及適用于例如飛機(jī)結(jié)構(gòu)組件的航天應(yīng)用的圓角填充物。所述圓角填充物是一種可變形、經(jīng)涂布的結(jié)構(gòu)，其包括連續(xù)或細(xì)長(zhǎng)的纖維結(jié)構(gòu)及通過(guò)將干燥、連續(xù)或細(xì)長(zhǎng)的纖維結(jié)構(gòu)拉引通過(guò)加熱樹(shù)脂浴而形成的粘性、樹(shù)脂表面涂層，其中經(jīng)涂布的圓角填充物具有大體上無(wú)樹(shù)脂的內(nèi)部并且所述樹(shù)脂表面涂層具有大體上均勻的厚度。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0005]圖1說(shuō)明可用于形成經(jīng)涂布的圓角填充物的示范性編織物結(jié)構(gòu)。
[0006]圖2示意性說(shuō)明根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的用于形成經(jīng)涂布的圓角填充物的表面涂布方法及系統(tǒng)。
[0007]圖3展示用于圖1所描繪的涂布方法中的索環(huán)設(shè)計(jì)的實(shí)施例。
[0008]圖4為根據(jù)圖1中所描繪的涂布方法形成的經(jīng)涂布的纖維編織物的橫截面部分的顯微照片。
[0009]圖5示意性展示具有待用圓角填充物填充的空腔的預(yù)成形件結(jié)構(gòu)的類(lèi)型的橫截面。
[0010]圖6為展示經(jīng)灌注的縱梁結(jié)構(gòu)的橫截面的顯微照片，其中將兩種類(lèi)型的經(jīng)涂布的纖維編織物用作圓角填充物。
【具體實(shí)施方式】
[0011]對(duì)于由預(yù)浸材料制成的復(fù)合材料部件來(lái)說(shuō)，常見(jiàn)慣例是使用接合部分中所用的相同材料，且將其碾壓以形成填充物。此方法耗時(shí)、效率低且具有填充物制造長(zhǎng)度有限的特殊缺點(diǎn)。為減輕此缺點(diǎn)，一些解決方案涉及制造由連續(xù)絲束制成的預(yù)浸填充物，其中將若干絲束單獨(dú)地或捆在一起進(jìn)行預(yù)浸。在一些情形下，可使這些絲束通過(guò)沖模以使填充物按照所需的橫截面輪廓預(yù)成形，從而模仿其將填充的空腔輪廓。每個(gè)空腔使用一種或一種以上填充物，這要取決于空腔的大小、填充物的大小及形狀、填充物填充空腔的能力、部件所需的機(jī)械性能以及一些其它限制，例如填充物的處理、在空腔內(nèi)的放置、材料庫(kù)存管理等。在另一方法中，提供一種機(jī)器以獲得若干預(yù)浸膠帶且生產(chǎn)具有連續(xù)長(zhǎng)度的填充物，且按照所需輪廓預(yù)成形。此類(lèi)預(yù)浸圓角填充物均具有大量樹(shù)脂，通常為產(chǎn)品重量的30%到40%。樹(shù)脂分布使得其通常浸濕形成填充物的纖維的絕大部分。在使用例如熱風(fēng)器加熱填充物的下料過(guò)程中，預(yù)浸填充物的粘性通?？傻玫侥撤N程度的增強(qiáng)。預(yù)浸填充物的處理、柔性及延展性通常很差，甚至在用熱風(fēng)器加熱時(shí)，樹(shù)脂致使的不便仍妨礙填充物纖維結(jié)構(gòu)的自由運(yùn)動(dòng)。最終，在復(fù)合材料部件由預(yù)浸材料制成的情況下，也開(kāi)發(fā)出粘性樹(shù)脂填充物作為預(yù)浸填充物的替代物。在此情況下，填充物的90%到100%由樹(shù)脂制成，有時(shí)會(huì)將輕質(zhì)網(wǎng)布嵌入樹(shù)脂填充物中以提供較高的處理特性。.[0012]近年來(lái)，經(jīng)由樹(shù)脂灌注(RI)方法制造的復(fù)合材料部件的數(shù)量已顯著增加。RI不僅用于制造小型復(fù)雜部件，而且現(xiàn)在用于制造整個(gè)機(jī)翼或其它極大型飛機(jī)部件。雖然在一些情況下，經(jīng)由織物預(yù)成形方法形成部件可以消除對(duì)填充物的需求一例如在η預(yù)成形件的情況下一但大多數(shù)RI部件(尤其是大型部件)仍依賴(lài)于增粘的寬幅預(yù)浸布或織物，其經(jīng)折疊以形成所需形狀，從而產(chǎn)生需要用填充物填充的空腔?？蓪⒃稣车膶挿A(yù)浸布碾壓成面條狀填充物。此方法只可以產(chǎn)生短長(zhǎng)度填充物且至今是最不具成本效益的方法。其它方法依賴(lài)于用增粘劑部分浸潰個(gè)別或多個(gè)絲束或繩或編織物。增粘劑的目的是為填充物提供某種程度的粘性，以便在組裝預(yù)成形件時(shí)將其定位在空腔內(nèi)。遺憾的是，大多數(shù)增粘劑必須經(jīng)熱活化以提供其膠粘特性。此需要在填充物下料期間使用例如熱風(fēng)器對(duì)其預(yù)熱。在一些情況下，增粘劑可為一種可噴射、溶劑型樹(shù)脂，其需要完全移除溶劑，從而呈現(xiàn)安全性問(wèn)題及層壓板空隙含量問(wèn)題。有時(shí)此問(wèn)題難以處理，需要一個(gè)以上操作員，且從安全危害觀點(diǎn)及可能的材料降解來(lái)看甚至更成問(wèn)題。將預(yù)浸填充物或固體填充物用于待經(jīng)由RI處理的部件的空腔的嘗試尚未相當(dāng)成功，因?yàn)镽I部件與預(yù)浸填充物之間由于固化周期差異而不存在整合，并且材料之間的兼容性差，從而導(dǎo)致機(jī)械問(wèn)題。
