用於充氣結構的撓性材料的製作方法

2023-05-07 20:02:36

專利名稱：用於充氣結構的撓性材料的製作方法
技術領域：
本發明屬於撓性材料領域，特別是屬於撓性複合材料領域。這種材料直接應用於諸如輕於空氣的飛行器的氣囊之類的充氣結構。
用於製造大型非剛性的比空氣輕的飛行器的氣囊的材料必須滿足大量設計要求，例如高強度，具有抗扯性，隔絕氣體，不易受包括暴露在陽光下而受紫外線照射等環境因素的影響而降解。因此，這樣一種材料最終還是採取把各種性能的材料結合起來，形成一種多層的層製品的形式。氣囊壁任何部分的主軸線負荷作用方向都與氣囊縱軸線成0°角和90°角(圓周方向)。所以，大多數層製品中都包含用0°和90°角方向長絲材料織成的長絲織物。此外，為了承受剪切負荷，長絲織物中有時也包含那些與承受軸線負荷的長絲材料成±45°角的長絲材料。
在初期的設計中，應力水平不高，往往使用能密封氣體的多層浸漬著橡膠的機織棉布。後來，則使用杜邦公司製造的嫘縈(RAYONTM)或大可綸(DACRONAM)之類的人造纖維。棉布層在0°和90°(軸向或強力層股)承受拉伸負荷，在±45°(斜向層股)承受剪切負荷。然而這種辦法並不總能達到最佳強度設計，因為承受剪切負荷所需的強度典型地比斜向層股的承受能力小得多。使用同一材料既承受軸向拉伸負荷又承受斜向(剪切)負荷，往往導致重力損失。
有些現代設計把諸如大可綸(DACRONTM)之類的機織聚酯織物用於承受0°和90°的軸向負荷的材料。聚酯對苯二酸酯之類的防氦滲透材料薄膜既作阻隔氣體之用，也承受一些剪切負荷。有一種典型的聚酯對苯二酸酯，杜邦公司以米拉(MYLATTM)的商標出售。大可綸之類的機織聚酯織物的損壞時形變值很大，約為20％。然而大型非剛性飛行器的強度要求很高，必須使用液晶向熱(熔紡)聚酯聚芳酯纖維，例如德國Hoechat Celanece公司製造的VECTRANTM，以承受軸向負荷。另外，還有一種高強度材料，就是感膠離子(溶紡)芳族聚醯胺纖維，譬如杜邦公司生產的凱夫拉爾KEVLARTM)。然而，VECTRANTM和凱夫拉爾的損壞時形變值都很小，約為4％量級。如果斜向層用同一種材料製造，0°和90°的雙軸向負荷就會大量傳輸到45°的斜向層。要求這種斜向層跟0°和90°層股的工作強度一樣，這就引出了一種可能的損壞形式，或者叫做系統強度降低。事實上，斜向層的伸長度比0°和90°(強力纖維)的高可以防止斜向層股在強力纖維極限負荷情況下過早損壞。
有些過去的文獻，背離這一原理，例如授與S.Roth等人的德國專利DE 3702936號《纖維複合材料-具有不同方向的高強度、高模量纖維》教導了在0°和90°方向有高強度、大伸長度的纖維，而在45°又有用於剛性複合結構的高彈性模量纖維的織物的使用。因此，±45°方向的纖維的損壞時形變值小於0°和90°的纖維。
在授與A.Hayashi的美國專利US4,770,918號《發聲振動膜》中，談到一種具有至少一層有低伸長率的第1機織物和至少兩層有高伸長率的第2機織物的撓性發聲振動膜。第1和第2織物的配置是它們的經紗以10°-80°相交，從而使第1織物的經紗方向的膜伸長率大致和與第1織物經線成45°的膜的伸長率相等。這樣做考慮到了振動膜易於調音。此發明當然會產生一種無效加壓結構。
其它普遍引起興趣的把各種性能材料結合成一種撓性結構的專利還有授與G.A.哈佩爾等人的US5,189,280號，《提高了防滲透性能的三維纖維結構》；E·波特尼等人的US4,871,589號《具有撓性壁的容器》；授與M·Matsumoto等人的US5,215,795號《減震氣囊》。
因此，本發明的主要目的是提供一種適用於壓力容器撓性壁的層製件。
本發明的另一主要目的是提供一種承受剪切負荷的斜向層股損壞時形變值大於承受拉伸負荷的軸向層股的，適用於壓力容器撓性壁的層製件。
本發明還有一個目的是提供一種不與紫外線照射而降解的，適用於壓力容器撓性壁的層製件。
本發明的又一目的是提供一種適於盛放氦的壓力容器撓性壁的成層材料。
