СПОСОБЫ И УСТРОЙСТВА ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ОГНЕСТОЙКОСТИ И ВЯЗКОСТИ РАЗРУШЕНИЯ КОМПОЗИТНОЙ КОНСТРУКЦИИ
METHODS AND DEVICE FOR INCREASING FIRE-RESISTANCE AND VISCOSITY OF DESTRUCTION OF A COMPOSITE STRUCTURE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[001] Настоящее изобретение в целом относится к композитным конструкциям, а в частности, к способам и устройствам для повышения огнестойкости и сохранения вязкости разрушения композитной конструкции без влияния на порядок ее изготовления или вес.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[002] Фюзеляжи летательных аппаратов должны соответствовать стандартам безопасности, установленным регулирующим органом (например, Федеральным управлением гражданской авиации Соединенных Штатов). Как правило, размеры конструкций фюзеляжа и соответствующая минимальная толщина обшивки летательных аппаратов определяются механической нагрузкой и/или допустимой повреждаемостью на основании правил и критериев безопасности (например, Boeing 787 и Airbus А350). Минимальные значения толщины обшивки на более крупных летательных аппаратах на сегодняшний день обеспечивают достаточную термическую толщину и достаточную огнестойкость для предотвращения распространения пламени.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[003] Приводимое в качестве примера устройство содержит композитную конструкцию, образованную самым внутренним слоем и огнестойким слоем, содержащим первую добавку для повышения стойкости указанной конструкции к воспламенению, причем огнестойкий слой является внутренним слоем композитной конструкции.
[004] Еще одно приводимое в качестве примера устройство содержит основной композит для получения слоя многослойной конструкции летательного аппарата, первую добавку для уменьшения воспламеняемости указанных слоя и многослойной конструкции и вторую добавку для повышения вязкости разрушения многослойной конструкции.
[005] Приводимый в качестве примера способ включает укладку первого композитного слоя, укладку второго композитного слоя, содержащего огнестойкую добавку, укладку третьего композитного слоя и отверждение указанных слоев с получением композитной конструкции, имеющей огнестойкие свойства.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[006] На ФИГ. 1А-1С представлены сечения примеров многослойных композитных конструкций, описанных в настоящем документе.
[007] На ФИГ. 2 представлен покомпонентный вид приводимой в качестве примера многослойной композитной конструкции по ФИГ. 1А.
[008] На ФИГ. 3 показан летательный аппарат, содержащий фюзеляж, в котором могут быть реализованы примеры многослойных композитных конструкций, описанных в настоящем документе.
[009] На ФИГ. 4 изображен пример разреза приводимого в качестве примера летательного аппарата, в котором могут быть реализованы примеры многослойных композитных конструкций, описанных в настоящем документе.
[0010] На ФИГ. 5А и 5В изображены примеры стрингеров летательного аппарата, которые могут содержать огнестойкие добавки.
[0011] На ФИГ. 6 изображен пример блок-схемы, представляющей способ изготовления приводимой в качестве примера многослойной композитной конструкции по ФИГ. 1А-1С.
[0012] На ФИГ. 7 схематично показан тепловой поток через приводимую в качестве примера композитную конструкцию.
[0013] Чертежи выполнены не в масштабе. Наоборот, для пояснения множества слоев и областей, толщина слоев на чертежах может быть увеличена. Там, где это возможно, одни и те же ссылочные номера будут использоваться на всех чертежах и в сопроводительном письменном описании для обозначения одних и тех же или подобных частей. Утверждение в настоящем патенте, что какая-либо часть (например, слой, пленка, площадь или пластина) каким-либо образом расположена (например, размещена, располагается, находится или сформирована и т.п.) на другой части, обозначает, что упомянутая часть либо находится в контакте с указанной другой частью, либо упомянутая часть находится над указанной другой частью с одной или более промежуточной частью (промежуточными частями), расположенной (расположенными) между ними. Утверждение что какая-либо часть находится в контакте с другой частью означает, что между этими двумя частями нет промежуточной части.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0014] Приводимые в качестве примера композитные конструкции, описанные в настоящем документе, являются многослойными композитными конструкциями, которые содержат огнестойкие материалы, добавленные по меньшей мере в один слой. При использовании в настоящем документе выражение "огнестойкий" может быть использовано в отношении материалов, которые являются огнестойкими и/или огнезащитным. Приводимые в качестве примера огнестойкие материалы могут быть добавлены в слой, который требуется по конструктивным соображениям, вместо добавления огнестойких материалов в дополнительный, неконструкционный слой. Таким образом, приводимые в качестве примера композитные конструкции могут быть изготовлены быстрее и с меньшими затратами по сравнению с композитными конструкциями с добавленными огнестойкими покрытиями или добавленными отдельно неконструкционными слоями. Приводимая в качестве примера композитная конструкция, описанная в настоящем документе, может быть использована для различных применений, включая воздушные летательные аппараты, водные суда, космические летательные аппараты, автомобили, наземные транспортные средства, турбины, спортивное снаряжение, военную технику, медицинское оборудование, потребительские товары и т.п.Приводимые в качестве примера композитные конструкции со встроенными огнестойкими материалами, описанными в настоящем документе, соответствуют стандартам огнестойкости и стандартам вязкости разрушения в различных отраслях промышленности.