[0013]最終，發(fā)現(xiàn)預(yù)成形填充物難以處理并且難以定位在待用樹(shù)脂灌注的空腔內(nèi)。結(jié)構(gòu)部件的空腔可具有復(fù)雜輪廓，因此，使預(yù)成形填充物的形狀與空腔輪廓相匹配很重要。這種匹配要求給制造操作員帶來(lái)不必要的負(fù)擔(dān)。在一些應(yīng)用中，空腔輪廓甚至隨著部件中的位置而變化。因此極難制造具有可變橫截面以適合空腔輪廓的填充物。而且，這種填充物的相關(guān)成本將遠(yuǎn)超對(duì)其功能的需求及執(zhí)行。另外，許多常規(guī)的預(yù)成形填充物極其僵硬且不能彎曲，從而使其輪廓遭受被損害的風(fēng)險(xiǎn)，且因此出于處理及運(yùn)輸?shù)脑?，只能由離散長(zhǎng)度形成，此限制了其吸引力。對(duì)于那些稍微不太僵硬且可纏繞在極大直徑(例如20英寸及更大)的核心上的填充物來(lái)說(shuō),為了保持填充物的形狀并且避免其扭曲，必需特殊的溝槽狀核心。而且，沉積在這種類(lèi)型核心上的填充物的量通常受溝槽間距及核心大小(直徑及長(zhǎng)度)的限制。這些包裝需求增加這種產(chǎn)品的總成本且減少其吸引力。
[0014]本發(fā)明涉及用于經(jīng)樹(shù)脂灌注(RI)方法處理的復(fù)合材料預(yù)成形件中的經(jīng)涂布的填充物。更特定來(lái)說(shuō)，經(jīng)涂布的填充物采取連續(xù)或細(xì)長(zhǎng)填充物的形式以便填充在三維復(fù)合材料預(yù)成形件結(jié)構(gòu)的空腔內(nèi)。經(jīng)涂布的填充物可變形且可延展以使其可符合多種空腔幾何形狀。在一個(gè)實(shí)施例中，待涂布的連續(xù)或細(xì)長(zhǎng)填充物呈干燥、連續(xù)、經(jīng)編織的結(jié)構(gòu)的形式，例如由纏繞成編織圖案的多個(gè)個(gè)別纖維束形成的纖維編織物。圖1說(shuō)明可用于形成經(jīng)涂布的填充物的示范性編織物結(jié)構(gòu)。纖維編織物可具有實(shí)心內(nèi)部或中空核心。本文將經(jīng)涂布的填充物稱(chēng)為“圓角填充物”。本文還揭示在干燥、連續(xù)或細(xì)長(zhǎng)填充物上形成樹(shù)脂表面涂層的方法，借此使所得經(jīng)涂布的填充物在室溫下保持粘性外表面。經(jīng)涂布的填充物變得比原來(lái)未經(jīng)涂布的填充物僵硬，但其仍可彎曲/可延展。
[0015]如本文所用的術(shù)語(yǔ)“粘的”或“粘性”指經(jīng)涂布的填充物粘著于表面一段時(shí)間的能力。
[0016]樹(shù)脂灌注(RI)是通用術(shù)語(yǔ)，其涵蓋多種處理技術(shù)，例如樹(shù)脂傳遞模制、液體樹(shù)脂灌注、真空輔助樹(shù)脂傳遞模制、使用柔性工具的樹(shù)脂灌注、真空輔助樹(shù)脂灌注、樹(shù)脂膜灌注、大氣壓控制樹(shù)脂灌注、真空輔助方法及單線注射。樹(shù)脂灌注可用于結(jié)構(gòu)部件的制造過(guò)程中，其中將液體樹(shù)脂引到保持在真空下的干燥纖維預(yù)成形件中。干燥纖維預(yù)成形件可采取組裝成堆疊或疊層的多個(gè)干燥強(qiáng)化纖維層(layer/ply)形式。然后將預(yù)成形件放置在模具或真空袋中，并且直接在原位用基質(zhì)樹(shù)脂注射或灌注。本發(fā)明的經(jīng)涂布的圓角填充物可用于填充在干燥纖維預(yù)成形件中形成的空腔。
[0017]在一個(gè)實(shí)施例中，待涂布的填充物由經(jīng)獨(dú)特設(shè)計(jì)的編織物制成，所述編織物賦予適當(dāng)?shù)目勺冃涡砸赃m合多種空腔輪廓。特定來(lái)說(shuō)，填充物的可變形性是歸因于軸向纖維相對(duì)于形成編織物包層的偏斜纖維的高比例。編織物可由3根或3根以上相互纏繞的紗線形成，所述紗線被描述成形成柔韌且可高度變形的中空管的偏斜紗線。在一些情況下，軸向紗線也與偏斜紗線相互纏繞以形成具有較高內(nèi)聚力(即編織物更穩(wěn)定或更不易變形)的中空柔性管。這種類(lèi)型的編織物結(jié)構(gòu)被稱(chēng)為“三軸”編織物，因?yàn)榧喚€(即纖維束)是在三個(gè)不同的方向上延伸，這與所謂的“雙軸”編織物相反，因?yàn)榧喚€只在兩個(gè)不同方向上安置。在其它情況下，雙軸或三軸編織物的中空部分可用縱向紗線填充?？v向紗線被定義為編織物的核心，而編織物的雙軸或三軸結(jié)構(gòu)被定義為外層或外殼或包層。當(dāng)使用編織物時(shí)，基于編織物的總重量，軸向纖維(作為放置在編織物核心中的纖維或/及偏斜纖維中的纖維)的重量百分比為至少50%，優(yōu)選超過(guò)65%。將樹(shù)脂涂層均勻地沉積在編織物的外表面上，從而使編織物的內(nèi)部大體上無(wú)樹(shù)脂。由此又允許編織物的核心在RI循環(huán)期間被灌注。由于在室溫下緊密層結(jié)構(gòu)與低流動(dòng)樹(shù)脂的組合，所以樹(shù)脂保留在由偏斜紗線所構(gòu)成的編織物的外表面上及外表面內(nèi)。
