用於製造雙壁熱結構整體式複合部件的方法及所製造的部件與流程
2023-06-02 00:27:14 1
本發明涉及一種用於製造熱結構整體式纖維/基質複合部件的方法，所述部件包括兩個複合材料表皮(skin)，它們彼此間隔開並且通過複合材料的多個線狀間隔件互連，所述部件能夠承受高的內部和/或外部壓力。本發明還涉及一種通過實施這種方法製造的整體式部件。
背景技術：
fr-2749327描述了這種整體式複合部件，例如用於形成能夠輸送流體的板，用於空間光學裝置的支撐件或用於高解析度雷達的耐火天線罩等。類似地，fr-2718670涉及一種雙壁整體式複合部件和線狀間隔件。
此外，fr-2836690公開了一種用於製造熱結構整體式部件的方法，其不涉及任何額外的浸漬或固化操作，並且不包括將縫合線預浸漬，但仍然可能將纖維結構精確地定位在浸漬模具中並以最佳方式利用構成所述表皮的纖維的機械性能。為此目的，所述用於製造熱結構整體式纖維/基質複合部件的方法，所述部件包括由彼此間隔開並且通過複合材料的多個線狀間隔件互連的兩個複合材料表皮，所述方法是這樣的：
a)形成柔性夾層結構，該柔性夾層結構包括中間柔性芯部和兩個外部柔性纖維框架，所述中間柔性芯部由能夠被針穿透並且不能透過必須構成所述基質的樹脂的材料製成，所述兩個外部柔性纖維框架布置在所述柔性芯部的相對的外表面上；
b)所述夾層結構的所述纖維框架和所述芯部通過用線縫合而連接，形成包括穿過所述纖維框架和所述芯部的線部分的線圈(stitches)，所述縫合線由包括未連接在一起的多根長絲的粗紗構成，穿過所述纖維框架和所述芯部的所述線部分在所述縫合操作之後在所述芯部中具有設置在所述長絲之間並且從所述纖維框架中的一個延伸到另一個的縱向通道；
c)所述夾層結構用粘性狀態的樹脂浸漬，進行所述浸漬操作使得所述可固化樹脂穿透所述線穿過部分(threadthrough-portion)的所述縱向通道，以便在每個所述部分的位置處形成樹脂橋，其相對端與浸漬所述柔性纖維框架的樹脂接觸；和
d)然後將浸漬所述夾層結構的所述樹脂固化。
通過該標準方法，當所述表皮的纖維框架被浸漬時，線穿過部分被樹脂浸漬，並且在所述芯部被移除之前，在所述纖維框架固化時被固化，使得它們變成複合材料的線狀間隔件，並且布置在所述複合表皮之間。
技術實現要素：
本發明的目的是改進這種用於製造熱結構整體式纖維/基質複合部件的方法，所述部件包括彼此間隔開並且通過複合材料的多個線狀間隔件互連的兩個複合材料表皮。
為此，根據本發明，所述方法至少包括：
a/製造具有夾層結構的纖維預製體，所述夾層結構包括中間柔性芯部和布置在所述柔性芯部的相對的外表面上的兩個外纖維框架，所述框架通過穿過所述纖維框架的線部分連接，所述預製體被樹脂浸漬；
b/固化所述預製體並除去所述芯部；和
c/緻密化所得結構，
其特徵在於，在步驟c/中，所述結構通過液相滲透緻密化。
這種lsi液相滲透(液體矽滲透)允許所用的矽滲透預製體的中心，導致易於控制的緻密化。
此外，這種液相緻密化具有其它優點，特別是在成本和性能方面。
在一個優選的實施方案中，在步驟b/通過cvi氣相滲透(化學氣相滲透)進行預緻密化，以便預緻密化所述預製體，從而預緻密化用於形成所述間隔件的所述線穿過部分，以便產生碳-碳(c-c)材料。優選使用r-cvi快速滲透(快速化學氣相滲透)；這種類型的滲透在成本、實施時間和性能方面是有利的。
通過該預緻密化，所述線穿過部分設置有碳層，這使得可以在步驟c/中的液相緻密化期間保護所述部分。因此，該優選實施方案基於預緻密化和緻密化步驟(用於製造c-c/sic材料)之間的協作，預緻密化使得可以在不損壞用於形成間隔件的線部分的情況下進行緻密化，其有助於使整體式複合部件呈剛性，並且緻密化具有上述優點。
此外，在該優選實施方案中，在步驟b/中預緻密化的預製體在所述步驟b/和c/之間的中間步驟中被加工(machined)。可以以下面描述的方式加工預緻密化的預製體(c-c)，但是這種加工將非常難以在緻密化之後對最終材料(c-c/sic)進行。
該中間步驟優選是低厚度機械加工的步驟，其用於製備用於液相緻密化的結構並且給予所述結構其所需的最終幾何形狀。
此外，在所述中間步驟中有利地加工螺紋孔(threadedhole)和/或洞(bore)。在這種情況下，塞子有利地至少在緻密化步驟(步驟c/)期間被放置在所述螺紋孔和所述洞中，以防止所述孔和洞被堵塞。
