具有一體式離軸加強件的織造預製件的製作方法
2023-05-11 12:15:56
專利名稱：具有一體式離軸加強件的織造預製件的製作方法
技術領域：
本發明一般性地涉及織造預製件，具體而言，涉及用於強化複合材料中的織造預製件，所述織造預製件可以被織造成平的並摺疊成其最終形狀，所述最終形狀在兩個或更多個方向上得到強化。通過引用併入關於本文中所提及的任何產品的所有專利、專利申請、文件、參考文獻、製造說明書、描述、產品規格和產品表均通過引用併入本文中，並可用在本發明的實施中。現有技術描述如今，使用強化複合材料製造結構部件已非常普遍，特別是在其中尋求的期望特徵是重量輕、強、韌、耐熱、自支承並適於形成和成形的應用中。這樣的部件被用於例如航空、宇航、人造衛星、娛樂(如賽艇和賽車中)及其他應用中。通常，這樣的部件由包埋在基體材料中的強化材料組成。強化部件可由材料如玻璃、碳、陶瓷、芳族聚醯胺、聚乙烯和/或具有所需物理、熱學、化學和/或其他性質的其他材料製造，在所述性質中，最主要的是高的抗應力破壞強度。通過使用這種最終變為成品部件的構成元件的強化材料，成品複合材料部件被賦予所需的強化材料特徵如非常高的強度。構成的強化材料通常可由編織、針織或以其他方式取向成強化預製件所需的構造和形狀。通常，特別要注意確保所選定的構成強化材料的性能的最佳利用。通常將這種強化預製件與基體材料進行組合，從而形成所需的成品部件或製造用於最終生產成品部件的工作原料。在已經構造了所需的強化預製件後，可以將基體材料引向並引入預製件中，使得通常強化預製件變得埋嵌在基體材料中，並且基體材料填充強化預製件的構成元件之間的間隙區域。基體材料可以是廣泛種類的材料中的任何材料，例如環氧樹脂、聚酯、雙馬來醯亞胺、乙烯基酯、陶瓷、碳和/或同樣具有所需的物理、熱學、化學和/或其他性質的其他材料。選擇用作基體的材料可以與強化預製件的材料相同或不同，並且可以具有類似或不相類似的物理、化學、熱學或其他性質。但通常，其與強化預製件不是相同的材料，或不具有類似的物理、化學、熱學或其他性質，因為使用複合材料所尋求的常見目的首先是使成品獲得組合性能，而這種組合性能不能通過單獨使用一種構成材料來獲得。組合在一起後，強化預製件和基體材料就可通過熱固或其他已知方法以相同的操作硬化和穩定化，然後為了製造所需部件而進行其他操作。在這一點要特別注意的是，在如此硬化之後，基體材料的固化的主體通常很牢固地粘結於強化材料(例如強化預製件)。因此，成品部件上的應力、特別是通過其作為纖維之間的粘合劑的基體材料而作用在成品部件上的應力可被有效地傳遞至強化預製件的構成材料並由強化預製件的構成材料來承受。常常需要製造構造不是這類簡單的幾何形狀如(就其本身而論)板狀、片狀、矩形或方形固體等的部件。一種做法是將這類基礎幾何形狀組合成所需的更複雜的形式。一種這樣的典型組合通過以相對於彼此成一定角度(通常是直角)接合如上所述製得的強化預製件做到。接合的強化預製件的這種角形布置的通常目的是產生所需的形狀以形成包括例如一個或更多個端壁或「T」形交叉的強化預製件，或加強所產生的強化預製件的組合及其製備的複合材料結構在暴露於外力如壓力或張力時的抗撓曲性或抗破壞性。在任何情況下，相關的考慮是使組成部件間的各接合部儘可能地堅固。假定強化預製件構件本身具有所需的非常高的強度，則弱接合部事實上就成為結構「鏈」中的「薄弱環節」。美國專利6，103，337中給出了交叉構造的一個實例，該專利的公開內容通過引用併入本文中。該參考文獻給出了一種將兩塊強化板一起接合為T-形的有效措施。過去已提出多種其他方案來製作這樣的接合部。已提出彼此獨立地形成和硬化面板元件和成角的加固元件，後者具有單個面板接觸表面或在一端分叉形成兩個發散的共面面板接觸表面。然後使用熱固性粘合劑或其他粘合劑材料將加固元件的一個或更多個面板接觸表面以粘合劑方式與另一部件的接觸表面粘結而使兩個部件接合。然而，當向複合材料結構的硬化面板或蒙皮施加張力時，由於接合處的有效強度是基體材料的而非粘合劑的，所以在不可接受的低值下的載荷就導致了使得加固元件與面板在它們的界面處分離 「剝離」力。在這類部件的界面處使用金屬螺栓或鉚釘是不可接受的，這是因為這種附加物至少部分地破壞和削弱複合材料結構自身的完整性、增加重量並使這類元件和周圍材料之間的熱膨脹係數產生差異。解決這個問題的其他方法是基於這樣的理念通過採用將部件之一縫合到另一個部件並依靠縫合線將這種高強度纖維引入和穿過接合部位的這種方法而引入跨接合區域的強化纖維。美國專利4，331，495及其分案美國專利4，256，790中披露了這樣一種方法。 這些專利公開了在第一和第二複合材料面板之間由粘合劑粘合的纖維複合層製成接合部。 第一面板以現有技術的方式在一端分叉從而形成兩個發散的、共面的面板接觸表面，通過將未硬化的柔性複合材料線縫合穿過兩個面板而將它們接合到第二面板。