[0018]特定編織物架構(gòu)與編織物填充目的及圓角填充物大小有關(guān)。一般來(lái)說(shuō)，較粗編織物(直徑大于0.150英寸的編織物)用于填充空腔的最大體積，且被設(shè)計(jì)成具有被雙軸套筒包裹的核心，而較細(xì)編織物用于空腔的頂端且具有三軸設(shè)計(jì)。然而，可針對(duì)其它應(yīng)用開(kāi)發(fā)其它編織物設(shè)計(jì)。在較粗編織物的核心及包層結(jié)構(gòu)的情況下，核心及雙軸包層相互獨(dú)立且允許相對(duì)于彼此自由獨(dú)立地運(yùn)動(dòng)。而且，核心含有填充物的絕大部分(至少50%)纖維且由允許自由運(yùn)動(dòng)而無(wú)太多限制的獨(dú)立平行紗線制成。此有利于填充物在空腔內(nèi)的良好填裝。外部包層獨(dú)立于核心，其纖維相對(duì)于編織物縱向具有長(zhǎng)夾角，例如小于35°。此進(jìn)一步有利于圓角填充物的良好處理。外層具有良好覆蓋因數(shù)，從而有助于在填充物外殼內(nèi)或其表面的編織物上含有樹(shù)脂。
[0019]在三軸編織物填充物的情形下，填充空腔頂端需要填充物具有高度可變形性。因而優(yōu)選可折疊的編織物結(jié)構(gòu)。因而，中空編織物結(jié)構(gòu)最適合此目的。占編織物填充物約50%重量的軸向紗線將提供良好的縱向穩(wěn)定性(此在樹(shù)脂涂布過(guò)程中尤其需要)及可變形性的一致性以及產(chǎn)品的可折疊性。與核心-外殼編織物類(lèi)似，三軸編織物的高覆蓋率有助于在外殼內(nèi)或其表面上含有樹(shù)脂。
[0020]圖2示意性說(shuō)明根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的用于形成經(jīng)涂布的圓角填充物的表面涂布方法及系統(tǒng)。表面涂布方法包含使干燥、連續(xù)纖維結(jié)構(gòu)2 (例如從源卷線軸I提供的纖維編織物)通過(guò)(即在張力下縱向拉伸)加熱樹(shù)脂浴3并且穿出可變形索環(huán)4，借此只將所需量的樹(shù)脂沉積在填充物的外表面上。然后使離開(kāi)加熱樹(shù)脂浴3的經(jīng)涂布的纖維結(jié)構(gòu)與由卷線軸6提供的交錯(cuò)材料纏繞，然后纏繞到存儲(chǔ)卷線軸7上。交錯(cuò)材料是可移除的且有助于纏繞及存儲(chǔ)，但不成為經(jīng)涂布的成品填充物的組成部分。交錯(cuò)材料允許經(jīng)涂布的填充物纏繞在其本身上及解開(kāi)。
[0021]圓角填充物的樹(shù)脂涂層受樹(shù)脂粘性、涂布方法及未經(jīng)涂布的纖維結(jié)構(gòu)的特性控制。對(duì)于給定的圓角填充物，所需的樹(shù)脂沉積量受處理?xiàng)l件控制，例如影響樹(shù)脂粘性的樹(shù)脂溫度、影響未經(jīng)涂布的填充物在樹(shù)脂中的停留時(shí)間的線速度、影響從經(jīng)涂布的填充物中擠出的樹(shù)脂的量的填充物離開(kāi)樹(shù)脂浴所經(jīng)過(guò)的索環(huán)的直徑。索環(huán)中的孔的內(nèi)徑受控制且與其它控制因素一起作用以提供所需的涂布樹(shù)脂含量。主要控制因素包含:
[0022](a)索環(huán)孔隙尺寸(ID尺寸)
[0023](b)樹(shù)脂溫度(影響涂布期間的樹(shù)脂粘性)
[0024](c)樹(shù)脂浴中的樹(shù)脂高度
[0025](d)樹(shù)脂壽命
[0026](e)線速度
[0027]連續(xù)填充物與樹(shù)脂浴的接觸時(shí)間由樹(shù)脂高度及線速度決定。在涂布過(guò)程中樹(shù)脂浴的粘性經(jīng)由加熱予以控制以便使表面涂層相對(duì)光滑且均勻，且可處于0.50泊到1000泊(0.05Pa.s到IOOPa.s)的范圍內(nèi)，這要取決于待涂布的填充物表面(例如編織物的粗糙度、紋理)。表面涂布期間經(jīng)加熱的樹(shù)脂浴的溫度可在100° F到300° F(37.78°C到148.89°C)的范圍內(nèi)，這要取決于所使用的樹(shù)脂的類(lèi)型?？墒褂萌魏纬Ｒ?guī)的加熱方法加熱樹(shù)脂浴，例如，以圍繞金屬容器的帶狀加熱器提供加熱源。線速度可為每分鐘10到150英尺(fpm) (5.08cm/s 到 76.25cm/s)，優(yōu)選為 30fpm 到 60fpm(15.25cm/s 到 30.5cm/s)。涂布浴內(nèi)的樹(shù)脂高度通過(guò)增加未經(jīng)涂布的填充物在樹(shù)脂中的駐留時(shí)間而直接影響經(jīng)涂布的填充物的樹(shù)脂含量，因此，可改變駐留時(shí)間以使經(jīng)涂布的填充物達(dá)到所需的樹(shù)脂含量。樹(shù)脂的表面張力也在進(jìn)入索環(huán)之前發(fā)揮降低樹(shù)脂高度的作用。