[0015] Приводимая в качестве примера композитная конструкция содержит по меньшей мере первый слой и второй слой. В некоторых примерах первый слой может иметь отличающуюся толщину и/или может быть выполнен из другого материала по сравнению со вторым слоем. Например, первый слой может быть тканым композитным материалом, имеющим отличающуюся толщину от 7,5 микродюймов до 9 микродюймов (0,1905-0,2286 мкм), а второй слой может быть композитным материалом ленточного типа, имеющим отличающуюся толщину от 5 микродюймов до 8 микродюймов (0,127-0,2032 мкм). В альтернативном варианте реализации первый и второй слои могут иметь по существу одинаковую толщину и могут быть выполнены из композита одного и того же типа. Один из слоев может содержать добавки (например, органо-неорганические гибридные материалы) для повышения стойкости композитной конструкции к воспламенению. В некоторых примерах второй слой содержит добавки. В некоторых примерах первый слой ориентирован под первым углом, а второй слой ориентирован под вторым углом (т.е. композитные волокна первого слоя ориентированы в отличающемся направлении относительно волокон второго слоя).
[0016] В некоторых примерах композитная конструкция содержит один или более дополнительных слоев, которые могут быть ткаными композитными слоями, композитными слоями ленточного типа, препреговыми слоями, слоями с электромагнитными свойствами или композитным слоем какого-либо иного типа. В некоторых примерах верхняя и нижняя поверхности (например, внутренняя и внешняя поверхности, первый слой и последний слой) композитной конструкции образованы ткаными композитными слоями. Кроме того, первый и последний слои композитной конструкции могут не содержать добавок, которые содержатся во внутреннем слое (например, втором слое). В некоторых примерах композитная конструкция содержит один или более дополнительных внутренних слоев, которые не содержат добавок (например, добавок для повышения стойкости к воспламенению, которые могут быть добавлены во второй слой). В таких примерах слой, содержащий добавки (например, второй слой), имеет большую стойкость к воспламенению, чем другие слои композитной конструкции. Повышенная стойкость к воспламенению одного слоя, например второго слоя, композитной конструкции в целом повышает стойкость указанной конструкции к воспламенению.
[0017] В некоторых примерах один или более слоев композитной конструкции содержат вторые добавки для повышения вязкости разрушения или прочности композитной конструкции. В некоторых примерах вторые добавки добавляют в один и тот же слой в качестве добавок, которые повышают стойкость к воспламенению. Некоторые приводимые в качестве примера вторые добавки содержат термопласты, которые обугливаются при контакте с пламенем с образованием защитного слоя, противодействующего распространению пламени.
[0018] Приводимый в качестве примера слой может содержать основной композит (например, композитную смолу, волокна и т.п.), используемый для получения указанного слоя. В некоторых примерах основной композит может составлять приблизительно 30%-45% смолы по массе. Объемная доля волокон (например, углеродных волокон) композита может составлять от 45% до 65%. Множество слоев могут быть образованы основным композитом. В некоторых примерах один и тот же основной композит может быть использован для получения композитных слоев различных типов (например, слоев ленточного типа, тканых слоев, препреговых слоев, слоев с электромагнитными свойствами и т.п.). Первая добавка (например, органо-неорганический гибридный антипирен) может быть добавлена к части основного композита (например, части в виде композитной смолы, которая может быть использована для получения одного слоя многослойной композитной конструкции). Действие первой добавки может быть направлено на уменьшение воспламеняемости слоя возле поверхности, открытой воздействию источника огня, и, следовательно, композитной конструкции.