然後使面板和線 「共同硬化」，即同時硬化。改進接合強度的另一方法見述於美國專利5，429，853。但是該方法與前述方法相似，這是因為獨立構造的不同元件通過在兩者之間縫合第三紗線或纖維而接合在一起。無論使用哪種方法，所得到的結構在各個件之間的界面處均將具有較弱的接合，並且需要大量的接觸工作來裁切和整理各個複合層。雖然現有技術已尋求改進強化複合材料的結構完整性並已取得成功，特別是在美國專利6，103，337的情況下，但仍需要通過不同於使用粘合劑或機械聯接的方法對其進行改進或解決所述問題。在這點上，一種方法可以是通過專用的機器創建三維(「3D」)織造結構。但涉及的費用相當高且很少希望織機專用於創建單一結構。儘管存在這一事實，但可被加工成纖維強化複合材料部件的3D預製件是需要的，因為其強度比常規的二維層壓複合材料高。這些預製件在要求複合材料承載面外載荷的應用中特別有用。然而，上面討論的現有技術預製件在其承受高面外載荷、在自動化織機工藝中織造及提供預製件的部分以不同厚度的能力方面受限。另一方法是織造二維(「2D」)結構並將其摺疊成3D形狀以便面板一體式地被加固，即紗線在平面基底或面板部分和加強件之間連續地交織。美國專利6，874，543中公開了摺疊成3D形狀的2D織造結構的一個實例，該專利的全部內容通過引用併入本文中。具有特定結構形狀如「T」、「I」、「H」或「 π 」截面的纖維預製件可在常規的有梭織機上織造，若干現有專利描述了織造這類結構的方法(例如美國專利6，446，675和美國專利6，712，099)。 構造加固面板的另一方法見述於美國專利6，019，138，該專利的全部內容通過引用併入本文中，該專利公開了一種用於製造在經向和緯向二者上均具有增強加強件的加固面板的方法。如所公開的，該方法通過反覆織造或簡單地將凸起處織造進預製件的面板部分中而在兩個方向上取得了強化。然而，在所有現有技術中，預製件均構造為使加強件取向為0度或 +/-90 度。
發明內容
因此，需要在兩個或更多個方向上提供強化的一體式織造預製件，所述預製件可在使用常規織機的一種工藝中織造而不經任何特別改動。具體而言，需要具有離軸加強件的一體式織造預製件，其中所述加強件以除了 0和+/-90度之外的方向或角度取向，或者所述離軸加強件與以0和+/-90度方向取向的加強件組合地形成。本發明通過一體式織造蒙皮和加強件使得跨至少一些界面處有連續的纖維而消除了現有技術結構中所討論的弱接合。本發明的一個示例性實施方案為一種在兩個或更多個方向上具有由織造基底織物構造的加強件的一體式織造預製件。該結構包括第一織造織物層、第二織造織物層以及在第一織造織物層和第二織造織物層之間交織的多根紗線，其中多根紗線在第一織物層和第二織物層之間的區域上交織，並且第一織物層相對於第二織物層摺疊使得在預製件中形成第一離軸加強件。第一織造織物層在一個或更多個區域中自第二織造織物層的頂面裁開。第一織造織物層的交織區域的第一側上的第一部分與第一織造織物層的交織區域的第二側上的第一部分一起摺疊以形成第一方向上的離軸加強筋(stiffener rib)。織造預製件還可包括第三織造織物層和在第二織造織物層和第三織造織物層之間交織的多根紗線， 其中多根紗線在第二織物層和第三織物層之間的區域上交織，並且第三織物層相對於第二織物層摺疊使得在預製件中形成第二離軸加強件。第三織造織物層在一個或更多個區域中自第二織造織物層的底面裁開。第三織造織物層的交織區域的第一側上的第一部分與第三織造織物層的交織區域的第二側上的第一部分一起摺疊以形成第二方向上的離軸加強筋。本發明的另一示例性實施方案為一種包括一體式織造預製件的纖維強化複合材料，所述預製件在兩個或更多個方向上具有由織造基底織物構造的加強件。該結構包括第一織造織物層、第二織造織物層和在第一織造織物層和第二織造織物層之間交織的多根紗線，其中多根紗線在第一織物和第二織物之間的區域上交織，並且第一織物相對於第二織物摺疊使得在預製件中形成第一離軸加強件。本發明的又一示例性實施方案為一種在兩個或更多個方向上具有由織造基底織物構造的加強件的一體式織造預製件。該結構包括第一織造織物層、第二織造織物層和在多個獨立的區域中在第一織造織物層和第二織造織物層之間交織的多根紗線，其中第一織物相對於第二織物摺疊使得在預製件中第一方向上形成第一加強件，並且將第一加強件的一部分摺疊以形成預製件中第二方向上的第二加強件，所述第二加強件為離軸加強件。第一織造織物層在一個或更多個區域中自第二織造織物層的頂面裁開。織造預製件還可包括第三織造織物層和在多個獨立的區域中在第二織造織物層和第三織造織物層之間交織的多根紗線，其中第三織物相對於第二織物摺疊使得在預製件中第三方向上形成第三加強件，並且將第三加強件的一部分摺疊以形成預製件中第四方向上的第四加強件，所述第四加強件為離軸加強件。第三織造織物層可在一個或更多個區域中自第二織造織物層的底面裁開。