[0028]索環(huán)是由可變形材料制成且大小相同于或略低于待涂布的連續(xù)填充物/編織物的實(shí)心直徑。例如，0.125英寸(3.175mm) ID索環(huán)可用于涂布具有0.148英寸(3.76mm)外徑(OD)的編織物，且0.08英寸(2.03mm) ID索環(huán)可用于涂布具有0.08英寸(2.03mm) OD的編織物。在一些實(shí)施例中，為了增加經(jīng)涂布的填充物的樹(shù)脂含量，可增加索環(huán)內(nèi)徑以使其略大于待涂布的連續(xù)填充物/編織物的直徑。已發(fā)現(xiàn)橡膠索環(huán)適用于本發(fā)明的涂布系統(tǒng)。然而，應(yīng)了解其它彈性材料可用于制造索環(huán)。圖3展示一種合適的索環(huán)設(shè)計(jì)的實(shí)施例(左圖為橫截面視圖，右圖為俯視圖)。應(yīng)注意，可改變索環(huán)的幾何形狀以適應(yīng)不同的填充物橫截面幾何形狀(例如三角形、正方形、橢圓形等)。
[0029]通過(guò)圖2中所描繪的涂布方法產(chǎn)生的所得經(jīng)涂布的填充物為樹(shù)脂含量可控制的可變形/可延展的圓角填充物。經(jīng)涂布的填充物的樹(shù)脂涂層厚度大體上均勻。表面涂層的連續(xù)性為約90%到100%。有一些樹(shù)脂滲透進(jìn)纖維結(jié)構(gòu)的外部中，但纖維結(jié)構(gòu)的內(nèi)部仍保持大體上無(wú)樹(shù)脂。
[0030]圖4為根據(jù)圖2所描繪的涂布方法形成的經(jīng)涂布的纖維編織物的橫截面部分的顯微照片。此橫截面視圖展示樹(shù)脂在經(jīng)涂布的編織物的外部處形成涂層，而在經(jīng)涂布的編織物的內(nèi)部處的核心纖維仍保持無(wú)樹(shù)脂。
[0031 ] 基于經(jīng)涂布的填充物的總重量，沉積到未經(jīng)涂布的填充物上的樹(shù)脂的量的范圍可為5重量％到50重量％，優(yōu)選為10重量％到30重量％，更優(yōu)選為約15重量％到20重量％，且經(jīng)調(diào)整以滿足預(yù)期應(yīng)用的需求。在制造結(jié)構(gòu)部件時(shí)，樹(shù)脂含量及表面涂層大體上防止經(jīng)涂布的填充物在RI過(guò)程中限制樹(shù)脂流動(dòng)。本文所揭示的經(jīng)開(kāi)發(fā)的涂布方法極其穩(wěn)健且穩(wěn)定，且允許所需量的樹(shù)脂均勻沉積在填充物上。
[0032]出于多種目的，可在約0.010英寸到1.5英寸(0.254mm到38.1mm)的直徑范圍內(nèi)經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)經(jīng)樹(shù)脂涂布的圓角填充物，且出于某些預(yù)期目的可在約0.04英寸到0.4英寸(1.02mm到10.16mm)的范圍內(nèi)進(jìn)行生產(chǎn)。
[0033]待涂布的連續(xù)或細(xì)長(zhǎng)纖維結(jié)構(gòu)可由有機(jī)或無(wú)機(jī)纖維制成，所述纖維包含由聚合物、碳、石墨、玻璃、石英、芳族聚酰胺(例如凱夫拉爾(Kevlar))、ΡΒ0、聚乙烯、無(wú)機(jī)氧化物、碳化物、陶瓷、金屬或其組合。
[0034]涂布樹(shù)脂可為含有一種或一種以上熱固性樹(shù)脂的涂布調(diào)配物，其包含(但不限于)以下者所組成的群組的成分:環(huán)氧樹(shù)脂、加成聚合樹(shù)脂、雙馬來(lái)酰亞胺樹(shù)脂、氰酸酯樹(shù)月旨、酚醛樹(shù)脂、聚酯樹(shù)脂、乙烯酯樹(shù)脂以及其組合。
[0035]而且，樹(shù)脂可為熱熔樹(shù)脂，這表示樹(shù)脂為無(wú)溶劑樹(shù)脂，其在高于室溫的溫度下為液體且在室溫下為固體或半固體。熱熔涂布方法依賴(lài)于以溫度控制樹(shù)脂聚合物的粘性。當(dāng)使用熱熔環(huán)氧樹(shù)脂時(shí)，樹(shù)脂可在烘箱內(nèi)預(yù)熱(例如在100° F到250° F或37.78°C到121.11°C下)，然后開(kāi)始涂布過(guò)程以允許將樹(shù)脂注入到過(guò)程容器中。
[0036]適于涂布調(diào)配物的環(huán)氧類(lèi)樹(shù)脂的實(shí)例包含得自氰特工業(yè)有限公司(CytecIndustries Inc.)的Cycom? 890RTM樹(shù)脂及Cycom? 823RTM樹(shù)脂(兩者均是針對(duì)樹(shù)脂傳
遞模制而設(shè)計(jì)的液體環(huán)氧樹(shù)脂)?？墒褂玫钠渌赡墉h(huán)氧類(lèi)樹(shù)脂包含選自以下者的環(huán)氧樹(shù)脂:在50°C下粘度為IOPa.s到20Pa.s的N，N, N’ N’ -四縮水甘油基二氨基二苯甲烷(例如汽巴嘉基(Ciba-Geigy)出售的 “MY9663”、“MY720” 或“MY721”); (MY721 為 MY720 的較低粘性變體且針對(duì)較高使用溫度而設(shè)計(jì))；在110°C下粘度為18泊到22泊(1.SPa.s到