[0019] В некоторых примерах в указанную часть основного композита также может быть добавлена вторая добавка (например, обугливаемый термопласт). Действие второй добавки может быть направлено на повышение вязкости разрушения многослойной композитной конструкции, и вторая добавка может быть в виде нанотрубки, наночастицы, пленки, вуали, сетки, упрочняющих частиц или волокнистого материала. Дополнительно или в альтернативном варианте реализации вторая добавка может дополнительно повышать стойкость к воспламенению, если, например, вторая добавка является вуалью или определенной частицей (например, полиэфирэфиркетоновой частицей). Иными словами, в некоторых примерах второй слой композитной конструкции может содержать первые добавки, а дополнительный слой (например, третий слой, четвертый слой) композитной конструкции может содержать вторую добавку. Кроме того, в некоторых примерах третья добавка (например, каолин глина, меламин и т.п.) может быть добавлена со второй добавкой для способствования обугливанию во второй добавке, когда вторая добавка является обугливаемым термопластом.
[0020] Приводимые в качестве примера слои могут быть сформированы с получением композитной конструкции (например, композитного фюзеляжа летательного аппарата) посредством укладки первого слоя (например, наиболее внутреннего слоя), укладки второго слоя, содержащего огнестойкую добавку (например, органо-неорганический гибридный материал) и укладки третьего слоя (например, наиболее внешнего слоя). В некоторых примерах указанные слои могут быть тканым композитом, композитом ленточного типа, препреговым композитом и/или любой их комбинацией. Кроме того, некоторые приводимые в качестве примера композитные конструкции могут содержать дополнительные внутренние слои, расположенные между первым слоем и третьим слоем. В некоторых примерах каждый из дополнительных внутренних слоев может быть размещен на каждой стороне второго слоя, который содержит добавки. Иными словами, слой, содержащий добавки, не обязательно должен быть вторым слоем композитной конструкции. Как правило, слой многослойных композитных конструкций, который содержит добавки, повышающие огнестойкость, размещен ближе к первой поверхности (например, внутренней поверхности) композитной конструкции, чем ко второй поверхности (например, внешней поверхности) композитной конструкции. Таким образом, приводимая в качестве примера композитная конструкция защищает от распространения пламени на внутренней композитной конструкции. Дополнительные внутренние слои могут не содержать добавки. В альтернативном варианте реализации один или более дополнительных слоев могут содержать добавки (например, добавку, повышающую вязкость, добавку, вызывающую обугливание), отличные от второго слоя, который содержит добавки, повышающие огнестойкость. После укладки всех слоев многослойной конструкции слои отверждают (например, с использованием процесса совместного отверждения и/или совместного связывания) для получения единой композитной конструкции (например, фюзеляжа летательного аппарата), имеющей огнестойкие свойства.
[0021] Фюзеляжи летательных аппаратов должны соответствовать стандартам безопасности, установленным регулирующим органом (например, Федеральным управлением гражданской авиации Соединенных Штатов). Как правило, размеры конструкций фюзеляжа и соответствующая минимальная толщина обшивки летательных аппаратов (например, Boeing 787 и Airbus А350) определяются механической нагрузкой. Минимальные значения толщины обшивки на более крупных летательных аппаратах являются термически толстыми и достаточно огнестойкими, чтобы предотвратить распространение пламени. Размеры небольших пассажирских летательных аппаратов с уменьшенными требованиями к механической нагрузке на конструкцию фюзеляжа могут определяться (например, определяют размер или толщину фюзеляжа) механической нагрузкой и/или допустимой повреждаемостью на основании правил и критериев безопасности, и такие летательные аппараты могут иметь фюзеляжи с минимальными значениями толщины, которые не являются термически толстыми и не удовлетворяют стандартам безопасности по воспламеняемости без добавления специализированных материалов с помощью дополнительных технологических этапов (покрытия, пленок, пены и т.п.). В некоторых известных примерах огнестойкое покрытие наносят на фюзеляж после сборки фюзеляжа. Огнестойкое покрытие может представлять собой нанесенные разбрызгиванием покрытие или слой или может представлять собой покрытие другого типа, нанесенное на внутреннюю поверхность фюзеляжа. Однако нанесение огнестойкого покрытия может увеличить продолжительность изготовления и/или стоимость фюзеляжа. В других известных примерах материалы могут быть добавлены в конструкцию фюзеляжа посредством дополнительных технологических этапов перед отверждением конструкции фюзеляжа, что может увеличить вес конструкции. Таким образом, описанные здесь примеры композитных конструкций превосходят эти известные примеры, поскольку описанная здесь композитная конструкция обеспечивает достаточную противопожарную защиту с сохранением вязкости разрушения композитной конструкции без увеличения времени изготовления или утяжеления композитной конструкции.
