[發明專利]抗拉強度提高的薄氈穩定型復合材料

在審

• 申請號: 201380059032.2
• 申請日: 2013-12-16
• 公開（公告）號: CN104781067A
• 公開（公告）日: 2015-07-15
• 發明（設計）人: T·K·特索特西斯
• 申請（專利權）人: 波音公司
• 主分類號: B32B5/02
• 分類號: B32B5/02;B32B5/06;B32B5/26;B32B7/02;C08J5/24
• 代理公司: 北京三友知識產權代理有限公司 11127
• 代理人: 王小東

技術領域

本公開總體涉及固化的復合材料，并且更特別地涉及利用夾層連同加強層來獲得抗拉強度增加的固化的復合材料的薄氈穩定型織物(veil-stabilized?fabrics)。

背景技術

由單向增強纖維的交替層構建的高性能復合材料擁有強度高、重量輕的組合優勢。因此復合材料用于航空航天和其它行業中，在這些行業中這樣的性能要求是很關鍵的。一般而言，通過將若干交替層與具有以不同角度延伸的單向纖維的相鄰層鋪放來制備復合材料。若干層這樣的單向織物的累積的凈效應在于提供擁有出眾強度(或者是準各向同性的，或者在一個或多個特定方向上)的復合材料。這樣的復合材料可作為預浸料或預制件生產。

在預浸料的途徑中，各層單向織物被浸泡或浸漬基質材料，諸如樹脂。各層可被鋪放成將要由復合材料生產的最終復合材料部件的形狀。此后，可加熱被鋪放的復合材料，以使基質材料固化并提供成品復合材料部件。

在預制件的途徑中，各層單向增強纖維或者機織、編織、經編或其它類型的織物類似于將之鋪放在預浸料的途徑中的方式進行鋪放。然而，在預制件的途徑中，各層在干燥的情況下被鋪放(即，沒有基質材料)。此后，在液體模制工藝中向被鋪放的復合材料注入基質材料，并且可加熱被模制的復合材料部件以使基質材料固化(如在預浸料的途徑中那樣)。

增強纖維的交替層或薄層提供了由預浸料或預制件制成的復合材料部件，該復合材料部件尤其在與具體的纖維方向對準的方向上具有很大的強度。從而，可生產非常強的輕質部分，例如，作為飛行器的機翼和機身。夾層的使用還可用來改進復合材料的斷裂韌性和/或抗沖擊性。

雖然增強纖維的交替薄層或者夾層的使用可提供強度和抗沖擊性，但復合材料的抗拉強度主要由增強纖維的性能及其與固化的基質材料的相互作用決定。由此，為了增加復合材料的抗拉強度，必須使用更高強度的增強纖維，這可能增加成本；或者必須使用專用樹脂，這可能影響復合材料的其它物理特性。

已發現，具有提高的(即增加的)扭曲變形和/或降低的(即較少的)擴張負荷的復合材料聚合物基質(如表達為馮·米塞斯應變關系)將增加馮·米塞斯應變并提供增強的復合材料機械性能。

物的變形可以分為兩類：擴張(即，體積膨脹)和扭曲。其機理對應于在均勻的應力狀態下發生在此物中的彈性和塑性過程。施加到物理系統并導致體積變化的力被稱為彈性，并且已經使用虎克定律進行了充分描述。如圖1所示的體積膨脹是分子間內聚的局部損失和密度減少的結果。只要位移較小，線性恢復力或內聚強度就將扭轉所施加的力的釋放的影響。隨著聚合物被冷卻，這里討論的內聚力還造成隨著溫度的熱收縮，并且直接后果是降低分子振動的振幅。可以使用勢函數來描述內聚力，勢函數將分子間引力能量和分隔距離與范德華力和最近的相鄰斥力關聯。

在宏觀層面，彈性變形的各向同性體將遵從以下關系而膨脹：ε_v＝J₁+J₂+J₃，其中J₁＝ε₁+ε₂+ε₃，J₂＝ε₁ε₂+ε₂ε₃+ε₃ε₁，J₃＝ε₁ε₂ε₃，并且ε₁、ε₂和ε₃是主應變。體積變化可以近似為應變J₁的第一恒量，這代表了超過98％的體積變化。

臨界體積膨脹能力在數值上等于聚合物從其玻璃化轉變溫度起開始冷卻所經歷的收縮的量。與熱能的減少和均衡分子間距離的降低直接相關的熱收縮代表了機械或熱負荷下的最大彈性膨脹潛力。

合理的是，隨著聚合物鏈的具體體積或區段響應于應變偏壓的突然切變或協同運動來觀察材料的扭曲或偏響應與所施加的力。圖2例示的扭曲的立方體是扭曲的簡單描述。

復合材料之中的聚合物可以并經常承受力的施加，這嚴重限制了聚合物的流動能力。由纖維取向(與主應變方向大于約30°)強加的約束將產生擴張的臨界變形。與全局應變的方向的角度差小于約25°的薄層取向將從擴張臨界行為過渡到扭曲臨界行為。