2.2Pa*s)的N，N，N’，N-四縮水甘油基-雙(4-氨基苯基)-1，4-二異丙基苯(例如殼牌化學(xué)公司(Shell Chemical C0.)出售的 Eponl071);在 110°C下粘度為 30 泊到 40 泊(3Pa.s到4Pa.s)的N，N，N’，N’-四縮水甘油基-雙(4-氨基-3，5-二甲基苯基)-1，4-二異丙基苯(殼牌化學(xué)公司出售的Eponl072);在25°C下粘度0.55Pa.s到0.85Pa.s的對(duì)氨基苯酚的三縮水甘油醚(例如汽巴嘉基出售的“MY0510”)；優(yōu)選在25°C下粘度為8Pa.s到20Pa *s ;優(yōu)選此構(gòu)成所使用的環(huán)氧基組分的至少25% ;雙酚A類(lèi)材料中的二縮水甘油醚，例如2，2-雙(4，4’-二羥苯基)丙烷(例如美國(guó)陶氏(Dow)出售的“DER661”，或殼牌(Shell)出售的“Epikote828”)，及優(yōu)選在25°C下粘度為8到20Pa.s的酚醛樹(shù)脂；苯酚酚醛樹(shù)脂的縮水甘油醚(例如美國(guó)陶氏出售的“DEN431”或“DEN438”)； 1，2-鄰苯二甲酸二縮水甘油酯，例如GLYCEL A-1OO ;二羥基二苯基甲烷(雙酚F)的二縮水甘油基衍生物(例如汽巴嘉基出售的“PY306”)，其屬于低粘度等級(jí)。其它環(huán)氧樹(shù)脂前驅(qū)物包含環(huán)脂肪族，例如3’，4’-環(huán)氧基環(huán)己基-3，4-環(huán)氧環(huán)己烷甲酸酯(例如汽巴嘉基出售的“CY179”)及聯(lián)合碳化物公司(Union Carbide Corporation)的“酌醒塑料(Bakelite) ”范圍內(nèi)的那些材料。
[0037]加成聚合樹(shù)脂的實(shí)例為丙烯酸樹(shù)脂、乙烯基樹(shù)脂、雙馬來(lái)酰亞胺樹(shù)脂及不飽和聚酯。
[0038]合適的雙馬來(lái)酰亞胺樹(shù)脂為含有馬來(lái)酰亞胺基作為反應(yīng)性官能度的熱固型樹(shù)脂。除非另有說(shuō)明，否則如本文所用的術(shù)語(yǔ)雙馬來(lái)酰亞胺包含單官能、雙官能、三官能、四官能及更高官能的馬來(lái)酰亞胺及其混合物。平均官能度為約2的雙馬來(lái)酰亞胺樹(shù)脂是優(yōu)選的。如此定義的雙馬來(lái)酰亞胺樹(shù)脂是通過(guò)馬來(lái)酸酐或經(jīng)取代馬來(lái)酸酐(例如甲基馬來(lái)酸酐)與芳香族或脂肪族二苯胺或聚苯胺反應(yīng)而進(jìn)行制備。也可使用密切相關(guān)的納迪克酰亞胺樹(shù)脂(nadicimide resin),其類(lèi)似地由二胺或聚胺制備,但其中馬來(lái)酸酐被馬來(lái)酸酐或經(jīng)取代的馬來(lái)酸酐與二烯烴(例如環(huán)戊二烯)的迪奧斯-奧德(Diels-Alder)反應(yīng)產(chǎn)物所取代。如本文所用，術(shù)語(yǔ)雙馬來(lái)酰亞胺應(yīng)包含納迪克酰亞胺樹(shù)脂。也可使用含有多種雙馬來(lái)酰亞胺的雙馬來(lái)酰亞胺“共熔”樹(shù)脂混合物。這些混合物通常具有顯著低于個(gè)別二馬來(lái)酰亞胺的熔點(diǎn)。
[0039]在一個(gè)實(shí)施例中，用于表面涂層的樹(shù)脂為環(huán)氧類(lèi)樹(shù)脂，其經(jīng)粘性改質(zhì)劑改質(zhì)以便保持過(guò)程及性能的兼容性，但環(huán)境粘度使得其產(chǎn)生表面粘性以用于定位目的及低流動(dòng)行為。粘性改質(zhì)劑可選自熱塑性聚合物及橡膠。這種經(jīng)改質(zhì)的樹(shù)脂是用于樹(shù)脂灌注方法中的樹(shù)脂的經(jīng)改質(zhì)低流動(dòng)變體，樹(shù)脂灌注方法中所用的樹(shù)脂通常為滿足RI方法需求的高流動(dòng)、低粘性樹(shù)脂。低流動(dòng)樹(shù)脂調(diào)配物是通過(guò)以基于樹(shù)脂調(diào)配物總重量的5%到20%(優(yōu)選為10%到15%，這要取決于環(huán)氧類(lèi)型、固化劑類(lèi)型及所需樹(shù)脂流動(dòng)性)的數(shù)量將高粘性熱塑性聚合物或橡膠加入到基本低粘性環(huán)氧樹(shù)脂中而實(shí)現(xiàn)的。而且，調(diào)配樹(shù)脂表面涂層以使其在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造期間就粘性及流變性行為而言與灌注方法樹(shù)脂兼容。
[0040]熱塑性粘性改質(zhì)劑可選自(但不限于)由以下者組成的群組:纖維素衍生物、聚酯、聚酰胺、聚酰亞胺、聚碳酸酯、聚氨酯、聚(甲基丙烯酸甲酯)、聚苯乙烯、多環(huán)芳香烴、聚酯酰胺、聚酰胺酰亞胺、聚醚酰亞胺、聚芳酰胺、聚芳香酯、聚丙烯酸酯、聚(酯)碳酸酯、聚(甲基丙烯酸甲酯/丙烯酸丁酯)、聚砜、聚醚砜、聚醚醚砜聚醚砜-醚酮及其共聚物、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)、尼龍及其組合。作為實(shí)例，一種可使用的市售熱塑性粘性改質(zhì)劑為Cytec KMS 180 (氰特工業(yè)(Cytec Industries)提供的聚醚砜(PES)及聚醚醚砜(PEES)共聚物)。