本發明的另一目的是提供一種易於縫合在一起的，適用於壓力容器撓性壁的成層材料。
按照本發明，提供了一種適於用作比空氣輕的飛行器氣囊之類的壓力容器壁的材料。具體地說，本發明的材料包含互為0°和90°的單向長絲材料構成的第1撓性層。第1層的長絲材料可以是互不相聯的0°和90°的單方向線層股材料，也可以是機織布料。本發明包含的第2撓性層自身互成0°和90°的並與第1層的長絲材料成45°的單方向長絲材料。第2層的長絲材料也既可以是0°和90°的互不相聯的單向層股也可以是機織布料。此外，兩層的長絲材料都可是單股或單線。兩層或其中的一層還可以分成若干薄層，並以任何一種形式合在一起。
本發明的關鍵在於第2層的長絲材料的損壞時形變值必須大於第1層的0°和90°長絲材料的損壞時形變值。第1層和第2層用樹脂粘合在一起。第1層和第2層之間也可用或不用樹脂以針織法或縫合法聯在一起，以增加強度。最好在兩個外層上再粘合防氣體滲透薄膜和抗紫外線照射材料。
是本發明特徵的新特點的有關本發明材料的組織結構、作業方法以及其它目的和優點等通過下面結合附圖的說明，就會了解得更清楚，附圖是以舉例的方法顯示的本發明目前的優選實施例。然而，必須清楚地了解到，附圖的目的僅僅是為了顯示和說明本發明，而不是為了對本發明的範圍作出界定。


圖1是比空氣輕的飛行器的透視圖。
圖2是用撓性織物的層製件製成的氣囊壁一部分的透視圖，示出了長絲材料排列的主軸線。
圖3是織物層製件一部分的部分透視圖。其中第1層和第2層是編織織物。
圖4是織物層製件的第二實施例的分部側視圖，其中組成第1和第2層的長絲材料是縫合在一起的單向層股。
圖5是織物層製件的第三實施例的俯視圖，其中組成第1和第2層的長絲材料是用針織法聯在一起的單向層股。
圖6是圖5中顯示的織物層製件第三實施例的側視圖。
圖7是標示作為0°和90°織物與±45°織物損壞時形變比率之函數的0°和90°纖維強度的表。
圖1所示為一比空氣輕的飛行器的透視圖，該器總體以標號10標示。飛行器10包含一氣囊12，該氣囊有縱軸線13A，橫軸線13B和豎軸線13C。氣囊下掛吊艙14，吊艙上又安裝多個推進系統16。隨飛行器體積增大，氣囊12所承受的應力也增大。此外，氣囊12還必須做到能抗氦的滲透；不受(包括紫外線照射在內的)環境因素的影響；能縫合和耐損壞。要滿足所有這些要求，就要有一種用多層各具特殊機械性能的不同材料製成為多層撓性布。
圖2顯示的是撓性壁20的一部分，該壁具有內表面22和外表面24，是用多層長絲材料製成的，製作方法在下面討論。輸入的主軸線負荷沿著兩方向其一與縱軸線13A成一直線即成0°角，以標號26表示；其二與縱軸線成90°，以標號28表示。因此承受主負荷的長絲材料與這些軸線成一直線。剪切負荷則由與上述軸線成±45°方向的長絲材料承受，這些方向分別以標號30和32表示。這種45°角可以根據具體運用中的錯綜複雜的要求予以調整。
參看圖3，撓性壁20的組成(從內表面22開始)是，第1樹脂層40粘合於各股長絲為0°和90°的第1編織紗層42。樹脂層40和以後的各樹脂層最好是聚氨酯。第1層42用液晶向熱性的(熔紡)聚酯多芳基纖維(VECTRANTM)之類的高強度線製造。感膠離子(溶液紡絲)的芳族聚醯胺纖維(KEVLARTM)也適於作此之用。第2樹脂層將第1層42跟各股長絲成±45°的第2層機織長絲織物46隔開。第3樹脂層把第2層46跟聚酯對苯二酸酯(MYLARTM)之類能充分地抗氦滲透的材料薄膜隔開。最後是第4層樹脂，它用於粘合抗紫外線照射引起的降解和抗風化等的材料製成的外層。這一材料是一種降氟乙烯纖維，由杜邦公司以TEDLARTM的商標出售。如圖3所示，本材料是「分層」顯示的。選擇MYLARTM或TEDLARTM是為了增加層製品中的樹脂內含物，以便滲入纖維內，形成防氣體滲漏層。
