[發(fā)明專利]線/纖維環(huán)狀物及其制造方法

無效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200580025435.0
• 申請(qǐng)日: 2005-07-19
• 公開（公告）號(hào): CN101415541A
• 公開（公告）日: 2009-04-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 威廉·哈努斯克;莉莎·哈努斯克;史蒂芬·斯皮爾;查理斯·羅文;杰弗瑞·帕訥爾
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 賽夸公司
• 主分類號(hào): B32B3/02
• 分類號(hào): B32B3/02
• 代理公司: 廣州三環(huán)專利代理有限公司
• 代理人: 郝傳鑫

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及線/纖維環(huán)狀物，更具體地，涉及一種具有改進(jìn)的空洞和纖維結(jié)構(gòu)的改良基體復(fù)合型線/纖維環(huán)狀物，以及制造所述改良的基體復(fù)合型線/纖維環(huán)狀物的方法。

背景技術(shù)

鈦基復(fù)合材料(Titanium?matrix?composite，TMC)環(huán)狀物使用于在高溫中轉(zhuǎn)動(dòng)的零件，例如使用于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)中，其中特定的硬度和強(qiáng)度是設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵因素。雖然使用TMC制造方法生產(chǎn)這些材料已普遍地受到資金短缺的妨礙，一種TMC制造方法成為了希望。根據(jù)這種方法，將鈦絲(titanium?wire)和碳化硅(SiC)纖維結(jié)合起來以形成一個(gè)環(huán)形增強(qiáng)體陣列(hoop?reinforcement?array)。美國專利第5763079號(hào)(申請(qǐng)人為Hanusiak)以及5460774號(hào)(申請(qǐng)人為Bachelet)已經(jīng)描述了利用這種方式制造TMC環(huán)狀物的方法。這兩個(gè)專利描述了達(dá)到相同目的的不同方法。但是，這兩個(gè)專利在設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)上都限制了生產(chǎn)的靈活性。

圖1A-1C展示了Hanusiak的方法。在這種方法中，線狀物3和纖維4的結(jié)合比例被限制于1∶1，但是只要線狀物3的直徑比纖維4的直徑大，線狀物的直徑與纖維的直徑就可以不同。通過選擇線狀物及纖維的直徑可以確定纖維在所生成復(fù)合物中的含量(fraction)。例如，使用直徑為0.007英寸的線狀物和直徑為0.0056英寸的纖維可生產(chǎn)出纖維含量為30％的合成物。根據(jù)Hanusiak的發(fā)明，組件(assembly)由一個(gè)全是線狀物元件的帶條(tape)和一個(gè)全是纖維元件的帶條組成，這兩個(gè)帶條結(jié)合起來使每疊(ply)有兩層(layer)。每個(gè)帶條由尺寸相同的元件組成，但是第一帶條中元件的尺寸不一定必須和第二帶條中元件的尺寸相同。所述組件是以相鄰的纖維4之間相互不發(fā)生接觸的方式將每種類型的帶條交替地施加到纏繞芯體(winding?core)而形成的。根據(jù)Hanusiak等人的發(fā)明制造出的結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于：線狀物和纖維直徑的比例可以變化，所以可以輕易制造出纖維含量為35％-45％的合成物。這種范圍內(nèi)的纖維含量對(duì)于有效的環(huán)狀物構(gòu)建是特別合適的。但是，根據(jù)Hanusiak等人的發(fā)明制造出的結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)在于：裝配后的陣列(assembled?array)含約20％的空洞(void)，這種空洞對(duì)較厚的零件是特別有害的，因?yàn)樗试S在金屬移動(dòng)時(shí)形成不希望出現(xiàn)的尖點(diǎn)(cusp)。另外，根據(jù)Hanusiak等人的發(fā)明制造出的結(jié)構(gòu)已經(jīng)顯示出在固化循環(huán)中組織性不穩(wěn)定的特性，所述固化過程是用來消除TMC零件中的空洞含量。

圖1A展示了根據(jù)Hanusiak等人的發(fā)明所制造的復(fù)合材料環(huán)狀物(composite?ring)結(jié)構(gòu)的剖面圖。在該結(jié)構(gòu)中，線狀物3之間只在高度方向上互相接觸，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)中存在最大的纖維間距。圖1B展示了Hanusiak等人的發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，其中有適中的纖維間距以便纖維被等寬等高地分開。圖1C描述了Hanusiak等人的發(fā)明的另一個(gè)結(jié)構(gòu)的構(gòu)造，其中有最小的纖維間距，使得線狀物3只在側(cè)面或?qū)挾确较蛏舷嗷ソ佑|。

圖2A-2C闡述了Bachelet描述的方法。根據(jù)該方法，線狀物/纖維的結(jié)合被限制到2∶1或3∶1的比例。另外，在Bachelet揭露的所有例子中，線狀物的直徑被限制到與纖維的直徑相同的尺寸。所有組件都利用每疊兩層的結(jié)構(gòu)，并分成如圖2A-2C所示的三種類型。

更具體地，如圖2A所示，每個(gè)第一層由纖維4組成，這些纖維4被兩個(gè)直徑相等的線狀物3互相間隔開來，并且第二層被橫向地編排(laterally?indexed)以使纖維4放置在下層的兩個(gè)線狀物3之間。

如圖2B和2C所示，在Bachelet所揭露結(jié)構(gòu)的其他實(shí)施例中，其中第一層由纖維4組成，這些纖維4被一個(gè)直徑相等的線狀物3互相分開。第二層全部由與第一層中纖維4直徑相同的線狀物3組成。Bachelet方法的優(yōu)點(diǎn)在于：空洞的含量只有約10％，而且明顯地，此陣列在后續(xù)的固化步驟中具有組織穩(wěn)定性。而且，Bachelet的方法可以適用于較厚的零件，因?yàn)樵摲椒óa(chǎn)生相對(duì)較低的空洞含量，因?yàn)檠豑MC周長(zhǎng)(perimeter)形成尖點(diǎn)的趨勢(shì)較低。但是，Bachelet方法的缺點(diǎn)在于，在其實(shí)施例中將線狀物和纖維限定為線狀物具有相同的直徑，因此使纖維的含量限制在25％-33％之間。從設(shè)計(jì)的角度來說，這樣的纖維含量不是最理想的范圍。即，在很多設(shè)計(jì)中，需要40％的纖維含量來實(shí)現(xiàn)有用的性能提高。