本發明的又一示例性實施方案為一種包括一體式織造預製件的纖維強化複合材料，預製件在兩個或更多個方向上具有由織造基底織物構造的加強件。該結構包括第一織造織物層、第二織造織物層和在多個獨立的區域中在第一織造織物層和第二織造織物層之間交織的多根紗線，其中第一織物相對於第二織物摺疊使得在預製件中第一方向上形成第一加強件，並且將第一加強件的一部分摺疊以形成預製件中第二方向上的第二加強件，所述第二加強件為離軸加強件。本發明的又一示例性實施方案為一種形成一體式織造預製件的方法，所述方法包括以下步驟提供兩個或更多個織造織物層，使來自第一織造織物層的多根紗線與來自第二織造織物層的多根紗線交織，第一織造織物層可相對於第二織造織物層摺疊，自第二織造織物層的頂面裁開第一織造織物層的一部分，以及相對於第二織造織物層摺疊第一織物的所述部分以形成預製件中的第一離軸加強件。所述方法還可包括將第一織造織物層的交織區域的第一側上的第一部分與第一織造織物層的交織區域的第二側上的第一部分一起摺疊以形成第一方向上的離軸加強筋的步驟。所述方法還可包括以下步驟使來自第三織造織物層的多根紗線與來自第二織造織物層的多根紗線交織，第三織造織物層可相對於第二織造織物層摺疊，自第二織造織物層的底面裁開第三織造織物層的一部分，以及相對於第二織造織物層摺疊第三織物的所述部分以形成預製件中的第二離軸加強件。可將第三織造織物層的交織區域的第一側上的第一部分與第三織造織物層的交織區域的第二側上的第一部分一起摺疊以形成第二方向上的離軸加強筋。本發明的又一示例性實施方案為一種形成纖維強化複合材料的方法，所述方法包括以下步驟形成一體式織造預製件，其做法是提供兩個或更多個織造織物層，使來自第一織造織物層的多根紗線與來自第二織造織物層的多根紗線交織，第一織造織物層可相對於第二織造織物層摺疊，自第二織造織物層的頂面裁開第一織造織物層的一部分，以及相對於第二織造織物層摺疊第一織物的所述部分以形成預製件中的第一離軸加強件。本發明的又一示例性實施方案為一種形成一體式織造預製件的方法，所述方法包括以下步驟提供兩個或更多個織造織物層，在多個獨立的區域中使來自第一織造織物層的多根紗線與來自第二織造織物層的多根紗線交織，第一織造織物層可相對於第二織造織物層摺疊，自第二織造織物層的頂面裁開第一織造織物層的一部分，相對於第二織造織物層摺疊第一織物的所述部分使得在預製件中第一方向上形成第一加強件，並且將第一加強件的一部分摺疊以形成預製件中第二方向上的第二加強件，所述第二加強件為離軸加強件。所述方法還可包括在多個獨立的區域中使來自第三織造織物層的多根紗線與來自第二織造織物層的多根紗線交織，第三織造織物層可相對於第二織造織物層摺疊，自第二織造織物層的頂面裁開第三織造織物層的一部分，相對於第二織造織物層摺疊第三織物的所述部分使得在預製件中第三方向上形成第三加強件，並且將第三加強件的一部分摺疊以形成在預製件中第四方向上的第四加強件，所述第四加強件為離軸加強件。本發明的又一示例性實施方案為一種形成纖維強化複合材料的方法，所述方法包括以下步驟形成一體式織造預製件，其做法是提供兩個或更多個織造織物層，在多個獨立的區域中使來自第一織造織物層的多根紗線與來自第二織造織物層的多根紗線交織，第一織造織物層可相對於第二織造織物層摺疊，自第二織造織物層的頂面裁開第一織造織物層的一部分，相對於第二織造織物層摺疊第一織物的所述部分使得在預製件中第一方向上形成第一加強件，並且將第一加強件的一部分摺疊以形成預製件中第二方向上的第二加強件，所述第二加強件為離軸加強件。雖然提及的是具有離軸加強件的織造預製件，但本發明可用於製造任何形狀的預製件，例如H-形或I-形織造預製件。本發明的方法可用來織造具有可變厚度或可變高度的加強件的預製件，所述加強件可以彼此平行或成角。預製件可用經向纖維的任何常規紋樣織造，即層疊(ply-to-ply)、 全厚度角聯鎖、正交等。雖然優選碳纖維，但本發明也可適用於實際任何其他纖維類型。體現本發明特徵的多個創新技術特徵尤其在本公開所附並構成本公開一部分的權利要求中指出。為了更好地理解本發明、其操作優點和通過其使用所實現的具體目標，請參考所附說明部分，其中在附圖中示出了本發明的優選但非限制性的實施方案，在附圖中， 相應的部件用相同的標號表示。本公開中的術語「包含」可指「包括」或可具有美國專利法中術語「包含」通常所
賦予的意義。權利要求書中(如果用到的話)的術語「基本由......組成」具有美國專利
法中所賦予其的意義。本發明的其他方面將在下面的公開中描述或從下面的公開顯而易見 (並在本發明的範圍內)。
