帶有纖維排列的複合材料的製作方法

2023-10-08 05:47:59 1

專利名稱：帶有纖維排列的複合材料的製作方法
技術領域：
本文公開的主題涉及一種複合材料。更特別地，本文公開的主題涉及在複合材料 中的纖維的排列。
背景技術：
複合材料通常被描述為由帶有不同特性的兩種或更多的構成材料製成的工程材 料。例如，複合材料可包括基體材料，該基體材料支承並環繞加強材料。在基體材料內的加 強材料的排列可影響總的材料質量，例如強度。不幸的是，加強材料的排列常為非均勻的， 導致了降低的材料質量。

發明內容
在下文概述了在範圍上與最初要求權利的發明相稱的特定實施例。這些實施例並 非意在限制該要求權利的發明的範圍，而是這些實施例僅意在提供本發明的可能形式的簡 要概述。實際上，該發明可包括多種形式，其可為類似於或不同於下文闡述的實施例。在第一實施例中，複合材料包括基體材料和布置在基體材料中的多根纖維。多根 纖維以均勻的間隔在基體材料內磁性地排列。在第二實施例中，複合材料包括基體材料和布置在基體材料中的多個加強元件。 多個加強元件的各加強元件包括布置在芯周圍的磁性塗層。在第三實施例中，系統包括由複合材料製成的裝置，其中複合材料包括基體材料 和布置在基體材料中的多個加強元件。多個加強元件的各加強元件包括布置在芯周圍的磁 性塗層。該磁性塗層包括布置在粘合劑材料中的多個磁性顆粒。


本發明的這些和其它特徵、方面以及優點在參考所附的圖來閱讀下文的詳細描述 之後將變為更好地理解，貫穿所附的圖類似的符號代表類似的部件，其中圖1是渦輪機系統的方框圖，該渦輪機系統具有多種部件，這些部件由根據本技 術的一個實施例的獨特地自排列的複合材料製成；圖2是如在圖1中所示的渦輪機的部分橫截面側視圖，該渦輪機具有多種部件，這 些由根據本技術的一個實施例的獨特地自排列的複合材料製成；圖3是流程圖，其圖解了在根據本技術的一個實施例的獨特地自排列的複合材料 的基體材料中的加強纖維的磁性排列；圖4是取自圖3的線4-4內的自排列的複合材料的一個實施例的示意圖，圖解了 帶有產生自排列磁力的磁體的加強纖維；圖5是取自圖3的線4-4內的自排列的複合材料的一個實施例的示意圖，圖解了 帶有被塗層環繞的磁芯的加強纖維；圖6是取自圖3的線4-4內的自排列的複合材料一個實施例的示意圖，圖解了帶有被磁性塗層環繞的芯的加強纖維；以及[ool4] 圖7是取自圖3的線4—4內的自排列的複合材料一個實施例的示意圖，圖解了帶有被磁性塗層和外部塗層環繞的芯的加強纖維。[ool5] 部件清單[ool 6] 10 渦輪機系統[ool 7] 12 渦輪發動機[ool8] 14負荷[ool9] 16空氣進口
18壓縮機
20燃料噴嘴
22燃燒器
24渦輪
26排氣裝置
28空氣
30壓縮空氣
32燃料
34箭頭
36軸
40轉子
42定子
44渦輪機級
46渦輪機葉片
48葉輪
50定子葉片
52殼
54外部殼
56內部襯裡
58掛鈎
60護罩段
62和64鉤
66和68互補的鉤
70間隙
160方法
162未排列的複合材料
164隨機地間隔的加強纖維
1 66基體材料
168寬間隔
170窄間隔[ooso] (方框172) 複合材料的磁性地排列的纖維
180自排列的複合材料
182均勻地間隔的纖維
184基體材料
186均勻的間隔
188磁體
190自排列磁力
192外部
200磁芯
202塗層
204厚度
206直徑
210-I-H 心
212磁性塗料
214厚度
216直徑
220-I-H 心
222磁性塗層
224外部塗層
226厚度
