Армированное волокном 3D ткацкое переплетение и способ его изготовления
FIBER-REINFORCED 3D WEAVING AND METHOD FOR ITS PRODUCTION

Предпосылки создания изобретения
1. Область техники
Данная патентная заявка относится к несущим конструкциям и способам их изготовления В частности, несущие конструкции изготавливают из трехмерных (3D) тканых материалов.
2. Родственная область техники
В несущих конструкциях (автомобилей, самолетов, мостов и т.д.) зачастую приложенные нагрузки и пространственные ограничения создают путь передачи нагрузки, который подвергает материал воздействию значительных напряжении сдвига. Например, корпус фюзеляжа подвергается воздействию скручивающих нагрузок в полете, что приводит к напряжениям сдвига в зоне обшивки фюзеляжа. Поэтому важными свойствами материала, используемого в каких конструкциях, являются адекватные жесткость и прочность при сдвиге.
Обычные конструкции для увеличения жесткости и прочности при сдвиге представляют собой слоистые композиты, сконструированные из однонаправленных (моноаксиальных) или биаксиальных тканых слоев. Эти слон, которые сами по себе имеют слабые механические характеристики при сдвиговых нагрузках, размещают под различными углами, чтобы создать слоистые конфигурации, обладающие существенно улучшенными характеристиками прочности на сдвиг. Наиболее часто слон помешают под углами 0°, 45° или 90°, в различных соотношениях, чтобы удовлетворить требованиям структурного проектирования, но возможны и другие углы.
12
Фиг. 1 иллюстрирует 3D тканый композит, который соткан биаксиально, то есть жгуты и волокна проходят в направлениях основы (0°) и утка (90°). В трех измерениях биаксиально сотканные композиты имеют многочисленные слои, как показано на Фиг. 1А. Отсутствие диагональных волокон под другими углами в сочетании с по своей природе слабыми механическими характеристиками при сдвиговых нагрузках жгутов, приводит к слабым жесткости и прочности при сдвиге в макро-масштабе, что может проявляться при чисто сдвиговой нагрузке или при приложении нагрузки под углом 45°. Жесткость и прочность при сдвиге в плоскости обеспечивает низкий уровень надежности для некоторых применений. На Фиг. 1В приведено сравнение прочности при растяжении (зависимость деформации от напряжения) для 3D тканого композита с армированием среднемодульным углеродным волокном, при приложении нагрузки в направлениях 0° (основа), 45° (по диагонали) и 90° (уток), где КB обозначает коэффициент вариации, a IM7 - армирование среднемодульным углеродным волокном. Типичное значение для модуля сдвига (G) в плоскости составляет примерно 5,5 ГПа.
Некоторые исследователи попытались решить эту проблему низкого уровня прочности и жесткости на сдвиг 3D в плоскости биаксиально сотканных композитов путем вплетения диагональных жгутов под углами, отличными от 0° и 90°, что может существенно увеличить сложность ткацкого станка и технологического процесса. См., например, Labanieh et al., “Conception and characterization of multiaxis 3D woven preform” (Концепция и определение характеристик мультиаксиальной 3D тканой заготовки), 2013, TexComp Conference, Leuven, Belgium.
Краткое описание изобретения
Описано трехмерное (3D) ткацкое переплетение и способ получения этого переплетения. Переплетение включает первые нити, проходящие в одном направлении, и вторые нити, проходящие в другом направлении и взаимно переплетенные с первыми нитями. По меньшей мере часть вторых нитей включают по меньшей мере одну диагональную армирующую нить.
В одном из воплощений по меньшей мере часть вторых нитей представляют собой слоистую структуру, имеющую по меньшей мере три слоя, которые включают по меньшей мере один диагональный слой второй нити, при этом каждый по меньшей мере один диагональный слой второй нити имеет волокна, проходящие под углом, отличным от 0° или 90°, по отношению к волокнам в слоях вторых нитей, которые не являются диагональными слоями вторых нитей.
Слоистая структура может включать первый слой волокон второй нити, проходящих в первом направлении, и второй слой волокон второй нити, проходящих во втором направлении. По меньшей мере один диагональный слой волокон второй нити расположен между первым и вторым слоями второй нити, а волокна в первом диагональном слое второй нити идут под первым углом по отношению к первому направлению.