附圖併入本說明書中並構成本說明書的一部分，意在提供對本發明的進一步理解。本文中給出的附圖示意了本發明的不同實施方案並與描述一起解釋了本發明的原理。 在附圖中圖1為根據本發明的一個方面的織造預製件的照片；圖2為根據本發明的一個方面的經裁開並摺疊的織造預製件的照片；圖3為圖2中所示預製件的紙模型；圖4為根據本發明的一個方面的原樣織造預製件的示意圖；圖5為根據本發明的一個方面的織造預製件的示意圖；圖6為根據本發明的一個方面的織造預製件的示意圖；圖7-15為根據本發明的一個方面的織造預製件的截面視圖；圖16-18為根據本發明的一個方面的織造預製件的示意圖；圖19(a)_(b)為根據本發明的一個方面的織造預製件的紙模型；圖20(a)_(c)為根據本發明的一個方面的織造預製件的照片；圖21 (a)-(d)為根據本發明的一個方面的織造預製件的照片；
圖22(a)_(b)為根據本發明的一個方面的織造預製件的紙模型；和圖23為根據本發明的一個方面的織造預製件的示意圖。
具體實施例方式本公開描述了織造可加工成複合材料部件的纖維預製件的若干技術，所述複合材料部件由蒙皮和多個方向上的一體式加強件組成。本公開中描述的結構類型可用在例如宇航結構如翼片、機身壁板和操縱面中。根據一個示例性實施方案的技術之一特別好地適用於其中加強件形成六邊形從而在0°、+60°和-60°方向上提供強化的情況，根據另一示例性實施方案的另一技術很好地適於在實際任何方向上提供強化，即加強件可在實際任何方向上形成。第二種方法將針對兩種情況進行描述1)其中加強件形成六邊形(即 0/士60°強化)的情況，和幻其中加強件在士45°方向上的情況。該第二種情況還適合更複雜的部件，例如其中僅部分結構需要離軸加固的工字梁(I-beam)或槽形梁(channel)； 例如工字梁的腹板(web)。兩種方法均克服了 3D織造蒙皮的主要局限之一，即其僅可在0°和90°方向上提供強化。當加載面內剪切時，這種構造將相當弱。士45°加強件的增加提供了承受該剪切載荷的額外載荷路徑，從而提高結構的剛性和強度。另一方面，0/士60°強化的情況在蒙皮的平面中提供了準各向同性加固。兩種技術均基於經線和/或緯向纖維對在它們織造穿過織物時交換位置。但在第一種方法中，纖維僅例如在一個方向上交換位置。現在參照附圖，圖1和2為通過採用前一方法形成的示例性預製件的照片。圖1 示出了處於從織機上下來時的織物階段的預製件100，圖2示出了在織物的表面層已被裁開並且預製件100被摺疊成其最終形狀後的同一預製件。緯向纖維交換位置的地方50可以看作圖1中的系列短水平線。這些照片中的織物由例如四個聯鎖層和一個表面層組成。表面層可形成加強件， 聯鎖層可形成蒙皮。表面層中的一些緯向纖維例如與第二聯鎖層中的緯向纖維交換位置， 從而將表面層與蒙皮鎖合在一起。緯向纖維的間距可設計為當表面層被裁開並摺疊時加強件形成正六邊形。相應地，根據一個示例性實施方案，本發明可以是一種具有形成為六邊形陣列的一體式側壁的基布(substrate)的織造預製件。本文的目的是織造一種由具有可形成為六邊形陣列的一體式側壁的基布組成的一件式預製件。側壁由兩層摺疊為與基布垂直的織物組成。圖3中示出了預製件100的重複部分25的紙模型。應指出，在各個六邊形的六條邊中的兩條上的基布和側壁之間有連續纖維。如圖4中所示將預製件100分成九個區域1-9。纖維方向1可與經線或緯線對齊， 但與基布一體式連接的側壁將總是平行於纖維方向1。預製件100含至少兩層，層1和層 2，例如如圖5中所示。方向1上的纖維總是完全在單個層內，但方向2上的纖維周期性地在一些區域間的交叉點處從一個層轉向下一層。限定各組方向2纖維將是有幫助的，如圖 5中所示。組A中的方向2纖維在區域1中織進層1中而在區域2中織進層2中。與之類似，組B中的方向2纖維在區域2中織進層1中而在區域1中織進層2中。組E和F，以及 I和J中的方向2纖維保持類似的關係。相比之下，組C和G中的方向2纖維總是在層1中織造，組D和H中的方向2纖維總是在層2中織造。
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圖6中示出了根據本發明的一個實施方案的示例性纖維體系結構。出於演示的目的，方向1指經線方向，方向2指緯線方向。畫出了一系列截面以闡明各纖維在各個區域中的位置。圖6中示出了各個截面切口的面內位置。可以看出，截面切口成對示出(即例如 A1-A1和A2-A2)，以便鎖住所有緯向纖維所需的所有經向纖維可被分成兩組。作為一個實例，圖7中示出了緯線方向上截面切口的全厚度位置。圓代表與觀察者視線垂直的緯向纖維60，連續線代表經向纖維80。圖7還表明，在預製件中有例如四個層。層1由單織物層組成，其在該特定的截面處，不與任何其他層互換；但在其他截面處有互換。層2、3和4實際是聯鎖的。加層2和4僅是為了演示基布的厚度可如何建立；然而， 就本發明的實施而言，它們並非必須的。圖8中示出了經線方向上截面切口的全厚度位置。在圖8中，圓代表與觀察者視線垂直的經向纖維80，連續線代表緯向纖維60。圖9中示出了切口 A-A的經向截面。