228直徑
具體實施例方式本發明的一個或更多的特定實施例將在下文描述。為了提供這些實施例的簡明描 述，在本說明書中可能不描述實際實施方式的全部特徵。應意識到的是，如同在任何工程或 設計項目中一樣，在任何此類實際實施方式的開發中必須做出很多實施方式特定的決定來 達到開發者的特定目標，例如遵從系統相關和商業相關的約束，其可從一個實施方式到另 一個實施方式而改變。此外，應意識到的是此類開發的努力可為複雜且耗時的，然而對受益 於此公開那些本領域技術人員來說，仍然將是設計、建造和製造的常規任務。當介紹本發明的不同的實施例的要件時，詞語「一」、「一個」、「該」、和「所述」意在 意味著存在一個或更多的要件。用語「包括」、「包含」和「具有」意在為包括性的，並且意味 著可存在不同於列出的要件的另外的要件。在特定實施例中，如在下文中詳細論述的，獨特地自排列的複合材料包括基體材 料，該基體材料支承並環繞加強材料(例如，多個分布的元件)，其中加強材料在基體材料 內磁性地排列。該加強材料可包括顆粒、纖維或任何其它合適的加強元件。磁力可被內部 地或外部地應用來以期望的排列(例如，均勻的間隔)在基體材料內排列加強材料。例如， 在特定實施例中，加強材料可包括磁性材料來限定磁場，以使得加強材料能夠在基體材料 中自排列。該磁性材料可多達加強材料的百分之100。然而，加強材料的實施例可包括少於 大約百分之5、10、15、20、25、30、40或50的磁性材料。加強材料的一個實施例包括被一個 或更多的塗層環繞的磁芯。強化材料的另一實施例包括被包括磁性塗層的一個或更多的塗層環繞的芯。如所意識到的，由此磁性材料產生的磁場使加強材料能夠在基體材料內自排 列形成均勻的間隔，由此顯著地改善了總的材料質量，例如強度。圖1是渦輪機系統10的一個實施例的方框圖，其可包括由如下文描述的獨特地自 排列的複合材料建造的多種部件。在該圖解的實施例中，渦輪機系統10包括聯接至負荷 14(例如發電機)的渦輪發動機12。在一個實施例中，渦輪發動機12可為由南卡羅萊納州 格林維爾的通用電氣公司製造的7FA燃氣渦輪發動機。渦輪發動機12包括空氣進口 16、 壓縮機18、一個或多個燃料噴嘴20、燃燒器22、渦輪24和排氣裝置26。如所意識到的，壓 縮機18可包括任何數目的級(例如1至20個級)的在護罩中可旋轉的壓縮機葉片。同樣 地，渦輪24可包括任何數目的級(例如1至20個級)的在護罩中可旋轉的渦輪葉片。燃 燒器22也可包括單獨的燃燒器或多個燃燒器(例如，2個至10個)。在運行中，渦輪發動機12通過空氣進口 16和壓縮機18發送空氣28，這產生用於 燃燒和冷卻流的壓縮空氣30。在該圖解的實施例中，燃料噴嘴20接收壓縮空氣30和燃料 32的至少一部分，其然後如由箭頭34所示被弓I導進入燃燒器22的燃燒區。壓縮空氣30的 一部分也可出於冷卻目的沿著燃燒器22和/或渦輪24流動。在燃燒器22的內部，空氣30 和燃料32混合併燃燒來產生熱的燃燒產物，其然後流入並通過渦輪24和排氣裝置26。這 些燃燒氣體驅動渦輪葉片在渦輪24內轉動，由此驅動軸36來使壓縮機18和負荷14旋轉。圖2是圖1的渦輪24的一個實施例的部分橫截面視圖。在該圖解的實施例中，渦 輪24包括被定子42圓周地環繞的轉子40，其中渦輪24包括多個軸向地隔開的渦輪級44。 在各級44中，轉子40包括以圓周的排列安裝在葉輪48周圍的多個渦輪葉片46，並且定子 42包括以類似的圓周排列安裝在殼52周圍的多個定子導葉50。該圖解的殼52包括外部 殼54和內部襯裡56，其中外部殼54具有支承護罩段60的多個吊鉤58。