Слоистая структура может также иметь второй диагональный слой волокон второй нити, расположенный между первым и вторым слоями второй нити, при этом во втором диагональном слое второй нити проходят n волокон под вторым углом по отношению к первому направлению.
Структура может также включать по меньшей мере часть первых нитей, которые представляют собой слоистую структуру, имеющую по меньшей мере три слоя, которые включают по меньшей мере один диагональный слой первой нити, при этом каждый по меньшей мере один диагональный слой первой нити имеет волокна, идущие под углом, отличным от 0° или 90°, по отношению к волокнам в слоях первой нити, которые не являются диагональными слоями первой нити. Слоистая структура может также включать первый слой волокон первой нити, проходящий в третьем направлении, и второй слой волокон первой нити, проходящий в четвертом направлении. По меньшей мере один диагональный слой волокон первой нити расположен между первым и вторым слоями первой нити, и волокна в первом диагональном слое первой нити идут по другим первым углом по отношению к первому направлению.
В другом воплощении по меньшей мере часть вторых нитей представляет собой плетеные жгуты и возможно включение по меньшей мере части первых нитей, представляющих собой плетеные жгуты.
В еще одном воплощении по меньшей мере часть вторых нитей представляет собой мультиаксиальные ленты и возможно включение по меньшей мере части первых нитей, представляющих собой мультиаксиальные ленты.
Краткое описание чертежей
Сопровождающие чертежи, которые включены для обеспечения лучшего понимания данного изобретения, включены в данное описание и составляют его часть. Представленные здесь чертежи иллюстрируют различные воплощения данного изобретения и, совместно с описанием, служат для разъяснения принципов данного изобретения. На чертежах:
Фиг. 1А иллюстрирует известное в уровне техники 3D послойное переплетение (ply-to-ply 3D weave).
Фиг.1В иллюстрирует типичную зависимость деформации от растягивающего напряжения в биакспально 3D тканом композите без армирования диагональными волокнами.
Фиг. 2 иллюстрирует строение многонаправленного, многослойного жгута.
Фиг. 3 дает графическое сравнение модулей упругости образцов трех конфигурации.
Фиг. 4 представляет собой фотографию 3D тканой заготовки, сформированной из переплетенных нитей, включающих армирование диагональными волокнами.
Фиг. 5 и 6 представляют собой фотографии композита, изготовленного из заготовки Фиг. 4.
Фиг. 7А-7В иллюстрируют примеры нитей, которые содержат волокна, проходящие под углом к оси.
Фиг. 8 иллюстрирует сводные результаты по модулю упругости и прочности на растяжение для образца, содержащего мультиаксиальный жгут.
Фиг. 9 иллюстрирует зависимость деформации от растягивающего напряжения в плоскости для 3D тканого композита, включающего армирование мультиаксиальными волокнами.
Фиг. 10 иллюстрирует сравнение реакции на растяжение в плоскости, под углом 45°, для 3D тканых композитов, включающих мультиаксиальное армирование и моноаксиальное армирование.
Подробное описание изобретения
В данном патентном описании термины «содержащий» и «содержит» могут означать «включающий» и «включает», или могут иметь значение, которое обычно придают термину «содержащий» или «содержит» в патентном законодательстве США. Термины «по существу состоящий из» или «по существу состоит из», если их применяют в формуле изобретения, имеют значение, которое приписывает им патентное законодательство США. Другие аспекты данного изобретения описаны в последующем описании или (в пределах объема данного изобретения) являются очевидными из него.
В последующем описании термины «пряжа», «волокна» и «нити» применяют взаимозаменяемо. Как используют в данном патентном описании, термины «пряжа», «волокна» и «нити» могут относиться к одноволоконным нитям, к многоволоконным нитям, крученым нитям, текстурированным нитям, нитям с покрытием, двухкомпонентным нитям, а также к нитям, изготовленным из надорванных при растяжении волокон любых материалов, известным специалистам в данной области. Жгуты» состоят из многочисленных волокон, и в данном тексте их взаимозаменяемо называют жгутами, многонитевыми жгутами, многоволоконными жгутами и плетеными жгутами. Волокна могут состоять из углерода, нейлона, вискозы, стекловолокна, хлопка, керамики, арамида, полиэфира, металла, стекловидного полиэтилена и/или других материалов, которые проявляют желаемые физические, термические, химические или другие свойства.