在所有經向截面中，層1中的經向纖維80在所有區域上都是連續的。摺疊後，這些經向纖維變為側壁中的縱向纖維。在所有經向截面中，層2、3和4中的經向纖維80在所有區域上也是連續的。可加其他層以增大基布的厚度，這對於本領域普通技術人員來說將是顯而易見的。圖10-12中分別示出了切口 B-B、C-C和D-D的相似截面。截面A-A到D-D間的不同在於層1和3中緯向纖維60的相對位置。但應指出，層1和3中的緯向纖維60在區域 3和7中不交換層。現在，圖13-15中示出了緯向截面。在所有緯向截面中，層2和4中的緯向纖維60 保持在單個層中。參照圖13頂部處截面切口 E-E的緯線列1，區域1的層1中的緯向纖維 60織進區域2的層3中。區域1的層3中的緯向纖維60織進區域2的層1中。相對於加強件的縱向而言，層1中的緯向纖維60最終變為側壁中的橫向纖維。如前面所述，區域3和7中的緯向纖維60不在層間編織。區域3的情況在圖14中示出。圖15示出了層1和3中的緯向纖維60在隨著其從區域4走向區域5再走向區域6 時如何交換位置。未示出區域7及組合區域8和9的截面，但其分別與區域3及組合區域 1和2的截面相似。根據本發明的一個示例性實施方案，在預製件100中製作了一系列裁開處以便打開側壁。這裡的第一步是在層1中在圖16中所示的位置處按標有數字1的箭頭沿相應的虛線製作縱向裁開處(在經線方向上)。第二步是在先前的縱向裁開處之間製作一系列橫向裁開處。這些裁開處在圖16中由標有數字2的箭頭沿相應的虛線示出。最後，在圖16 中所示的位置處按標有數字3的箭頭沿相應的虛線製作另一系列的縱向裁開處。然後通過摺疊層1的兩半使其垂直於基布而形成連續的側壁，如圖17中所示。然而，這些側壁將僅在區域1和2、4和5、5和6及8和9的交叉處與基布相連。不與基布相連的側壁部分正好是形成六邊形的剩餘側壁恰當長度，如圖18中所示。根據本發明的一個示例性實施方案，各個側壁將包括兩層織物。圖19(a)中示出了根據該實施方案的處於織造的原樣狀態的預製件100的紙模型。區域1-2、4-6和8-9代表在兩個層間改變位置的緯向纖維組，區域3和7代表僅織在頂層中的緯向纖維組。圖19(b)中示出了裁開和摺疊後的同一預製件100。從圖19(b)可以看出，側壁的六邊形形狀是很明顯的。因此，根據該實施方案，自織造基底織物構造了在兩個或更多個方向上具有加強件的一體式織造預製件。織物結構可包括第一織造織物層、第二織造織物層和在多個獨立的區域中在第一織造織物層和第二織造織物層之間交織的多根紗線。第一織物相對於第二織物裁開並摺疊使得在預製件中第一方向上形成第一加強件，第一加強件的一部分摺疊形成預製件中第二方向上的第二加強件，所述第二加強件為離軸加強件。織造預製件還可包括第三織造織物層，並且一些紗線可在第二織造織物層和第三織造織物層之間多個獨立的區域中交織。第三織物相對於第二織物裁開並摺疊使得在預製件中第三方向上形成第三加強件，第三加強件的一部分摺疊形成預製件中第四方向上的第四加強件，所述第四加強件為離軸加強件。應指出，預製件可織造為任何選定的紋樣。例如，經向纖維紋樣可選自層疊、正交和角聯鎖式樣。交織的紗線可以是經紗和/或緯紗。這些紗線可由任何材料製成，例如碳、 尼龍、人造絲、玻璃纖維、棉、陶瓷、芳族聚醯胺和聚乙烯。根據一個實施方案，本發明提供了一種包括上面的實施方案中所述的一體式織造預製件的纖維強化複合材料。預製件可例如用基體材料如樹脂浸漬。複合材料可通過樹脂傳遞模塑或化學氣相過濾進行加工。樹脂材料可以是環氧樹脂、聚酯、雙馬來醯亞胺、乙烯基酯、陶瓷和碳中的任何一種。根據一個示例性的實施方案，本發明提供了一種形成一體式織造預製件200的方法，該方法與第一種方法相似，不同的是兩個方向上的纖維均在加強件和蒙皮之間交換位置。圖20 (a)-(c)示出了採用這種方法的織物200的照片。這些照片中示出了織物200具有呈六邊形陣列的加強件的面板。從圖20(a)中明顯可見由交換位置的纖維形成的六邊形紋樣。預製件200的表面層的六邊形部分可被裁開形成三個加強件，如圖20(b)中所示。 這些加強件被摺疊就位形成例如六邊形陣列，如圖20(c)中所示。該照片中僅示出了一個完全的六邊形，但該重複單元可在面板的整個表面上複製，這對於本領域普通技術人員來說將是顯而易見的。通過例如以菱形紋樣而非六邊形紋樣布置交換位置，還可使用該同一方法形成具有士 45°方向上的加強件的預製件300，如圖21(a)-(d)中所示。應指出，圖21 (c)和21 (d) 為同一預製件300的相反面，例如頂面和底面。在這種情況下，一面上的+45°加強件可例如為相反面上的-45°加強件所平衡。但這不是必須的條件，僅在一面上具有加強件的構造也在本發明的範圍內。因此，根據該實施方案，可由織造織物構造在兩個或更多個方向上具有加強件的一體式織造預製件。