[0041]作為一個(gè)實(shí)例，低流動(dòng)樹(shù)脂涂布調(diào)配物可包括液態(tài)環(huán)氧類(lèi)樹(shù)脂，例如Cycom?890RTM 或C'ycom3?) 823RTM，其已通過(guò)加入 PES-PEES 共聚物(例如 Cytec KM? 180)作為粘性改質(zhì)劑而改質(zhì)。
[0042]表面涂布樹(shù)脂調(diào)配物可進(jìn)一步包括常規(guī)的添加劑，例如固化劑及/或催化劑。也可將例如二氧化娃顆粒(例如得自卡伯特公司(Cabot Corp.)的膠態(tài)氧化娃(Cabosil))的額外的流動(dòng)改質(zhì)劑加入樹(shù)脂涂布調(diào)配物中以進(jìn)一步微調(diào)樹(shù)脂粘性。應(yīng)了解，樹(shù)脂粘性影響涂布過(guò)程、經(jīng)涂布的填充物的不沾粘時(shí)間以及RI方法的填充物反應(yīng)?！安徽凑硶r(shí)間”指產(chǎn)品能夠提供定位粘性期間暴露于環(huán)境條件的時(shí)間，以小時(shí)或天數(shù)計(jì)算。
[0043]通過(guò)本文所揭示的涂布方法制造的經(jīng)涂布的圓角填充物可用于填充復(fù)合材料結(jié)構(gòu)部件中所產(chǎn)生的圓角空腔。此理念也可用于通過(guò)連接織物層形成特定部分所產(chǎn)生的必須填充的空腔的其它應(yīng)用。另外，將經(jīng)涂布的圓角填充物用于經(jīng)由RI方法制造復(fù)合材料部件的應(yīng)用中。
[0044]參考圖5描述經(jīng)涂布的圓角填充物的應(yīng)用的實(shí)例。當(dāng)纖維預(yù)成形件的兩個(gè)“L”型部分經(jīng)連接而在大體上平坦的表面上形成“T”型部分時(shí)，便形成具有頂端的空腔?！癓”型預(yù)成形件部分的每一者是由多層纖維組成。圖5展示這種類(lèi)型的預(yù)成形件結(jié)構(gòu)的橫截面。這種類(lèi)型的預(yù)成形件結(jié)構(gòu)適于制造飛機(jī)縱梁。這種空腔可用本發(fā)明的經(jīng)涂布的圓角填充物填充，且預(yù)成形件部分隨后與空腔一起在真空下用液體樹(shù)脂灌注。圓角填充物應(yīng)易于定位在空腔內(nèi)、符合空腔且既不影響樹(shù)脂灌注方法，也不影響最終的結(jié)構(gòu)部件的性能。圓角填充物的設(shè)計(jì)與空腔形狀及大小以及填充物在空腔內(nèi)的位置及作用有關(guān)。對(duì)于圖5中展示的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，空腔填充物可基于兩種不同的編織物結(jié)構(gòu)，每一種具有一種特定的填充作用。第一編織物可具有核心/外殼結(jié)構(gòu)且為兩種編織物類(lèi)型中的較粗者。其目的是填充空腔的最大空間。第二編織物可具有中空設(shè)計(jì)且其目的是填充空腔的頂端，且因此其必須是高度可變形且可折疊。編織物設(shè)計(jì)有助于空腔填充物的良好處理性能。圖6為展示經(jīng)灌注的縱梁結(jié)構(gòu)的橫截面的顯微照片，其中使用兩種類(lèi)型的上述纖維編織物。具有中空設(shè)計(jì)的編織物被放置在空腔的頂端。
[0045]以上述方式制造的圓角填充物的特性包含:
[0046](a)通過(guò)僅表面涂布填充物的表面，保持經(jīng)涂布的填充物中的干燥內(nèi)部，從而有助于在疊層處理期間通過(guò)維持復(fù)合材料預(yù)成形件中的高度可滲透真空通道來(lái)排出空氣。
[0047](b)通過(guò)保持干燥內(nèi)部，經(jīng)涂布的圓角填充物還允許比用完全浸潰的填充物而實(shí)現(xiàn)的填充物具有更高程度的操作性，因?yàn)闃?shù)脂限制填充物的柔性及處理。
[0048](C)通過(guò)修改樹(shù)脂的粘性及處理，經(jīng)涂布的填充物產(chǎn)品可易于定位(及再定位)，同時(shí)最優(yōu)化填充物的壽命。
[0049](d)經(jīng)樹(shù)脂涂布的圓角填充物在樹(shù)脂灌注期間與其環(huán)境(即周?chē)牧?兼容。
[0050](e)加入熱塑性改質(zhì)劑(例如Cytec KM180)為堿性樹(shù)脂提供一定程度的韌化。
[0051](f)加入熱塑性改質(zhì)劑而通過(guò)防止樹(shù)脂遷移到填充物內(nèi)部來(lái)進(jìn)一步改質(zhì)填充物的不沾粘時(shí)間特性。
[0052]根據(jù)本發(fā)明設(shè)計(jì)及制造的經(jīng)涂布的圓角填充物是負(fù)擔(dān)得起的，且通過(guò)簡(jiǎn)化部件制造方法而進(jìn)一步降低制造復(fù)合材料部件的總成本。用樹(shù)脂涂布方法制造這種產(chǎn)品簡(jiǎn)單、精致而且穩(wěn)健且極為有效，且從而使得成品差異極小。