Термин «сложенный» широко используют в тексте данного описания в смысле «сформированный», что включает развертывание, перегибание и другие подобные термины для воздействия на форму тканого материала. Термин «диагональный» применяют взаимозаменяемо с термином «проходящий под углом к оси», что означает расположение под углом, отличным от 0° и 90°, по отношению к заданному эталонному направлению.
Для лучшего понимания изобретения, его преимуществ и целей, достигаемых при его применении, приводится сопровождающий текстовый материал, в котором на сопровождающих чертежах проиллюстрированы неограничивающие примеры воплощения данного изобретения, где соответствующие компоненты обозначены одинаковыми численными сносками.
Данное патентное описание раскрывает продукт и способ изготовления этого продукта с целью улучшения механических свойств в плоскости при сдвиговых нагрузках для ткацких переплетений, путем использования жгутов, которые имеют улучшенные сдвиговые свойства и которые можно соткать с использованием существующего 3D ткацкого оборудования и технологических процессов. В то время как для улучшения сдвиговых свойств в плоскости, как обсуждалось выше, в биаксиально сотканных материалах можно использовать слоистые диагональные слои, данное патентное описание раскрывает улучшение сдвиговых свойств в плоскости путем переплетения жгутов, которые сами по себе сконструированы таким образом, что они имеют армирование под углом к оси (диагональное). То есть жгуты содержат армирование волокнами в различных направлениях по отношению к направлению оси жгута. Жгуты могут быть многослойными, такими как слоистые ленты, мультиаксиальные ленты; или мультиаксиальными, например, плетеными, которые являются однослойными и не содержат однонаправленных слоев. Описанные здесь жгуты можно использовать в качестве части или всех жгутов в любом или во всех направлениях тканого материала. Например, жгуты можно использовать для части или для всех жгутов в одном из направлений тканого материала - основы или утка, или в обоих этих направлениях. В другом примере жгуты можно использовать для части или для всех жгутов в направлении основы или утка, в то время как моноаксиальные жгуты использовать в оставшемся направлении утка или основы. Предполагают, что жгуты можно использовать также и в диагональном слое слоистого тканого материала.
Фиг. 2 иллюстрирует вид в сечении одного из воплощений мультиаксиального, многослойного жгута 200, имеющего четыре слоя. Волокна во внешних слоях 202 ориентированы в одном направлении, которое для целей сравнения обозначено как 0°. Волокна в первом промежуточном слое 204 ориентированы под углом +45°, а волокна во втором промежуточном слое 206 ориентированы под углом -45° по отношению к волокнам во внешнем слое 202. Хотя жгуты изображены с волокнами, идущими под углом ±45°, в промежуточных слоях, с учетом других соображений могли бы быть предпочтительны другие углы, включая ±30° или ±60°. К тому же углы, изображенные и обсуждаемые для моноаксиальных диагональных слоев, приведены только для иллюстрации, и волокна могут быть направлены по отношению друг к другу под таким углом, которого требуют конструктивные соображения. Следует отметить, что в зависимости от конструктивной необходимости можно использовать большее или меньшее число слоев.
Для получения желаемой толщины D каждый из слоев 202, 204, 206 может иметь многочисленные слои волокон, имеющих одинаковую ориентацию. Следует отметить, что толщина каждого слоя может быть такой же, как у других слоев, или отличаться от них, в зависимости от конструктивных требований. Примерная толщина каждого слоя находится в диапазоне от 0,025 см (0,01") до 0,190 см (0,075"); при этом номинальной толщиной является 0,159 см (0,0625").
Жгут 200 можно изготовить в виде ленты с желаемой шириной W, или в виде листа, и нарезать на ленты желаемой ширины W. На многослойные и многонаправленные мультиаксиальные тканые материалы можно нанести термопластичную оболочку, на любую из внешних поверхностей или на обе внешние поверхности первого и последнего слоев 202, а затем разрезать на ленты шириной W, для применений при автоматизированной укладке лент (Automated Таре Layup, ATL) или, в данном примере, в 3D ткачестве.
Примерная ширина W ленты в жгуте составляет в диапазоне от 0,051 см (0,02") до 1,905 см (0,75"), при этом номинальным значением является 0,635 см (0,25"). Независимо от этого многонаправленные, многослойные жгуты, сконструированные, как это описано в данном описании, используют для изготовления 3D биаксиально сотканных заготовок желаемой конфигурации.