在優選的實施方案中，為了實現液相緻密化，在步驟c/中，將矽以液體膏體形式引入，並在緻密化爐中在熱和壓力的作用下擴散。
此外，在步驟a/中，有利地製造具有可變厚度並且例如設置有加強件的纖維預製體。
此外，在優選實施方案中，在步驟a/中，特別如fr-2836690中所述進行以下操作：
a)形成柔性夾層結構，該柔性夾層結構包括中間柔性芯部和兩個外部柔性纖維框架，所述中間柔性芯部由能夠被針穿透並且不能透過必須構成所述基質的樹脂的材料製成，所述兩個外部柔性纖維框架布置在所述柔性芯部的相對的外表面上；
b)所述夾層結構的所述纖維框架和所述芯部通過用線縫合而連接，形成包括穿過所述纖維框架和所述芯部的線部分的線圈，所述縫合線由包括未連接在一起的多根長絲的粗紗構成。在該縫合操作之後，穿過所述纖維框架和所述芯部的所述線部分在所述芯部中具有設置在所述長絲之間並從所述纖維框架中的一個延伸到另一個的縱向通道；和
c)所述夾層結構用所述樹脂浸漬，進行所述浸漬操作使得所述可固化樹脂穿透所述線穿過部分的所述縱向通道，以便在每個所述部分的位置處形成樹脂橋，其相對端與浸漬所述纖維框架的樹脂接觸。
本發明還涉及一種整體式纖維/基質複合部件，其包括兩個複合材料表皮，所述表皮彼此間隔開並通過複合材料的多個線狀間隔件互連，並且所述部件通過實施上述方法而製造。
在一個具體實施方案中，在至少一個所述表皮的外側上施加至少一個塗層(例如目的是使所述表皮不可滲透)。
本發明可以特別用於需要能夠承受非常高的溫度和/或非常高的內部和/或外部壓力的這種整體式複合部件的多個領域。
附圖說明
附圖將給出如何實現本發明的清楚理解。在這些附圖中，相同的附圖標記表示相似的元件。
圖1是當實施本發明時所製造和使用的預製體的示意和局部視圖。
圖2是由圖1的預製體製造的複合部件的示意和局部視圖。
圖3是以板形式製造並設置有用於液相滲透步驟的塞子的整體式部件的透視圖。
具體實施方式
本發明涉及一種用於製造熱結構整體式纖維/基質複合部件10的方法，所述部件包括彼此間隔開並且通過複合材料的多個線狀間隔件13互連的兩個複合材料表皮11和12。這種用於例如形成熱保護裝置並且在圖2的局部和示意圖中示出的整體式複合部件10必須能夠承受非常高的內部和/或外部壓力。
所述製造方法包括：
a/以常規方式形成具有夾層結構的纖維預製體1，該夾層結構包括中間柔性芯部4和兩個外部纖維框架2和3。所述纖維框架2和3設置在所述柔性芯部4的相對的外表面上，並且通過穿過所述纖維框架2和3的線部分8和9連接，如圖1所示和如下所述，所述預製體1是用樹脂浸漬的；
b/固化所述預製體1並除去所述芯部；和
c/緻密化所得結構。
根據本發明，通過在步驟c/中的液相滲透來緻密化該結構，使得施加富含sic的層。
這種lsi液相滲透(液體矽滲透)，如下所述，特別允許所用的矽滲透預製體的中心，導致易於控制的緻密化。
此外，這種液相緻密化具有其它優點，特別是：
-成本降低；和
-改進的性能。
在一個優選的實施方案中，在步驟b/通過cvi氣相滲透(化學氣相滲透)進行預緻密化，以便預緻密化所述預製體1，從而預緻密化所述線穿過部分8和9(用於形成所述間隔件13)。這種預緻密化使得可以產生碳-碳(c-c)結構。優選使用r-cvi快速滲透(快速化學氣相滲透)；這種類型的滲透在成本、實施時間和性能方面是有利的。
通過該預緻密化，所述線穿過部分8和9設置有碳層，這使得尤其可以在步驟c/中進行的液相緻密化期間保護所述部分。
因此，該優選實施方式基於預緻密化步驟(步驟b/)和緻密化步驟(步驟c/)之間的協作，其使得可以產生c-c/sic結構。實際上，預緻密化使得可以在不損壞用於形成間隔件13的線部分8和9(有助於使整體式複合部件10呈剛性)的同時進行緻密化，而緻密化具有上述優點，並且使得可以形成陶瓷結構。
在優選實施方案中，為了實施步驟a/，特別如fr-2836690中所述進行以下操作：
a)形成柔性夾層結構1，該柔性夾層結構包括中間柔性芯部4，所述中間柔性芯部由能夠被針穿透並且不能透過必須構成所述基質的樹脂的材料製成。所述柔性夾層結構1還包括布置在所述柔性芯部4的相對的外表面上的兩個外柔性纖維框架2,3；