[0022] На ФИГ. 1А-1С изображены сечения примеров композитных конструкций 100, 101, 103, описанных в настоящем документе. В проиллюстрированных примерах по ФИГ. 1А-1С, композитные конструкции 100, 101, 103 содержат множество слоев. Приводимые в качестве примера композитные конструкции 100, 101, 103 содержат слой, который является огнестойким. Иными словами, слой, который считается более огнестойким, чем другие слои в композитных конструкциях 100, 101, 103. Например, второй слой композитной конструкции 100, 101, 103 может иметь более высокую стойкость к воспламенению, чем остальные слои в композитных конструкциях 100, 101, 103. Включение одного слоя, который обладает большей огнестойкостью, повышает общую огнестойкость композитных конструкций 100, 101, 103. В альтернативном варианте реализации огнестойкий слой может находиться в другом положении внутри композитных конструкций 100, 101, 103, но обычно находится в пределах 50% наиболее внутренних слоев композитных конструкций 100, 101, 103, а предпочтительно в пределах 33% наиболее внутренних слоев. В некоторых примерах огнестойкий слой находится в пределах 3% наиболее внутренних слоев и в пределах 33% наиболее внутренних слоев для уменьшения величины тепловыделения и предотвращения распространения пламени на внутренней поверхности. В некоторых примерах огнестойкий слой может быть размещен в пределах 33% наиболее внешних слоев для защиты от распространения пламени от внешнего источника или топливного бака. В некоторых таких примерах два огнестойких слоя могут содержаться в композитной конструкции 100, 101, 103, при этом первый огнестойкий слой находится в пределах 33% наиболее внутренних слоев, а второй огнестойкий слой находится в пределах 33% наиболее внешних слоев. Кроме того, огнестойкий слой может увеличивать температуру воспламенения, необходимую для начала распространения пламени, что дополнительно предотвращает распространение пламени и снижает воспламеняемость композитной конструкции 100, 101, 103. Как правило, композитная конструкция 100, 101, 103, которая является изометрически симметричной (например, симметричной относительно центральной точки слоистой укладки), является предпочтительной. В некоторых примерах объекты (например, стрингеры 412, другие шпангоутные элементы), добавленные к композитным конструкциям 100, 101, 103 в определенных точках на композитной конструкции 100, 101, 103, могут препятствовать изометрической симметричности композитной конструкции 100, 101, 103, симметричной в этих точках.
[0023] В некоторых примерах только один слой композитной конструкции 100, 101, 103 является огнестойким. В некоторых примерах в композитных конструкциях, имеющих 7 слоев или менее, композитная конструкция содержит по меньшей мере один огнестойкий слой, и до 80% слоев в композитной конструкции могут быть огнестойкими слоями. В некоторых таких примерах огнестойкий слой (слои) может (могут) быть размещен(ы) в пределах 50% наиболее внутренних слоев для обеспечения защиты от пламени с внутренней стороны композитной конструкции, и может быть размещен в пределах 50% наиболее внешних слоев для обеспечения защиты от пламени с внешней стороны композитной конструкции. В некоторых примерах огнестойкие слои могут быть размещены в пределах 43% наиболее внутренних слоев и 43% наиболее внешних слоев для обеспечения противопожарной защиты с обеих сторон композитной конструкции. В некоторых примерах, включающих множество огнестойких слоев, огнестойкие слои могут быть сгруппированы вместе или могут чередоваться с нейтральными композитными слоями. В примерах, в которых более 33% слоев являются огнестойкими слоями, все из наиболее внутренних и/или наиболее внешних слоев могут быть огнестойкими слоями.