特別地，各吊鉤58 包括一對鉤62和64，其與相應護罩段60的互補的鉤66和68配合。這些護罩段60通常與 各級44中的渦輪葉片46對齊，並且限定間隙70。在運行中，熱的燃燒氣體流經各級44，由 此驅動在各自的護罩段60內的渦輪葉片46的旋轉。在特定實施例中，渦輪24的多種部件 (例如，葉片46、定子葉片50或護罩段60)可用如下文描述的獨特地自排列的複合材料來 建造，該複合材料可包括陶瓷基複合(CMC)材料。圖3是流程圖，其圖解了根據本技術的一個實施例的獨特地自排列的複合材料的 基體材料的磁性排列的方法160。如所圖解，方法160包括未排列的複合材料162，該複合 材料162具有布置在基體材料166中的多個隨機地隔開的加強纖維164。如所意識到的，纖 維164的隨機間隔降低了複合材料162的質量。例如，纖維164的隨機間隔導致了帶有過 寬間隔168和過窄間隔170的間隔，由此引起了在複合材料162的強度上的不均勻性。過 寬間隔168可代表了薄弱區，其中可發生失效。過窄間隔170可包括直接彼此鄰接的纖維 164，從而進一步使複合材料162的質量降級。如在圖3的方框172中所圖解，方法160磁性地排列複合材料的纖維來解決與復 合材料162的纖維164的隨機間隔相關的問題。儘管本論述涉及纖維164，但加強材料的任 何適當的形狀或形式均可遍及基體材料184而分布。在該圖解的實施例中，方法160的方 框172產生了自排列的複合材料180，該複合材料180具有布置在基體材料184中的均勻地 隔開的纖維182。在特定實施例中，方法160可通過內部或外部的磁場來引起纖維182的磁 性排列。例如，如在下文中詳細論述的，纖維182的特定實施例可包括磁性材料，該磁性材料構造為使纖維182能夠產生自排列磁力。因此，纖維182被磁性地自排列成在基體材料 184內的均勻的間隔186，而不允許過寬間隔168和/或過窄間隔170。纖維182的均勻的 間隔186顯著地改進了材料特性中的均勻性，以及因此改進了自排列的複合材料180的強度。圖4是取自圖3的線4-4內的自排列的複合材料180的一個實施例的示意圖，圖 解了帶有產生自排列磁力190的磁體188的加強纖維182。在該圖解的實施例中，各加強纖 維182基本上或完全由磁性材料製成，以形成磁體188。換言之，各磁體188可代表貫穿其 內部的磁性的單一材料成分。例如，磁體188可由鐵、鎳、鈷或它們的混合物製成。更具體 地，磁體188可由具有高導磁率和低矯頑性的軟磁性材料製成，例如超透磁合金。超透磁合 金可為鎳、鉬和鐵的合金，例如，在百分比上大約百分之80的鎳，百分之5的鉬，和百分之14 的鐵(Ni8OFE14Mo5)。基體材料184可包括多種無磁性的金屬、陶瓷、塑料、木、混凝土等等。 例如，基體材料184可由矽製成。如所意識到的，磁體188可具有多種形狀和尺寸。例如，磁體188可為磁性材料的 短纖維。然而，磁體188不局限於纖維的形狀，而是磁體188可包括多種形狀，例如球形、橢 圓形、矩形等等。磁體188的尺寸也可改變。例如，磁體188在厚度上可在大約1納米至1 毫米，或1納米至500納米，或1納米至100納米之間的範圍內。如所圖解的，自排列磁力190在各纖維182的磁體188的周圍完全地延伸。在特 定實施例中，自排列磁力190在各纖維182的外部192周圍是均勻的，同時從一根纖維182 到另一根也是均勻的。這些自排列磁力190的均勻性使纖維182能夠在基體材料184的內 部彼此自排列。換言之，自排列磁力190使纖維182偏移成均勻的間隔186，例如，在製造期 間和/或之後。