[發明專利]層狀復合部件

有效

• 申請號: 201210233115.6
• 申請日: 2012-07-06
• 公開（公告）號: CN102862299B
• 公開（公告）日: 2017-03-01
• 發明（設計）人: M.P.杰文斯;R.巴克豪斯
• 申請（專利權）人: 勞斯萊斯有限公司
• 主分類號: B29C70/08
• 分類號: B29C70/08
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司72001
• 代理人: 張雨

技術領域

本發明涉及一種層狀復合部件以及一種形成層狀復合部件的方法。這種部件通常包括嵌入在基體材料中的增強纖維的堆疊層壓層。

背景技術

復合材料廣泛地使用在各種工業中，并且可以提供優于金屬替代物的顯著優點。尤其是在航空工業中，復合材料可以有助于減輕重量，同時具有期望的強重比，并且提供對大多數化學和環境威脅的抵抗。燃氣渦輪發動機的風扇和/或壓縮機系統的組成部件，包括包容機匣、風扇葉片以及次級結構由于它們所運轉的相對較低的溫度，而給它們自身提供復合構造。在這些運轉溫度范圍上，復合材料可以提供所需水平的堅固性、耐用性、強度和斷裂應變。

在航空工業中使用的類型的復合材料大體上包括嵌入在基體材料中的增強纖維的堆疊層壓層。增強纖維在所述層的平面中延伸并且可以是單向的，或者可以以各種構造并且沿著疊層方向延伸。各種材料可以用于增強纖維，包括碳、石墨、玻璃及各種金屬。與使用的具體材料和制造工藝無關，所有復合物表現出某些缺點。在這些缺點中顯著的是復合材料的比較差的層間強度。X-Y平面中的沿著所述堆疊層的平面的復合特性由增強纖維支配，意味著X-Y平面中的材料強度和斷裂應變是優異的。結果很好地開發了用來生產二維復合結構的制造方法。然而，沿著Z方向的層間特性由基體材料支配，意味著沿著該方向的強度和斷裂韌性是比較差的，從而限制了復合物在許多應用中的使用。

由于熱效應、沖擊事件或者在復合物中存在孔或自由邊而導致的破裂或脫層會嚴重地降低壓縮和撓曲加載能力，或者導致大規模的脫層，這會導致過早的結構破壞。在航空發動機的情況下，復合部件經受吸入到發動機中的吸氣的損壞和外界物體的沖擊。這種物體可以是機載的或者吸入到發動機入口中的。這些包括各種類型和大小的鳥以及無生命物體，例如冰雹、沙、陸冰以及跑道碎片。已經發現對包括風扇和壓縮機葉片的葉片構件的機翼的沖擊損壞以及對氣流中的支桿類型構件的損壞導致材料的損失和/或堆疊層的脫層。該程度的損壞會降低運轉完整性以及復合物品的壽命。在旋轉的葉片中，它會導致發動機變得不平衡，從而導致潛在嚴重且有害的振動。

存在多種技術用于克服復合物中的這些局限性。最經常使用的兩種是韌化基體和“橫向”增強纖維。韌化基體通常比基準系統昂貴得多，具有差的熱濕特性，并且仍然不能為成功的部件設計提供足夠的強度。結果，橫向增強體通常是更期望的選擇，并且已經開發了若干種技術用于穿過復合物的厚度放置纖維以提高它們的層間特性。

縫紉、釘釘和針刺都是用于引入橫向增強體的已知技術。然而，這些方法都易于導致面內特性的顯著下降，難以在復雜形狀的部件內實施，并且限制了可以用于增強的纖維的類型。縫紉使用寬度通常超過5mm的針。當用這種大小的針刺入纖維層壓板時，對承載面內纖維造成顯著的切割或損壞。這樣會導致超過20%的強度下降。除了這種針損壞以外，縫紉還使用會損壞表面層的連續線。從一個針腳橫移到下一個針腳的線中的線圈使頂面幾個層的面內纖維“打結”，從而產生顯著的強度損失。由于縫紉需要的固化半徑，實際上可以使用的纖維被限制為玻璃或芳香族聚酰胺類型纖維，例如KEVLAR^RTM。這些材料不是對于所有應用的最有效的橫向增強體，并且已知吸收濕氣，而這是不期望的。

用于克服這些問題和缺點的一種技術包括沿著Z方向穿過復合材料的厚度插入縱向銷或釘。US4808461公開了一種所謂Z銷的插入方法，其中多個增強銷完全沿著與可熱分解材料的主體的平面垂直的方向設置。該結構然后經受升高的溫度，其分解可熱分解材料。使用壓力來將增強元件打入所述結構中，其然后固化。最終的復合部件將包含垂直設置的增強元件，在復合部件的期望位置處增加強度。根據其他方法，可以使用銷攜帶器來將銷垂直地打入預浸漬（預浸料）纖維的疊層中，其然后定形并固化。US7008689討論了Z方向增強體的位置，根據任何具體部件區域中的期望應力水平公開了Z銷的分布。