[0024] В композитных конструкциях, содержащих большее количество слоев (например, от 8 до 11 слоев), по меньшей мере один слой является огнестойким слоем, и приводимая в качестве примера композитная конструкция может содержать множество огнестойких слоев (например, от 1 до 3 огнестойких слоев). В некоторых примерах до 50% слоев композитной конструкции могут быть огнестойкими слоями. Приводимые в качестве примера огнестойкий слой или огнестойкие слои могут быть размещены в пределах 40% наиболее внутренних слоев для обеспечения защиты от пламени с внутренней стороны композитной конструкции и могут быть размещены в пределах 40% наиболее внешних слоев для обеспечения защиты от пламени с внешней стороны композитной конструкции. В некоторых примерах огнестойкие слои могут быть размещены как в пределах 33% наиболее внутренних слоев, так и 33% наиболее внешних слоев для обеспечения противопожарной защиты с обеих сторон композитной конструкции. В примерах, в которых 50% слоев являются огнестойкими слоями, огнестойкие слои могут быть размещены в 50% наиболее внутренних слоев, 50% наиболее внешних слоев или разделены между самыми внутренними слоями и самыми внешними слоями для обеспечения достаточной противопожарной защиты с каждой стороны композитной конструкции. В примерах, включающих множество огнестойких слоев, огнестойкие слои могут быть сгруппированы вместе или могут быть размещены на расстоянии друг от друга с включением одного или более стандартных слоев между огнестойкими слоями.
[0025] В некоторых приводимых в качестве примера композитных конструкциях (например, композитных конструкциях, имеющих более 11 слоев) и приводимой в качестве примера композитной конструкции могут содержаться множество огнестойких слоев (например, от 1 до 3 огнестойких слоев). В некоторых примерах до 33% слоев композитной конструкции могут быть огнестойкими слоями. Приводимые в качестве примера огнестойкий слой или огнестойкие слои могут быть размещены в пределах 33% наиболее внутренних слоев для обеспечения защиты от пламени с внутренней стороны композитной конструкции и могут быть размещены в пределах 33% наиболее внешних слоев для обеспечения защиты от пламени с внешней стороны композитной конструкции. В некоторых примерах огнестойкие слои могут быть размещены в пределах 33% наиболее внутренних слоев и 33% наиболее внешних слоев для обеспечения противопожарной защиты с обеих сторон композитной конструкции. В примерах, включающих множество огнестойких слоев, огнестойкие слои могут быть сгруппированы вместе или могут быть размещены на расстоянии друг от друга с включением одного или более стандартных слоев между огнестойкими слоями. В примерах, включающих множество огнестойких слоев, огнестойкие слои могут быть распределены по всей композитной конструкции любым подходящим способом.
[0026] В проиллюстрированных примерах композитные конструкции 100, 101, 103 содержат два слоя 102, 104, 126 (например, наиболее внутренний слой 102, 126, наиболее внешний слой 104), которые образуют внешние поверхности композитной конструкции. Как показано на ФИГ. 1А, огнестойкий слой предпочтительно может быть одним из внутренних слоев 106, между двумя внешними слоями 102, 104. Например, в приводимой в качестве примера композитной конструкции 100 по ФИГ. 1А огнестойкий слой является вторым слоем 108. Приводимая в качестве примера композитная конструкция 100 также содержит дополнительные внутренние слои 106. В проиллюстрированном примере композитная конструкция 100 содержит третий слой 110, четвертый слой 112, пятый слой 114, шестой слой 116 и седьмой слой 118, расположенный между внешними слоями 102, 104 (например, первым слоем 102 и восьмым слоем 104). В проиллюстрированном примере композитная конструкция 100 является симметричной (например, по отношению к ориентации слоев 106) относительно плоскости 113 между четвертым и пятым слоями 112 и 114.