Кроме 3D тканого листа с многочисленными слоями, 3D биаксиально тканые заготовки можно ткать с многочисленными разветвлениями в пределах заготовки, что приводит к получению заготовки с различными формами сечения, включая π, Т, Н, О, I и другие формы, известные специалистам. 3D биаксиально тканую заготовку впоследствии можно пропитать смолой, с получением композита.
Жгуты можно использовать в любых известных технологиях ткачества, включая, но не ограничиваясь этим, жаккард или ткань, полученную на кареточном станке, с использованием челночного и рапирного ткацких станков. Фиг. 2 иллюстрирует жгут, который имеет слоистую структуру. Однако, как известно специалистам, к слоистой структуре можно добавить дополнительные связующие волокна (не показано).
Такие способы изготовления создают тонкую мультиаксиальную ткань и/или обработанный смолами материал, подобный Hi-Tape, которые можно непосредственно использовать в слоистых композитах или при автоматизированной укладке лент.
Как проиллюстрировано, жгут 200 представляет собой слоистую структуру, имеющую по существу прямоугольную форму сечения, что можно назвать слоистой лентой. Однако возможны и другие формы, и жгут может представлять собой, например, плоскую тесьму с волокном или волокнами, проходящими под углом к оси, как, например, плетеный жгут, изображенный на Фиг. 7А, или мультиаксиальные ленты, изображенные на Фиг. 7В.
Как обсуждалось выше, нити могут иметь структуру слоистой ленты, с одним или более диагональных слоев. То есть диагональные слои представляют собой слои, полученные из волокон, расположенных под углом, отличным от 0 градусов или 90 градусов, по отношению к слоям, которые не являются диагональными слоями. Хотя на Фиг. 2 показаны внешние слои с волокнами, проходящими в одном направлении, это не является ограничением. Действительно, слои слоистой структуры могут находиться в любом желаемом расположении, в соответствии с конструктивными требованиями. Соответственно, не имеется ограничений по поводу того, где в слоистом пакете расположены слои, проходящие диагонально по отношению к другим слоям. И угловое направление волокон в диагональном слое может быть таким же, как угловое направление волокон в других диагональных слоях, или отличаться от него. Более того, волокна в диагональных слоях могут идти под углом 0 градусов или 90 градусов по отношению друг к другу.
Фиг. 8 изображает сводные экспериментальные данные по модулю упругости и прочности при растяжении для образца, включающего 3D мультиаксиальный жгут, армированный волокном, при приложении нагрузки в направлениях 0° (основа), 45° (по диагонали) и 90° (уток).
Испытания проводили в следующих условиях:
Тип жгута: углеродное волокно Toray Т300
Размер (размеры) жгута: 1 К - количество волокон на жгут
Количество жгутов: 24 - количество жгутов, используемых для ткачества плетеной арматуры.
Отношение количества жгутов, идущих в прямом направлении, к количеству жгутов, идущих под углом: 8 к 16: в осевом направлении используют 8 жгутов.
Оставшиеся 16 жгутов переплетают в процессе плетения.
Предполагаемый угол переплетения: 45° (фактически ~55°)
Конечный объем волокон (ОВ) в панели: ~55%
Предполагают, что уплощенные плетеные жгуты могут имитировать мультиаксиальные жгуты. Усредненные свойства жгута определяют на основе объема волокон в пластине 58%, что дает 46% объем волокон в композите в целом. При использовании плетеных жгутов G12 композита улучшается (~17 ГПа вместо ожидаемых 4-5 ГПа),
На Фиг. 9 изображены экспериментальные результаты по определению зависимости деформации от растягивающего напряжения в плоскости для 3D-тканого композита, в состав которого входят армирующие мультиаксиальные плетеные жгуты. Отметим, что модули (наклоны зависимостей) для направления по диагонали, направлений основы и утка являются очень сходными. Это является результатом введения армирования проходящими под углом к оси волокнами в плетеных жгутах, использованных в процессе 3D ткачества.
Как можно видеть, модуль Фиг. 9 сходен с модулем в случае мультиаксиального армирования Фиг. 8, в то время как изображение, приведенное на относящемся к существующему уровню техники Фиг. 1В. дает совершенно различные отклики при приложении нагрузки к композиту в направлениях основы, утка и в диагональном направлении (45°).