織物可包括第一織造織物層、第二織造織物層以及在第一織造織物層和第二織造織物層之間交織的多根紗線。一些紗線在第一織物和第二織物之間的區域上交織，並且第一織物相對於第二織物裁開並摺疊使得在預製件中形成第一離軸加強件。第一織造織物層的交織區域的第一側上的第一部分與第一織造織物層的交織區域的第二側上的第一部分一起摺疊以形成第一方向上的離軸加強筋。織造預製件還可包括第三織造織物層以及在第二織造織物層和第三織造織物層之間交織的多根紗線。一些紗線在第二織物和第三織物之間的區域上交織，並且第三織物相對於第二織物裁開並摺疊使得在預製件中形成第二離軸加強件。第三織造織物層的交織區域的第一側上的第一部分與第三織造織物層的交織區域的第二側上的第一部分一起摺疊以形成第二方向上的離軸加強筋。
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如前面的實施方案中所述，預製件可織造為任何選定的紋樣。例如，經向纖維紋樣可選自層疊、正交和角聯鎖式樣。交織的紗線可以是經紗和/或緯紗。這些紗線可由任何材料製成，例如碳、尼龍、人造絲、玻璃纖維、棉、陶瓷、芳族聚醯胺和聚乙烯。根據一個實施方案，本發明提供了一種包括上面的實施方案中所述的一體式織造預製件的纖維強化複合材料。預製件可例如用基體材料如樹脂浸漬以形成複合材料。複合材料可通過樹脂傳遞模塑或化學氣相過濾進行加工。樹脂材料可以是環氧樹脂、聚酯、雙馬來醯亞胺、乙烯基酯、陶瓷和碳中的任何一種。如前面所提到的，本發明的方法還可被引入具有一體式翼緣和腹板的3D織造梁如工字梁或槽形梁的腹板中。在這些情況下，交換位置布置為形成加強件置於翼緣之間的三角形。雖然加強件實際可相對於翼緣取向為任何角度，但取向為士45°將使其對梁的剪切強度和剛性的貢獻最大化。該技術可能的另一有用取向是當加強件垂直於翼緣從而形成在全厚度壓縮中支承梁的加強肋。圖22(a)和22(b)中分別示出了工字梁和槽形梁的典型構造的紙模型。根據一個示例性的實施方案，本發明提供了一種形成一體式織造預製件500的方法，如圖23中所示。在該實施方案中，織在區域1中表面處的經線和緯向纖維可與例如已織進區域1和2之間的界面處的蒙皮中的互補的經線和緯向纖維交換位置。同樣的這些纖維可再在區域2和3的交叉處交換位置。織物500的頂層可在緯線方向上裁開以產生摺疊後形成根據該實施方案的加強件的材料。雖然本文中已詳細描述了本發明的優選實施方案及其變型，但應理解，本發明不限於該確切的實施方案和變型，本領域技術人員在不偏離本發明的精神和範圍的情況下可以實現其他的變型和變化，本發明的精神和範圍由附隨的權利要求書限定。
權利要求
1.一種在兩個或更多個方向上具有由織造基底織物構造的加強件的一體式織造預製件，所述基底織物包括第一織造織物； 第二織造織物；和在所述第一織造織物和所述第二織造織物之間交織的多根紗線，其中所述多根紗線在所述第一織物和所述第二織物之間的區域上交織，並且所述第一織物相對於所述第二織物摺疊使得在所述預製件中形成第一離軸加強件。
2.權利要求1的織造預製件，其中所述第一織造織物在一個或更多個區域中自所述第二織造織物的頂面裁開。
3.權利要求2的織造預製件，其中所述第一織造織物的交織區域的第一側上的第一部分與所述第一織造織物的交織區域的第二側上的第一部分一起摺疊以形成第一方向上的離軸加強筋。
4.權利要求1的織造預製件，其還包括 第三織造織物；和在所述第二織造織物和所述第三織造織物之間交織的多根紗線，其中所述多根紗線在所述第二織物和所述第三織物之間的區域上交織，並且所述第三織物相對於所述第二織物摺疊使得在所述預製件中形成第二離軸加強件。
5.權利要求4的織造預製件，其中所述第三織造織物在一個或更多個區域中自所述第二織造織物的底面裁開。
6.權利要求5的織造預製件，其中所述第三織造織物的交織區域的第一側上的第一部分與所述第三織造織物的交織區域的第二側上的第一部分一起摺疊以形成第二方向上的離軸加強筋。
7.權利要求1的織造預製件，其中所述基底織物由經紗和緯紗或經向纖維和緯向纖維織造。
8.權利要求7的織造預製件，其中所述經向纖維紋樣為選自層疊、正交和角聯鎖的紋樣。
9.權利要求7的織造預製件，其中交織的紗線為經紗。
10.權利要求7的織造預製件，其中交織的紗線為緯紗。
11.權利要求7的織造預製件，其中所述經紗和緯紗或經向纖維和緯向纖維選自碳、尼龍、人造絲、玻璃纖維、棉、陶瓷、芳族聚醯胺和聚乙烯。
12.權利要求4的織造預製件，其中所述第一和第二離軸加強件以+/-60度或+/-45度的取向形成。
13.—種包括一體式織造預製件的纖維強化複合材料，所述預製件在兩個或更多個方向上具有由織造基底織物構造的加強件，所述基底織物包括第一織造織物； 第二織造織物；和在所述第一織造織物和所述第二織造織物之間交織的多根紗線，其中所述多根紗線在所述第一織物和所述第二織物之間的區域上交織，並且所述第一織物相對於所述第二織物摺疊使得在所述預製件中形成第一離軸加強件。