[0027] В показанной в качестве примера композитной конструкции 101 по ФИГ. 1В огнестойкий слой может быть третьим слоем 124. Количество слоев в приводимой в качестве примера композитной конструкции 101 по ФИГ. 1В отличается от количества слоев в композитной конструкции 100 по ФИГ. 1А. Другие примеры могут содержать любое другое количество слоев (например, меньшее слоев, больше слоев), подходящих для нанесения композитных конструкций и отвечающих требованиям к воспламеняемости. Приводимая в качестве примера композитная конструкция 101 содержит внешние слои 102, 104, аналогичные приводимой в качестве примера композитной конструкции 100. Однако внутренние слои 120 приводимой в качестве примера композитной конструкции 101 могут отличаться. В показанной в качестве примера композитной конструкции 101, внутренние слои 120 могут содержать слои, которые по существу аналогичны внутренним слоям 106 композитной конструкции 100 по ФИГ. 1А и для которых использованы аналогичные ссылочные номера. Приводимые в качестве примера внутренние слои 120 композитной конструкции 101 содержат второй слой 122, который не является огнестойким, третий слой 124, который является огнестойким, четвертый слой 110, пятый слой 114 и шестой слой 118. В проиллюстрированном примере композитная конструкция 101 является симметричной относительно плоскости 111 в середине четвертого слоя 110.
[0028] В показанном примере по ФИГ. 1С приводимая в качестве примера композитная конструкция 103 по существу аналогична композитной конструкции 100 по ФИГ. 1А, за исключением размещения огнестойкого слоя. В приводимой в качестве примера композитной конструкции по ФИГ. 1С первый слой 126 является огнестойким слоем. Таким образом, внутренние слои 128 композитной конструкции 103 не содержат каких-либо огнестойких слоев. Второй слой 122 композитной конструкции 103 по существу аналогичен второму слою 122 композитной конструкции 101 по ФИГ. 1В. Слои 110, 112, 114, 116, 118, 104 с третьего по восьмой в композитной конструкции 103 по существу аналогичны слоям 110, 112, 114, 116, 118, 104 с третьего по восьмой в композитной конструкции 100, и для них были использованы аналогичные ссылочные номера. В проиллюстрированном примере композитная конструкция 103 является симметричной (например, по отношению к ориентации слоев 106) относительно плоскости 115 между четвертым и пятым слоями 112 и 114.
[0029] Приводимые в качестве примера огнестойкие слои 108, 124, 126 соответствующих композитных конструкций 100, 101, 103 могут иметь повышенную стойкость к воспламенению (т.е. по отношению к другим слоям композитных конструкций 100, 101, 103) вследствие добавления огнестойких добавок (например, первых добавок) 130 в слои 108, 124, 126 перед формированием композитных конструкций 100, 101, 103. В показанном примере композитных конструкций 100, 101, 103 добавление первых добавок 130 в один слой (например, слой 108, слой 124) композитных конструкций 100, 101, 103 является достаточным для достижения необходимой стойкости к воспламенению. В других примерах дополнительные слои могут содержать огнестойкие добавки для дальнейшего повышения стойкости композитных конструкций 100, 101, 103 к воспламенению. В некоторых примерах первые добавки 130 могут быть объединены со вторыми добавками 132 (например, агентом, способствующим обугливанию) и/или третьими добавками 134 (упрочняющим агентом) перед их добавлением в композитную конструкцию 100, 101, 103. В альтернативном варианте реализации первая, вторая и третьи добавки 130, 132, 134 могут быть добавлены в композитные конструкции 100, 101, 103 по отдельности. В некоторых примерах композитные конструкции 100, 101, 103 могут представлять собой эпоксидные структуры (например, слои композитных конструкций 100, 101, 103 представляют собой материал на основе эпоксидной смолы) с добавленными волокнами (например, углеродными волокнами). Первая, вторая и/или третьи добавки 130, 132, 134 могут быть добавлены к композитным конструкциям 100, 101, 103 на основе эпоксидной смолы в дополнение к углеродным волокнам.
[0030] В некоторых примерах первые добавки 130 могут быть органо-неорганическим гибридным (IOH) антипиреном, действие которого направлено на повышение огнестойкости композитных конструкций 100, 101, 103. В альтернативном варианте реализации первая добавка может быть неорганическим компонентом или органическим компонентом. Предпочтительные первые добавки 130 повышают температуру воспламенения и уменьшают энергию тепловыделения. В некоторых примерах органо-неорганические гибридные материалы содержат расширяющийся или набухаемый слоистый неорганический компонент и органический компонент, содержащий по меньшей мере один ионный органический компонент. Органо-неорганические гибридные материалы также могут содержать один или более нейтральных органических компонентов, которые вплетаются между и/или связаны со слоями неорганического компонента. В некоторых примерах огнестойкая композиция органо-неорганического гибридного материала содержит один или более замедлителей горения.