自排列磁力190可被描述為沒有任何外部的協助(例如，間隔物)而提供主動的 排列和對不對準的抵抗。例如，自排列磁力190可在製造期間主動地將纖維182排列成均 勻的間隔186，同時抵抗或阻滯在製造之後纖維182的不對準。自排列磁力190實質上為纖 維182之間相反的磁場。這些相反的磁場使纖維182的位置穩定以抵抗纖維移位或纖維接 觸，而不管幹擾力如何。如果發生任何移位，則磁力190自動地朝著均勻的間隔186將纖維 182偏移回去。以這種方式，磁力190也可被描述為自修正的。因此，由於纖維182的均勻 的間隔186顯著地增加了強度，自排列磁力190起到提高複合材料184的質量的作用。圖5是取自圖3的線4-4內的自排列的複合材料的一個實施例的示意圖，圖解了 帶有被塗層202環繞的磁芯200的加強纖維182。例如，磁芯200可由鐵、鎳、鈷或它們的混 合物製成。更具體地，磁芯200可由具有高導磁率和低矯頑性的軟磁性材料製成，例如超透 磁合金。超透磁合金可為鎳、鉬和鐵的合金，例如，在百分比上大約百分之80的鎳，百分之 5的鉬，和百分之14的鐵(Ni8tlFE14Mo5)。塗層202可由不同的磁性材料、塑料、陶瓷或任何 其它適當的材料製成。更具體地，塗層202可為保護性塗層，例如聚合物塗層、鋅塗層或其 組合。在特定實施例中，塗層202可具有小於磁芯200的直徑206的大約百分之5、10、15、 20、30、40或50的厚度204。例如，塗層202的厚度204可在磁芯200的直徑206的大約百 分之1至百分之5之間的範圍內。塗層202的一個示範性實施例可為在厚度204上為大約 1納米至500納米、1納米至300納米或1納米至100納米的納米塗層。自排列的複合材料180可由多種技術形成。例如，製備方法可從加強纖維182的
7製備開始，接著是在基體材料184中的纖維182的分布。在特定實施例中，製備方法可包括 通過沉澱期望的塗層材料(例如，聚合物)到各纖維182的磁芯200上來形成塗層202。例 如，製備方法可包括通過在溶劑中溶解期望的塗層材料來形成塗層溶液。製備方法然後可 繼續進行以將大量的磁芯200與塗層溶液混合。製備方法然後可增加不可溶解的物質到溶 液中來引發在大量的磁芯200上沉澱期望的塗層材料，從而形成纖維182 (例如，已塗層的 磁芯)。製備方法然後可將纖維182與塗層溶液分離，並乾燥纖維182。最後，製備方法可 在磁場的影響下在模具中使纖維182與基體材料184結合。然而，如所意識到，公開的實施 例可採用任何適當的技術來製備自排列的複合材料180。再一次地，類似於圖4的實施例，磁芯200提供完全地包圍相應的纖維182的自排 列磁力190。在特定實施例中，自排列磁力190在各纖維182周圍是均勻的，同時從一根纖 維182到另一根也是均勻的。這些自排列磁力190的均勻性使纖維182能夠在基體材料 184的內部彼此自排列。換言之，自排列磁力190將纖維182偏移成均勻的間隔186，例如 在製造期間和/或之後。圖6是取自圖3的線4-4內的自排列的複合材料180 —個實施例的示意圖，圖解了 帶有被磁性塗層202環繞的芯210的加強纖維182。例如，磁性塗層212可由鐵、鎳、鈷或它 們的混合物製成。更具體地，磁性塗層212可由Fe2O3、氧化鉻、氧化銪、鎳鋅鐵氧體、錳鋅鐵 氧體、釔鐵石榴石或其組合製成。芯210可由不同的磁性材料、塑料、陶瓷或任何其它適當 的材料製成。更具體地，芯210可為天然纖維或合成纖維。