14.權利要求13的複合材料，其還包括基體材料。
15.權利要求14的複合材料，其中所述基體材料為樹脂，並且所述複合材料由選自樹脂傳遞模塑和化學氣相過濾中的工藝形成。
16.權利要求14的複合材料，其中所述基體材料選自環氧樹脂、聚酯、雙馬來醯亞胺、 乙烯基酯、陶瓷和碳。
17.權利要求13的複合材料，其中所述第一離軸加強件以+/-60度或+/-45度的取向形成。
18.—種在兩個或更多個方向上具有由織造基底織物構造的加強件的一體式織造預製件，所述基底織物包括第一織造織物；第二織造織物；和在多個獨立的區域中在所述第一織造織物和所述第二織造織物之間交織的多根紗線，其中所述第一織物相對於所述第二織物摺疊使得在所述預製件中第一方向上形成第一加強件，並且所述第一加強件的一部分摺疊形成所述預製件中第二方向上的第二加強件，所述第二加強件為離軸加強件。
19.權利要求18的織造預製件，其中所述第一織造織物在一個或更多個區域中自所述第二織造織物的頂面裁開。
20.權利要求18的織造預製件，其還包括第三織造織物；和在多個獨立的區域中在所述第二織造織物和所述第三織造織物之間交織的多根紗線，其中所述第三織物相對於所述第二織物摺疊使得在所述預製件中第三方向上形成第三加強件，並且所述第三加強件的一部分摺疊形成所述預製件中第四方向上的第四加強件，所述第四加強件為離軸加強件。
21.權利要求20的織造預製件，其中所述第三織造織物在一個或更多個區域中自所述第二織造織物的底面裁開。
22.權利要求18的織造預製件，其中所述基底織物由經紗和緯紗或經向纖維和緯向纖維織造。
23.權利要求22的織造預製件，其中所述經向纖維紋樣為選自層疊、正交和角聯鎖的紋樣。
24.權利要求22的織造預製件，其中交織的紗線為經紗。
25.權利要求22的織造預製件，其中交織的紗線為緯紗。
26.權利要求22的織造預製件，其中所述經紗和緯紗或經向纖維和緯向纖維選自碳、 尼龍、人造絲、玻璃纖維、棉、陶瓷、芳族聚醯胺和聚乙烯。
27.權利要求20的織造預製件，其中所述第二加強件和第四加強件以+/-60度或 +/-45度的取向形成。
28.—種包括一體式織造預製件的纖維強化複合材料，所述預製件在兩個或更多個方向上具有由織造基底織物構造的加強件，所述基底織物包括第一織造織物；第二織造織物；和在多個獨立的區域中在所述第一織造織物和所述第二織造織物之間交織的多根紗線，其中所述第一織物相對於所述第二織物摺疊使得在所述預製件中第一方向上形成第一加強件，並且所述第一加強件的一部分摺疊形成所述預製件中第二方向上的第二加強件，所述第二加強件為離軸加強件。
29.權利要求觀的複合材料，其還包括基體材料。
30.權利要求四的複合材料，其中所述基體材料為樹脂，並且所述複合材料由選自樹脂傳遞模塑和化學氣相過濾中的工藝形成。
31.權利要求四的複合材料，其中所述基體材料選自環氧樹脂、聚酯、雙馬來醯亞胺、 乙烯基酯、陶瓷和碳。
32.權利要求觀的複合材料，其中所述第二加強件以+/-60度或+/-45度的取向形成。
33.一種形成一體式織造預製件的方法，所述方法包括以下步驟提供兩種或更多種織造織物；使來自第一織造織物的多根紗線與來自第二織造織物的多根紗線交織，所述第一織造織物可相對於所述第二織造織物摺疊；自所述第二織造織物的頂面裁開所述第一織造織物的一部分；和相對於所述第二織造織物摺疊所述第一織物的所述部分以形成所述預製件中的第一離軸加強件。
34.權利要求33的方法，其還包括以下步驟將所述第一織造織物的交織區域的第一側上的第一部分與所述第一織造織物的交織區域的第二側上的第一部分一起摺疊以形成第一方向上的離軸加強筋。
35.權利要求33的方法，其還包括以下步驟使來自第三織造織物的多根紗線與來自第二織造織物的多根紗線交織，所述第三織造織物可相對於所述第二織造織物摺疊；自所述第二織造織物的底面裁開所述第三織造織物的一部分；和相對於所述第二織造織物摺疊所述第三織物的所述部分以形成所述預製件中的第二離軸加強件。
36.權利要求35的方法，其還包括以下步驟將所述第三織造織物的交織區域的第一側上的第一部分與所述第三織造織物的交織區域的第二側上的第一部分一起摺疊以形成第二方向上的離軸加強筋。
37.權利要求33的方法，其中所述兩種或更多種織物由經紗和緯紗或經向纖維和緯向纖維織造。
38.權利要求37的方法，其中所述經向纖維紋樣為選自層疊、正交和角聯鎖的紋樣。
39.權利要求37的方法，其中交織的紗線為經紗。
40.權利要求37的方法，其中交織的紗線為緯紗。
41.權利要求37的方法，其中所述經紗和緯紗或經向纖維和緯向纖維選自碳、尼龍、人造絲、玻璃纖維、棉、陶瓷、芳族聚醯胺和聚乙烯。
42.權利要求35的方法，其中所述第一和第二離軸加強件以+/-60度或+/-45度的取向形成。