2
[0031] Приводимый в качестве примера неорганический компонент органо-неорганического гибридного материала может содержать 1:1 слоистую силикатную структуру, такую как каолин и серпентин, и 2:1 слоистую силикатную структуру, такую как филлосиликаты, тальк и пирофиллит. Другие подходящие слоистые минералы могут содержать слоистые двойные гидроксиды с общей формулой MgAl3,4(OH) 18,3(003)1,7НО, содержащие гидроталькиты и синтетически полученные слоистые материалы, содержащие синтетический гекторит, монтмориллонит, фторированную синтетическую слюду и синтетический гидроталькит. Особенно предпочтительна группа, состоящая из естественных или синтетических аналогов филлосиликатов. Эта группа включает в себя смектитовые глины, такие как монтмориллонит, нонтронит, бейделлит, волконскоит, гекторит, бентонит, сапонит, сауконит, магадиит, кениаит, лапонит, вермикулит, синтетическая слюда марок Micro-Mica (Somasif) и синтетический гекторит (Lucentite). Другие подходящие слоистые минералы содержат минералы иллита, такие как ледикит, и смеси минералов иллита с глинистыми минералами. В некоторых примерах предпочтительными являются филлосиликаты природного происхождения, такие как бентонит, монтмориллонит и гекторит. Особенно применимы такие филлосиликаты с пластинками толщиной менее чем примерно 5 нанометров и соотношениями сторон более чем примерно 10:1, более предпочтительно более чем примерно 50:1 и наиболее предпочтительно более чем примерно 100:1.
[0032] Предпочтительные неорганические материалы в целом содержат межслойные или способные к обмену катионы металлов для уравновешивания заряда, такие как щелочные металлы или щелочноземельные металлы, например Na+, K+, Mg2+ или Са2+, но предпочтительно Na+. Способность неорганического материала к катионному обмену предпочтительно должна быть меньше чем примерно 400 миллиэквивалентов на 100 грамм, наиболее предпочтительно примерно от 500 до 200 миллиэквивалентов на 100 грамм.
[0033] Органический компонент содержит одну или более ионных частиц, которые могут вступать в реакцию обмена со способными к обмену ионами металлов, связанными с неорганическим компонентом, и, необязательно, одну или более нейтральных органических частиц, которые интеркалируются между и/или связаны со слоем (слоями) неорганического компонента, и/или один или более реагентов сочетания. Подходящие примеры ионных частиц включают частицы, которые включают в себя ониевые ионы, например аммониевые (первичные, вторичные, третичные, четвертичные), фосфониевые или сульфониевые производные алифатических, ароматических или арилалифатических аминов, фосфинов и сульфидов. Такие соединения могут быть получены любым подходящим способом, известным в данной области техники. Например, соли, полученные реакцией кислотно-основного типа с минералами или органическими кислотами, включающими соляную, серную, азотную, фосфорную, уксусную и муравьиную кислоты, реакциями кислот Льюиса с основаниями Льюиса или реакциями с алкилгалогенидами, для получения четвертичных солей, например, с использованием реакций типа Меншуткина. Особенно предпочтительными являются ионные или нейтральные соединения, которые, как известно, разлагаются или сублимируются с поглощением тепла, и/или которые выделяют летучие вещества с низкой способностью к горючести при разложении и/или содержат обугливаемые или органические компоненты при термическом разложении или сжигании.
[0034] Подходящие частицы включают нейтральные или ионные производные азотсодержащих молекул, такие как триазиновые фрагменты, например, меламин, трифенил, мелам (1,3,5-триазин-2,4,6-триамин-н-(4,6-диамино-1,3,5-триазин-ил)), мелам ((-2,5,8-триамино-1,3,4,6,7,9,9b-гептаазафенален)), мелон (поли{8-амино-1,3,4,6,7,9,9b-гептаазафенален-2,5-диил)имино}), бис- и триазиридинилтриазин, триметилсилилтриазин, меламин цианурат, меламин фталат, меламин фосфат, меламин фосфит, меламин фталимид, димеламин фосфат, фосфазины, и/или низкомолекулярные полимеры с триазиновыми и фосфазиновыми повторяющимися звеньями, или соли или производные вышеуказанных молекул, включая производные ониевых ионов или соли или производные изоциануровой кислоты, такие как изоциануровая кислота, циануровая кислота, триэтилцианурат, меламин цианурат, триглицидилцианурат, триаллилизоцианурат, трихлоризоциануровая кислота, 1,3,5-трис(2-гидроксиэтил)триазин-2,4,6-трион, гексаметилентетрамин, мелам цианурат, мелем цианурат и мелон цианурат.