例如，芯210可包括天然纖維， 例如植物纖維、木纖維、動物纖維、礦物纖維、矽纖維或其組合。依據進一步的實例，芯210 可包括合成纖維，例如纖維素纖維、礦物纖維(例如玻璃纖維、金屬纖維或碳纖維)、聚合物 纖維(例如尼龍、聚酯、聚氯乙烯纖維、聚烯烴纖維、芳綸纖維、聚乙烯纖維、聚氨酯纖維或 彈性體纖維)、矽纖維或其組合。在特定實施例中，磁性塗層202可具有小於芯210的直徑216的大約百分之5、10、 15或20的厚度214。例如，芯210的一個示範性實施例在直徑216上可為大約2毫米至10 毫米、4毫米至8毫米或6毫米。依據進一步的示例，磁性塗層212的厚度214可為芯210 的直徑216的大約百分之1至百分之20、百分之1至百分之10或百分之1至百分之5之間 的範圍內。塗層212的一個示範性實施例可為在厚度214上大約1納米至500納米、1納米 至300納米或1納米至100納米的納米塗層。自排列的複合材料180可由多種技術形成。例如，製備方法可從加強纖維182的 製備開始，其後是纖維182在基體材料184中的分布。在特定實施例中，製備方法可包括通 過沉澱磁性塗層材料(例如，鐵、鎳或鈷)到各纖維182的芯210之上來形成磁性塗層212。 例如，製備方法可包括通過將粘合劑材料溶入溶劑來形成塗層溶液，並且將磁性粉末和塗 層溶液混合。粘合劑材料可包括有機聚合物、矽或其任何組合。在特定實施例中，磁性粉 末可具有大約1納米至500納米、1納米至300納米或1納米至100納米的粉末顆粒厚度。 製備方法然後可繼續進行來將大量的芯200與塗層溶液混合。製備方法然後沉澱磁性塗層 212 (包括磁性粉末)到各磁芯200之上，從而形成纖維182 (例如，已塗層的磁芯)。製備 方法然後可將纖維182與塗層溶液分離，並乾燥纖維182。最後，製備方法可在磁場的影響 下在模具內將纖維182與基體材料結合。然而，如所意識到的，公開的實施例可採用任何合 適的技術來製備自排列的複合材料180。
再一次地，類似於圖4的實施例，磁性塗層212提供完全地環繞相應的纖維182的 自排列磁力190。在特定實施例中，自排列磁力190在各纖維182周圍是均勻的，同時從一 根纖維182到另一根也是均勻的。這些自排列磁力190的均勻性使纖維182能夠在基體材 料184的內部彼此自排列。換言之，自排列磁力190將纖維182偏移成均勻的間隔186，例 如在製造期間和/或之後。圖7是取自圖3的線4-4內的自排列的複合材料180的一個實施例的示意圖，圖解 了帶有被磁性塗層222和外部塗層224環繞的芯220的加強纖維182。例如，磁性塗層222 可由鐵、鎳、鈷或它們的混合物製成。更具體地，磁性塗層222可由Fe2O3、氧化鉻、氧化銪、鎳 鋅鐵氧體、錳鋅鐵氧體、釔鐵石榴石或其組合製成。芯220可由不同的磁性材料、塑料、陶瓷 或任何其它適當的材料製成。更具體地，芯220可為如在上文參考圖6所描述的天然纖維 或合成纖維。外部塗層224可由不同的磁性材料、塑料、陶瓷或任何其它適當的材料製成。 更具體地，外部塗層224可為保護性塗層，例如聚合物塗層、鋅塗層、矽塗層或其組合。在特定實施例中，磁性塗層222可具有小於芯220的直徑228的大約百分之5、10、 15或20的厚度226。例如，磁性塗層222的厚度226可在芯220的直徑228的大約百分之 1至百分之5之間的範圍內。塗層222的一個示範性實施例可為在厚度226上大約1納米 至500納米、1納米至300納米或1納米至100納米的納米塗層。同樣地，外部塗層224可 具有小於芯220的直徑228的大約百分之5、10、15或20的厚度230。