選擇氣囊壁20的材料的重要因素，除了化學性質上的可容性外，還有長絲材料第2層的損壞時形變(英寸/英寸)要大於第1層的損壞時形變。這樣就可保證0°和90°軸向負荷引起層42的形變在傳輸到層46時不產生破損。另外，要求第2層46具有高形變率，可以減少局部應力集中的概率。
圖4中顯示了要探討的材料的第2實施例，其總體以標號60表示。比種材料的組成(從下至上)是第1樹脂層61，包括0°的單一方向長絲材料層64及90°的單一方向長絲材料層66的第1層62；包括+45°的單一方向長絲材料層72和-45°的單一方向長絲材料層74的第2層70。這4個長絲材料層62，64，72，74縫合在一起，針腳以標號78表示。用諸如MYLARTM之類的材料製成的阻隔氦氣層79用樹脂層76粘合，用諸如TEDLARTM製成的抗紫外線照射層即最後一層80以樹脂層82粘合。如同圖3顯示的第1實施例一樣，各層粘合在一起時，第1和第2層62和70都分別封裝於具有撓性的樹脂填料中。應該注意，圖3中顯示的編織的第1和第2層材料42和46也可縫合。
圖5和圖6中顯示的是第3實施例，總體以標號90表示，其中，圖5所示的第1層62和第2層70可編結在一起，如標號92表示。材料90的其餘方面和圖4類似。也應注意，圖3中，編織法織出的第1層42和第2層46也可以編結在一起，以提高強度。
正如前面提到的，第2層長絲材料損壞時形變值大於0°和90°的長絲材料即第1層的損壞時形變值對本發明是極為重要的。圖表7表明了這一特性的重要性。單軸向及雙軸向負荷條件下的材料強度以雙軸向材料的一系列不同的形變值顯示。雙軸向材料損壞時形變值被0°和90°材料損壞時形變值除，得到形變比。如果形變比小於1，±45°的斜向層首先損壞；如果形變比大於1，則意味著0°和90°這一層首先損壞。形變比低的嚴重代價是很明顯的。
雖然已參照實施例對本發明作了說明，但必須了解，這些實施例只不過是用來作說明而已，因為本專業技術人員還可以作出許多改型和變化。因此，必須認為只有附在後面的權利要求書的精神和範圍才是對本發明的界定。
本發明可應用於複合材料製造業和航空工業。
權利要求書按照條約第19條的修改1.一種壓力容器壁用的材料，包括互為0°和90°的單向長絲材料構成的至少一個第1撓性層；自身互為0°和90°角的而又跟上述至少1個0°和90°的單向長絲材料構成的第1層成45°角的單向長絲材料構成的但損壞時形變值大於所述的第1撓性層的至少一個第2撓性層；上述的至少一個第1和第2層連在一起。
3.按照權利要求1所述的材料，其特徵在於所述之至少一個第1和第2層是粘合在一起的。
4.按照權利要求1所述的材料，其特徵在於所述之至少一個第1層的0°和90°長絲材料是編織在一起的。
5.按照權利要求4所述的材料，其特徵在於所述之於少1個第2層的0°和90°長絲材料是編織在一起的。
6.按照權利要求5所述的材料，其特徵在於所述的至少一個第1和第2層的單向長絲材料是線狀的。
7.按照權利要求6所述的材料，其特徵在於所述的至少1個第1層由自由液晶向熱性(熔紡)聚酯多芳基纖維和感膠離子(溶液紡絲)芳族聚醯胺纖維組成的一組材料中選出。
8.按照權利要求4所述的材料，其特徵在於所述的第2層的所述的長絲材料是聚酯纖維。
9.按照權利要求1或3-8中任一項所述的材料，其特徵在於所述的至少一個第1層和第2層是編織在一起的。
10.按照權利要求1或3-8中任一項所述的材料，其特徵在於所述的至少一個第1層和和第2層是縫在一起的。
11.按照權利要求1或3-8中任一項所述的材料，其特徵在於還包括一層粘合到所述的至少一個第1和第2層的能防氣體滲透的撓性材料層。
12.按照權利要求11所述的材料，其特徵在於所述的能防氣體滲透層是聚酯對苯二酸酯。
13.按照權利要求10所述的材料，其特徵在於還包括一層粘合到所述的至少一個第1和第2層的抗紫外線照射材料層。
14.按照權利要求13所述的材料，其特徵在於所述的抗紫外線照射層是聚氟乙烯。
15.一種壓力容器壁用的材料，包括以90°角編織成的長絲材料線構成的第1撓性布；由與所述的第1撓性布所說的0°和90°長絲材料成±45°的長絲材料線構成而損壞時形變值又大於第1撓性布的第2撓性布；所述的第1和第2撓性布用樹脂填料粘合在一起。