[0053]實(shí)例
[0054]本發(fā)明的涂布方法及經(jīng)涂布的填充物可通過(guò)以下非限制性實(shí)例來(lái)說(shuō)明。
[0055]實(shí)例I
[0056]使用圖2所說(shuō)明的涂布系統(tǒng)，通過(guò)拉引編織物通過(guò)含有熱熔環(huán)氧樹(shù)脂(Cycom?890RTM)的樹(shù)脂浴而涂布連續(xù)、干燥的碳編織物，所述樹(shù)脂用熱塑性粘性改質(zhì)劑(Cytec KM? 180)改質(zhì)且通過(guò)樹(shù)脂浴容器底部的橡膠索環(huán)而穿出。編織物具有雙軸包層，其包覆縱軸向纖維的核心且具有0.148英寸(3.76mm)的外徑(OD)。索環(huán)具有0.125英寸(3.18mm)的內(nèi)徑(ID)。樹(shù)脂浴溫度為173° F (78°C )，樹(shù)脂高度為I英寸(25.4mm)，且線速度為48fpm(24.38cm/s)。所得經(jīng)涂布的編織物基于經(jīng)涂布的編織物總重量具有6.2%的樹(shù)脂含量且所述編織物內(nèi)部無(wú)樹(shù)脂。
[0057]實(shí)例2
[0058]使用圖2所說(shuō)明的涂布系統(tǒng)，通過(guò)拉引編織物通過(guò)含有實(shí)例I中所揭示的相同樹(shù)脂調(diào)配物的樹(shù)脂浴而涂布連續(xù)、干燥碳編織物。編織物具有雙軸包層，其包覆縱軸向纖維的核心且具0.08英寸(2.03mm)的外徑(OD)。用于樹(shù)脂浴容器的索環(huán)具有0.08英寸(2.03mm)的內(nèi)徑(ID)。樹(shù)脂浴溫度為125° F (51.670C )，樹(shù)脂高度為2英寸(50.8mm)，且線速度為15fpm(7.62cm/s)。所得經(jīng)涂布的編織物基于經(jīng)涂布的編織物總重量具有29%的樹(shù)脂含量且所述編織物內(nèi)部無(wú)樹(shù)脂。
【權(quán)利要求】
1.一種可變形、經(jīng)涂布的圓角填充物，其包括連續(xù)或細(xì)長(zhǎng)的纖維結(jié)構(gòu)及粘性、樹(shù)脂表面涂層，所述樹(shù)脂表面涂層通過(guò)將干燥、連續(xù)或細(xì)長(zhǎng)的纖維結(jié)構(gòu)拉引通過(guò)加熱樹(shù)脂浴而形成，其中所述經(jīng)涂布的圓角填充物具有大體上無(wú)樹(shù)脂的內(nèi)部且所述樹(shù)脂表面涂層具有大體上均勻的厚度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可變形、經(jīng)涂布的圓角填充物，其中所述經(jīng)涂布的圓角填充物的樹(shù)脂含量基于所述經(jīng)涂布的填充物的總重量在10重量％到30重量％的范圍內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的可變形、經(jīng)涂布的圓角填充物，其中所述纖維結(jié)構(gòu)是由纏繞成編織物圖案的多個(gè)纖維紗線組成的纖維編織結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的可變形、經(jīng)涂布的圓角填充物，其中所述纖維結(jié)構(gòu)是雙軸或三軸編織物。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的可變形、經(jīng)涂布的圓角填充物，其中所述纖維編織結(jié)構(gòu)包括縱軸向紗線的核心及雙軸或三軸外殼。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的可變形、經(jīng)涂布的圓角填充物，其中所述纖維編織結(jié)構(gòu)包括構(gòu)成所述纖維編織結(jié)構(gòu)的至少50%的縱軸向紗線。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的可變形、經(jīng)涂布的圓角填充物，其中所述纖維編織結(jié)構(gòu)包括雙軸或三軸外殼及中空核心。
8.根據(jù)權(quán)利要求1到7中任一權(quán)利要求所述的可變形、經(jīng)涂布的圓角填充物，其中所述樹(shù)脂表面涂層包括環(huán)氧類(lèi)樹(shù)脂。
9.根據(jù)權(quán)利要求1到7中任一權(quán)利要求所述的可變形、經(jīng)涂布的圓角填充物，其中所述樹(shù)脂表面涂層包括環(huán)氧類(lèi)樹(shù)脂及通過(guò)防止樹(shù)脂遷移到所述纖維結(jié)構(gòu)的內(nèi)部而修改所述經(jīng)涂布的圓角填充物的不沾粘時(shí)間特性的粘度改質(zhì)劑。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的可變形、經(jīng)涂布的圓角填充物，其中所述粘度改質(zhì)劑是選自由以下各項(xiàng)組成的群組:纖維素衍生物、聚酯、聚酰胺、聚酰亞胺、聚碳酸酯、聚氨酯、聚(甲基丙烯酸甲酯)、聚苯乙烯、多環(huán)芳香烴、聚酯酰胺、聚酰胺酰亞胺、聚醚酰亞胺、聚芳酰胺、聚芳香酯、聚丙烯酸酯、聚(酯)碳酸酯、聚(甲基丙烯酸甲酯/丙烯酸丁酯)、聚砜、聚醚砜、聚醚醚砜聚醚砜共聚物、聚醚醚砜聚醚砜-醚酮、聚醚醚酮PEEK、聚醚酮酮PEKK、尼龍、橡膠及其組合。