b)所述夾層結構1的所述纖維框架2,3和所述芯部4通過用線5縫合而連接，形成包括穿過所述纖維框架2,3和所述芯部4的線部分8,9的線圈，如圖1所示。所述縫合線5由包括未連接在一起的多根長絲的粗紗構成。在所述縫合操作之後，穿過所述纖維框架2,3和所述芯部4的所述線部分8,9在所述芯部中具有設置在所述長絲之間並從所述纖維框架中的一個延伸到另一個的縱向通道；和
c)所述夾層結構1用樹脂浸漬。進行所述浸漬操作使得所述可固化樹脂穿透所述線穿過部分8,9的所述縱向通道，以便在每個所述部分的位置處形成樹脂橋，其相對端與浸漬所述柔性纖維框架2,3的樹脂接觸。
應注意：
-顯示為板形的柔性芯部4實際上可以是具有兩個相對面的任何形狀，例如圓柱體、圓錐體或稜柱。所述芯部由能夠被針穿透的材料製成，例如聚氨酯泡沫、聚丙烯或優選聚苯乙烯。此外，該材料不滲透用於浸漬柔性纖維框架2和3的樹脂；和
-每個柔性纖維框架2和3具有可以任何已知方式製造的纖維結構。所述框架2和3各自為碳纖維層的形式或能夠形成高強度纖維的任何其它材料的層的形式。此外，所述框架2和3可以具有不同的和變化的厚度和形狀。
如圖1所示，有利的是，框架2和3彼此平行，並且線穿過部分8和9與所述框架正交。在圖1和圖2中，為了清楚起見，在每個線圈(stitch)的兩個線部分之間示出了大的距離；然而，實際上，所述線部分當然可以非常接近彼此。
應當注意，通過線5和6連接的夾層結構1是柔性的並且可能經歷形狀的改變。此外，在該方法的該階段，優選檢查結構1的尺寸。
在縫合之後，夾層結構1用可固化樹脂浸漬。浸漬優選在真空壓力下進行，使得所述樹脂不僅滲透纖維框架2和3，而且滲透到線5的縱向通道。
在該浸漬操作期間，芯部4不被浸漬，因為其不透過樹脂。然後例如通過升高溫度，可能與施加壓力(幾巴)相結合來固化浸漬的樹脂。
根據本發明，為了形成夾層結構1的c-c碳基質，通過如上所述的氣相滲透，所述結構被預緻密化(前述步驟b/)，並且這使得也可以除去芯部4。
然後將所得結構進行下文所述的其它操作，然後在步驟c/中緻密化，目的是製造陶瓷基質。
來自圖2的整體式複合部件10最終被製造並且包括兩個複合材料(來自柔性框架2和3)的表皮11和12，它們彼此間隔開並且通過多個線狀間隔件13互連，所述間隔件13由複合材料製成(從線穿過部分8和9)並且與所述表皮11和12正交。在優選的應用中，兩個表皮11和12之間的空間14旨在使冷卻劑流過其中的，特別是使得整體式複合部件10能夠承受高溫。形成空間14的兩個表皮11和12通過線狀間隔件13彼此保持一定距離，所述間隔件13在這種類型的應用中提供結構的形狀，確保冷卻劑耐受壓力並增強對流熱傳遞。
此外，在優選實施方案中，在前述步驟b/和c/之間的中間步驟中對在步驟b/中預緻密化的預製體進行非破壞性測試。
然後加工所述預緻密化的預製體。可以使用標準方法加工預緻密化的預製體(c-c)，但是這種加工將非常難以在緻密化之後變得非常硬的最終材料(c-c/sic)上進行。
該中間步驟優選是低厚度機械加工的步驟，其用於製備用於液相緻密化的結構並且給予所述結構其所需的最終幾何形狀。
此外，在該中間步驟中，如果部件10需要在其中的螺紋孔和/或洞，加工螺紋孔和/或洞，以便例如在部件10上安裝冷卻劑供應裝置。該加工操作例如可以通過超聲波進行。
然後將塞子15布置在所述螺紋孔和所述洞中，如圖3中的部件10所示，其製成板16，並且在其肩部中設置螺紋孔。所述塞子15至少在緻密化步驟即步驟c/期間使用，以防止螺紋孔和洞被堵塞(使得它們在最終部件中)。
在優選的實施方案中，在步驟c/中，為了實現液相緻密化，將矽以液體膏體形式(漿料)引入，並通過毛細管作用和通過在原來未用膏體覆蓋的壁上輸送的氣體在緻密化爐中的熱和壓力的作用下在所述部分中擴散。可以通過合適形式的熱處理來實現矽化。在優選的實施方案中，使用wo2008/106932中描述的方法進行這種緻密化。
在該方法的該階段，通常檢查部件10的尺寸(使用非破壞性測試)。
應當注意，根據本發明的方法可以用於製造具有可變厚度的部件10，例如通過圖3的板16的邊緣17a和17b所示。為此，在步驟a/中製造纖維預製體1，其具有合適的形狀和合適的尺寸並且例如可以設置有加強件。
此外，還可以用至少一個塗層覆蓋部件10的所述表皮11或12的至少一個的外表面，例如作為標準所使用的密封材料以產生不滲透性。