16.按照權利要求15所述的材料，其特徵在於在所述的第1撓性與第2撓性布粘合的相對側有能防氣體滲透的薄膜。
17.按照權利要求16所述的材料，其特徵在於還有抗紫外線照射材料製成的第4撓性布粘合於上述薄膜上。
18.按照權利要求15-17中任一項所述的材料，其特徵在於所述的第1和第2撓性布是編織在一起的。
19.按照權利要求15-17中任一項所述的材料，其特徵在於所述的第1和第2撓性布是縫在一起的。
權利要求
1.一種壓力容器用的材料，包括互為0°和90°的單向長絲材料構成的至少一個第1撓性層；自身互為0°和90°角的而又跟上述至少1個0°和90°的單向長絲材料構成的第1層成45°角的單向長絲材料構成的但損壞時形變值大於所述的第1撓性層的至少一個第2撓性層；上述的至少一個第1和第2層連在一起。
2.按照權利要求1所述的材料，其特徵在於所述之至少一個第1和第2層是連在一起的。
3.按照權利要求2所述的材料，其特徵在於所述之至少一個第1和第2層是粘合在一起的。
4.按照權利要求2所述的材料，其特徵在於所述之至少一個第1層的0°和90°長絲材料是編織在一起的。
5.按照權利要求4所述的材料，其特徵在於所述之於少1個第2層的0°和90°長絲材料是編織在一起的。
6.按照權利要求5所述的材料，其特徵在於所述的至少一個第1和第2層的單向長絲材料是線狀的。
7.按照權利要求所述的材料，其特徵在於所述的至少1個第1層由自由液晶向熱性(熔紡)聚酯多芳基纖維和感膠離子(溶液紡絲)芳族聚醯胺纖維組成的一組材料中選出。
8.按照權利要求4所述的材料，其特徵在於所述的第2層的所述的長絲材料是聚酯纖維。
9.按照權利要求1-8中任一項所述的材料，其特徵在於所述的至少一個第1層和第2層是編織在一起的。
10.按照權利要求1-8中任一項所述的材料，其特徵在於所述的至少一個第1層和和第2層是縫在一起的。
11.按照權利要求1-8中任一項所述的材料，其特徵在於還包括一層粘合到所述的至少一個第1和第2層的能防氣體滲透的撓性材料層。
12.按照權利要求11所述的材料，其特徵在於所述的能防氣體滲透層是聚酯對苯二酸酯。
13.按照權利要求10所述的材料，其特徵在於還包括一層粘合到所述的至少一個第1和第2層的抗紫外線照射材料層。
14.按照權利要求13所述的材料，其特徵在於所述的抗紫外線照射層是聚氟乙烯。
15.一種壓力容器用的材料，包括以90°角編織成的長絲材料線構成的第1撓性布；由與所述的第1撓性布所說的0°和90°長絲材料成±45°的長絲材料線構成而損壞時形變值又大於第1撓性布的第2撓性布；所述的第1和第2撓性布用樹脂填料粘合在一起。
16.按照權利要求15所述的材料，其特徵在於在所述的第1撓性布的相對側有能防氣體滲透的薄膜。
17.按照權利要求16所述的材料，其特徵在於還有抗紫外線照射材料製成的第4撓性布粘合於上述薄膜上。
18.按照權利要求15-17中任一項所述的材料，其特徵在於所述的第1和第2撓性布是編織在一起的。
19.按照權利要求15-17中任一項所述的材料，其特徵在於所述的第1和第2撓性布是縫在一起的。
全文摘要
本發明提供了一種用於如比空氣輕的氣囊之類的壓力容器壁的材料。包括相互成0°及90°的單向長絲材料構成的第1撓性層(64)，自身互成0°和90°的又跟第1撓性層(64)成45°角的單向長絲材料構成的第2撓性層(70)。第2撓性層(70)的材料損壞時形變值大於第1撓性層(64)的形變值。第1及第2撓性層(64，70)用樹脂粘結起來。最好，把防氣體滲透的撓性材料層(79)與抗紫外線照射材料層(80)粘到兩個撓性層(64，70)上。
文檔編號D03D1/02GK1168703SQ95194711
公開日1997年12月24日 申請日期1995年5月1日 優先權日1994年9月30日
發明者羅伯特·S·庫西亞斯 申請人:洛克希德·馬丁公司