11.根據(jù)權(quán)利要求1到10中任一權(quán)利要求所述的可變形、經(jīng)涂布的圓角填充物，其中所述纖維結(jié)構(gòu)包括由聚合物、碳、石墨、玻璃、石英、芳族聚酰胺、PBO、聚乙烯、無(wú)機(jī)氧化物、碳化物、陶瓷、金屬或其組合制成的纖維。
12.根據(jù)權(quán)利要求1到11中任一權(quán)利要求所述的可變形、經(jīng)涂布的圓角填充物，其中所述經(jīng)涂布的圓角填充物的外徑在0.01英寸到1.5英寸(0.254mm到38.1mm)的范圍內(nèi)。
13.一種形成經(jīng)樹(shù)脂涂布的圓角填充物的方法，其包括: 供應(yīng)待涂布的連續(xù)纖維結(jié)構(gòu)； 在容器中提供經(jīng)加熱的樹(shù)脂調(diào)配物，所述容器具有底壁及穿過(guò)所述底壁定位的可變形索環(huán)，所述索環(huán)具有經(jīng)定大小以使得所述纖維結(jié)構(gòu)能夠穿過(guò)且同時(shí)控制沉積到所述纖維結(jié)構(gòu)的外表面上的樹(shù)脂量的穿孔；及 將所述連續(xù)纖維結(jié)構(gòu)拉引通過(guò)所述樹(shù)脂調(diào)配物并通過(guò)所述索環(huán)穿出，借此只將所需量的樹(shù)脂沉積到所述填充物的所述外表面上，其中通過(guò)控制線速度及所述樹(shù)脂調(diào)配物在所述容器中的樹(shù)脂高度來(lái)控制所述纖維結(jié)構(gòu)與所述樹(shù)脂調(diào)配物的接觸時(shí)間，且 其中控制所述樹(shù)脂調(diào)配物的粘度以使得能夠形成厚度大體上均勻的樹(shù)脂涂層。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中所述待涂布的連續(xù)纖維結(jié)構(gòu)呈纖維編織結(jié)構(gòu)的形式，所述結(jié)構(gòu)是由纏繞成編織物圖案的多個(gè)纖維束組成。
15.根據(jù)權(quán)利要求13或14所述的方法，其中所述樹(shù)脂調(diào)配物包括一種或一種以上環(huán)氧樹(shù)脂及通過(guò)防止樹(shù)脂遷移到所述纖維結(jié)構(gòu)的內(nèi)部而修改所述經(jīng)涂布的圓角填充物的不沾粘時(shí)間特性的粘度改質(zhì)劑，且所述粘度改質(zhì)劑基于所述樹(shù)脂調(diào)配物的總重量以5重量％到20重量％的量存在。
16.根據(jù)權(quán)利要求13到15中任一權(quán)利要求所述的方法，其中所述經(jīng)加熱的樹(shù)脂調(diào)配物的粘度維持在0.50泊到1000泊的范圍內(nèi)，所述容器內(nèi)的所述樹(shù)脂高度維持在0.25英寸到3.0英寸(6.35mm到76.2mm)的范圍內(nèi)，且所述線速度在每分鐘10英尺到150英尺(fpm)(5.08cm/s 到 76.25cm/s)的范圍內(nèi)。
17.一種用于形成經(jīng)涂布的圓角填充物的系統(tǒng)，其包括: 用于供應(yīng)待涂布的干燥、連續(xù)纖維結(jié)構(gòu)的來(lái)源； 位于容器中的經(jīng)加熱的樹(shù)脂浴，其中所述容器具有底壁及穿過(guò)所述底壁定位的可變形索環(huán)，所述索環(huán)具有經(jīng)定大小以使得所述纖維結(jié)構(gòu)能夠穿過(guò)且同時(shí)控制沉積到所述纖維結(jié)構(gòu)的外表面上的樹(shù)脂量的穿孔；及 用于將所述連續(xù)纖維結(jié)構(gòu)拉引通過(guò)所述樹(shù)脂浴并通過(guò)所述索環(huán)穿出的機(jī)械裝置。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中所述纖維結(jié)構(gòu)呈纖維編織結(jié)構(gòu)的形式，所述纖維編織結(jié)構(gòu)是由纏繞成編織物圖案的多個(gè)纖維束組成。
19.一種適用于樹(shù)脂灌注的三維纖維預(yù)成形件，其包括: 多層干燥、強(qiáng)化纖維，其經(jīng)配置以形成具有至少一個(gè)空腔的三維成形結(jié)構(gòu) '及 一個(gè)或一個(gè)以上定位在所述空腔中的根據(jù)權(quán)利要求1到12中任一權(quán)利要求所述的可變形、經(jīng)涂布的圓角填充物 。
【文檔編號(hào)】B29C70/22GK103492165SQ201280018835
【公開(kāi)日】2014年1月1日 申請(qǐng)日期:2012年4月24日 優(yōu)先權(quán)日:2011年6月3日
【發(fā)明者】多米尼克·蓬索爾, 斯科特·阿爾弗雷德·羅杰斯, 羅伯特·布萊克伯恩, 喬納森·愛(ài)德華·米根 申請(qǐng)人:氰特科技股份有限公司