Фиг. 10 приводит сравнение откликов в плоскости при приложении усилия растяжения под углом 45° для 3D тканых композитов, включающих мультиаксиальное и моноаксиальное армирование. Модуль, относящийся к мультиаксиальному армированию, значительно больше, чем модуль при моноаксиальном армировании.
Фиг. 4 представляет фотографию 3D тканой заготовки 400, имеющей плетеные нити с проходящим под углом к оси волокном вместо плоской ленты. Средняя секция 410 по ширине представляет собой переплетенные как в направлении основы, так и в направлении утка плетеные нити с проходящим под углом к оси волокном. В верхней третьей части 420 и нижней третьей части 430 в направлении основы вплетены многонаправленные плетеные нити, а в направлении утка вплетены стандартные моноаксиальные жгуты. Это иллюстрирует, что можно соткать гибридную заготовку, смешивая стандартные и мультиаксиальные жгуты для удовлетворения требований по характеристикам. Плетеная нить является многонаправленным жгутом, а не только проходящим под углом к оси волокном. Она обеспечивает армирование как по оси, так и под углом к ней. Плетеный жгут может, в дополнение к проходящим под углом к оси волокнам, иметь волокна, направленные по оси.
На Фиг. 5 и 6 представлены фотографии композита из 3D тканого материала по Фиг. 4.
Три конфигурации строения 3D тканого композита с использованием многонаправленных, многослойных жгутов по данному изобретению сравнивали, используя возможности программного обеспечения микромеханической гомогенизации, внедренного в Albany Engineering Composites' (АЕС) 3D Composite Studio™:
Пример 1
3D тканый композит, изготовленный с использованием моноаксиальной ленты, с содержанием волокна и размерами, сходными с Hexcel Hi-Tape. Плотность упаковки в жгуте составляет 60%, что приводит к общему объему волокна 50%. Содержание волокна в композите, в направлениях 0°, ±45° и 90°, составляет 50%, 0% и 50%, соответственно. Для расчета упругих свойств композита была выбрана конфигурация волокон, соединяющихся под малым углом.
Пример 2
3D тканый композит, изготовленный с использованием многонаправленной ленты, с содержанием волокна и размерами, сходными с Нexcel Hi-Tape, хотя их конструкция более похожа на материал C-Ply™. Плотность упаковки в жгуте составляет 60%, что приводит к общему объему волокна 50%. Содержание волокна в композите, в направлениях 0°, ±45° и 90°, составляет 25%, 50% и 25%, соответственно. Каждый жгут имеет распределение волокна 50%, 50%, 0%. Для расчета упругих свойств композита и количественного определения изменении механических свойств была выбрана та же конфигурация волокон, соединяющихся под малым утлом, из Примера 1.
Пример 3
Стандартная квази-изотропная слоистая конфигурация с 50% объемом волокна и распределением волокна (25%, 50%, 25%). Эта конфигурация была выбрана в качестве точки отсчета, чтобы проиллюстрировать более слабые сдвиговые свойства стандартных 3D тканых композитов (Пример 1) и количественно оценить улучшения, полученные от данного изобретения (Пример 2).
Результаты, сравнивающие эти три примера, сведены в Таблицу 1 и показаны на Фиг. 3. Пример 2 показывает 3,83Х улучшение в параметре жесткости на сдвиг (Gxy) по сравнению с Примером 1 и находится в пределах 20% от жесткости на сдвиг квази-изотропной слоистой конфигурация. В то время как осевые модули (Ехх и Еуу) в Примере 2 были значительно, примерно на 33%, снижены по сравнению с Примером 1, они находились в пределах 4% от величин Примера 3.
Из этих результатов можно сделать вывод, что при использовании многонаправленного армирования, раскрытого в данном патентном описании, можно изготовить 3D тканый композит, у которого характеристики жесткости в плоскости очень близки по свойствам квази-изотропной слоистой конфигурации, который принят за стандарт в промышленности, с теми дополнительными преимуществами, что получены улучшения в отношении жесткости и прочности по толщине, устойчивости к разрушениям и характеристикам по поглощению энергии.
3D многослойные, многонаправленные тканые материалы можно пропитать материалом матрицы. Материал матрицы включает эпоксидную смолу, бисмалеимид, полиэфир, винилэфирную смолу, керамику, углерод и другие подобные материалы.
Другие примеры воплощения находятся в пределах объема нижеследующей формулы изобретения.