43.一種形成纖維強化複合材料的方法，所述方法包括以下步驟形成一體式織造預製件，做法是 提供兩種或更多種織造織物；使來自第一織造織物的多根紗線與來自第二織造織物的多根紗線交織，所述第一織造織物可相對於所述第二織造織物摺疊；自所述第二織造織物的頂面裁開所述第一織造織物的一部分；和相對於所述第二織造織物摺疊所述第一織物的所述部分以形成所述預製件中的第一離軸加強件。
44.權利要求43的方法，其還包括以下步驟 使所述預製件浸漬在基體材料中。
45.權利要求44的方法，其中所述基體材料為樹脂，並且所述複合材料由選自樹脂傳遞模塑和化學氣相過濾中的工藝形成。
46.權利要求44的方法，其中所述基體材料選自環氧樹脂、聚酯、雙馬來醯亞胺、乙烯基酯、陶瓷和碳。
47.權利要求43的方法，其中所述第一離軸加強件以+/-60度或+/-45度的取向形成。
48.一種形成一體式織造預製件的方法，所述方法包括以下步驟 提供兩種或更多種織造織物；在多個獨立的區域中使來自第一織造織物的多根紗線與來自第二織造織物的多根紗線交織，所述第一織造織物可相對於所述第二織造織物摺疊；自所述第二織造織物的頂面裁開所述第一織造織物的一部分；和相對於所述第二織造織物摺疊所述第一織物的所述部分使得在所述預製件中第一方向上形成第一加強件，並且將所述第一加強件的一部分摺疊以形成所述預製件中第二方向上的第二加強件，所述第二加強件為離軸加強件。
49.權利要求48的方法，其還包括在多個獨立的區域中使來自第三織造織物的多根紗線與來自第二織造織物的多根紗線交織，所述第三織造織物可相對於所述第二織造織物摺疊；自所述第二織造織物的頂面裁開所述第三織造織物的一部分；和相對於所述第二織造織物摺疊所述第三織物的所述部分使得在所述預製件中第三方向上形成第三加強件，並且將所述第三加強件的一部分摺疊以形成在所述預製件中第四方向上的第四加強件，所述第四加強件為離軸加強件。
50.權利要求48的方法，其中所述兩種或更多種織物由經紗和緯紗或經向纖維和緯向纖維織造。
51.權利要求50的方法，其中所述經向纖維紋樣為選自層疊、正交和角聯鎖的紋樣。
52.權利要求50的方法，其中交織的紗線為經紗。
53.權利要求50的方法，其中交織的紗線為緯紗。
54.權利要求50的方法，其中所述經紗和緯紗或經向纖維和緯向纖維選自碳、尼龍、人造絲、玻璃纖維、棉、陶瓷、芳族聚醯胺和聚乙烯。
55.權利要求49的方法，其中所述第二加強件和第四加強件以+/-60度或+/-45度的取向形成。
56.一種形成纖維強化複合材料的方法，所述方法包括以下步驟形成一體式織造預製件，做法是 提供兩種或更多種織造織物；在多個獨立的區域中使來自第一織造織物的多根紗線與來自第二織造織物的多根紗線交織，所述第一織造織物可相對於所述第二織造織物摺疊；自所述第二織造織物的頂面裁開所述第一織造織物的一部分；和相對於所述第二織造織物摺疊所述第一織物的所述部分使得在所述預製件中第一方向上形成第一加強件，並且將所述第一加強件的一部分摺疊以形成所述預製件中第二方向上的第二加強件，所述第二加強件為離軸加強件。
57.權利要求56的方法，其還包括以下步驟 使所述預製件浸漬在基體材料中。
58.權利要求57的方法，其中所述基體材料為樹脂，並且所述複合材料由選自樹脂傳遞模塑和化學氣相過濾中的工藝形成。
59.權利要求57的方法，其中所述基體材料選自環氧樹脂、聚酯、雙馬來醯亞胺、乙烯基酯、陶瓷和碳。
60.權利要求56的方法，其中所述第一離軸加強件以+/-60度或+/-45度的取向形成。
61.權利要求1的織造預製件，其中所述織造預製件為工字梁。
62.權利要求13的纖維強化複合材料，其中所述纖維強化複合材料為工字梁。
63.權利要求33的方法，其中所述織造預製件為工字梁。
64.權利要求43的方法，其中所述纖維強化複合材料為工字梁。
65.權利要求18的織造預製件，其中所述織造預製件為工字梁。
66.權利要求觀的纖維強化複合材料，其中所述纖維強化複合材料為工字梁。
67.權利要求48的方法，其中所述織造預製件為工字梁。
68.權利要求56的方法，其中所述纖維強化複合材料為工字梁。
全文摘要
一種在兩個或更多個方向上具有由織造織物構造的加強件的一體式織造預製件，所述織造織物具有第一、第二和任選第三織造織物層。多根紗線在第一和第二織物層之間的區域上交織，使得第一織物層可相對於第二織物層摺疊。還有多根紗線在第二和第三織物層之間的區域上交織，使得第三織物層可相對於第二織物層摺疊。摺疊織造織物層後形成在兩個或更多個方向上具有加強件的一體式織造三維預製件。
文檔編號B29B11/16GK102369100SQ200980155832
公開日2012年3月7日 申請日期2009年12月22日 優先權日2008年12月30日
發明者強納森·葛林 申請人:阿爾巴尼複合物工程股份有限公司