例如，外部塗層224 的厚度230可在芯220的直徑228的大約百分之1至百分之5之間的範圍內。外部塗層 224的一個示範性實施例可為在厚度230上大約1納米至500納米、1納米至300納米或1 納米至100納米的納米塗層。再一次地，類似於圖4的實施例，磁性塗層222提供完全地環繞相應的纖維182的 自排列磁力190。在特定實施例中，自排列磁力190在各纖維182周圍是均勻的，同時從一 根纖維182到另一根也是均勻的。這些自排列磁力190的均勻性使纖維182能夠在基體材 料184的內部彼此自排列。換言之，自排列磁力190將纖維182偏移成均勻的間隔186，例 如在製造期間和/或之後。此書面描述使用示例來公開本發明，包括最佳模式，並且也使得任何本領域中的 技術人員能夠實踐本發明，包括製造和使用任何裝置或系統，以及執行任何結合的方法。本 發明可授予專利權的範圍由權利要求限定，並可包括由那些本領域中的技術人員想到的其 它示例。如果此類其它示例具有並非不同於權利要求字面語言的結構性要件，或如果它們 包含與權利要求的字面語言沒有實質性區別的等價結構性要件，則此類其它示例意在屬於 權利要求的範圍內。
9
權利要求
1.一種複合材料(180)，包括:基體材料(184)；以及多根纖維(182)，其布置在所述基體材料(184)中，其中，所述多根纖維(182)以大體上 均勻的間隔(186)在所述基體材料(184)內磁性地排列。
2.根據權利要求1所述的複合材料(180)，其特徵在於，所述多根纖維(182)的各纖維 (182)包括布置在芯(210,220)周圍的磁性塗層(212，222)。
3.根據權利要求2所述的複合材料(180)，其特徵在於，所述磁性塗層(212，222)具有 大約1納米至500納米的厚度。
4.根據權利要求2所述的複合材料(180)，其特徵在於，所述磁性塗層(212，222)包括 磁性粉末和粘合劑材料。
5.根據權利要求4所述的複合材料(180)，其特徵在於，所述磁性粉末包括大約1納米 至500納米的粉末顆粒厚度。
6.根據權利要求2所述的複合材料(180)，其特徵在於，各纖維(182)為天然纖維或合 成纖維，且各芯為由鐵、鎳、鈷或其混合物製成。
7.根據權利要求2所述的複合材料(180)，其特徵在於，所述多根纖維(182)的各纖維 (182)包括布置在所述磁性塗層(222)周圍的塗層(224)。
8.根據權利要求7所述的複合材料(180)，其特徵在於，所述塗層(224)包括聚合物塗 層、鋅塗層、矽塗層或其組合。
9.根據權利要求1所述的複合材料(180)，其特徵在於，所述多根纖維(182)的各纖維 (182)包括布置在磁芯(200)周圍的塗層(202)。
10.一種複合材料(180)，包括基體材料(184)；以及多個加強元件(182)，其布置在所述基體材料(184)中，其中，所述多個加強元件的各 加強元件(182)包括布置在芯(210，220)周圍的磁性塗層(212，222)。
全文摘要
本發明涉及帶有纖維排列的複合材料，具體而言，可為一種複合材料(180)提供獨特的排列特性。該複合材料(180)可包括基體材料(184)和布置在該基體材料(184)中的多根纖維(182)，其中多根纖維(182)以均勻的間隔(186)在基體材料(184)內磁性地排列。
文檔編號C04B35/71GK102001861SQ20101028716
公開日2011年4月6日 申請日期2010年9月2日 優先權日2009年9月2日
發明者H·C·羅伯茨 申請人:通用電氣公司