[0035] Как показано на ФИГ. 1А-1С, слои 108, 124, 126, содержащие первые добавки 130, также могут содержать вторую добавку или добавки 132 и третью добавку или добавки 134. Вторые добавки 132 содержат агенты, способствующие обугливанию в термопластах, и/или первые добавки 130, такие как каолин, глина или меламин. Также могут быть использованы другие материалы, действие которых направлено на способствование обугливанию. Реагенты, про которые известно, что они способствуют обугливанию органических продуктов, включают производные фосфорной кислоты или борной кислоты, такие как полифосфат аммония и полифосфат меламина, и меламинфосфат аммония борат. В некоторых примерах предпочтительные ионные соединения при необходимости могут быть использованы в сочетании с другими ионными соединениями, например, известными для улучшения совместимости и диспергирования между слоистым неорганическим материалом и полимерными матрицами. Предпочтительными являются амфифильные молекулы, которые содержат гидрофильную ионную группу и гидрофобные алкильный или ароматический фрагменты. Один или более реагентов сочетания также могут быть связаны с неорганическим компонентом. Подходящие реагенты сочетания включают органически функционализированные силаны, цирконаты и титанаты. Примеры силановых реагентов сочетания включают триалкокси-, ацетокси- и галогенсиланы, функционализованные амино, эпокси, изоцианатными, гидроксильными, тиольными, меркапто и/или метакриловыми реакционноспособными группами или модифицированные так, чтобы включать функциональные группы на основе производных триазина, длинноцепочечных алкильных, ароматических или алкилароматических фрагментов. Примеры реагентов сочетания на основе цирконата и титаната включают Teaz и Titanl. В данной области техники известно, что катионы или анионы металлов, связанные со слоистыми неорганическими материалами, могут обмениваться на органические ионы в ходе реакций ионного обмена. В типичном способе слоистый неорганический материал сначала набухает или расширяется в подходящем растворителе или растворителях перед ионным обменом, а затем его извлекают из растворителя, в котором он набухал, после агломерации с использованием таких методов как фильтрование, центрифугирование, выпаривание или сублимация растворителя. Известно, что методики ионного обмена с подходящими молекулами подходят для повышения совместимости между глинистыми и органическими полимерными связующими, что способствует диспергированию пластинок глины в матрицах на полимерной основе на наноразмерном уровне.
[0036] Подходящие замедлители горения, которые замедляют распространение пламени, тепловыделение и/или образование дыма, которые могут быть добавлены по отдельности или с получением синергетического эффекта в органо-неорганический гибридный материал, включают фосфористые производные, такие как молекулы, содержащие фосфатные, полифосфатные, фосфитные, фосфазиновые и фосфиновые функциональные группы, например, меламин фосфат, димеламин фосфат, меламин полифосфат, фосфат аммония, полифосфат аммония, пентаэритритфосфат, меламинфосфит и трифенилфосфин. Азотсодержащие производные, такие как меламин, меламин цианурат, меламин фталат, меламин фталимид, мелам, мелем, мелон, мелам цианурат, мелем цианурат, мелон цианурат, гексаметилентетрамин, имидазол, аденин, гуанин, цитозин и тимин, могут быть использованы в качестве первой добавки (первых добавок) 130. Молекулы, содержащие боратные функциональные группы, такие как борат аммония и борат цинка, также могут быть использованы в качестве первой добавки (первых добавок) 130. Молекулы, содержащие две или более спиртовые группы, такие как пентаэритрит, полиэтиленовый спирт, полигликоли и углеводы, например, глюкоза, сахароза и крахмал, могут быть использованы в качестве первых добавок 130. Пригодны для использования молекулы, которые эндотермически выделяют негорючие газообразные продукты разложения, такие как гидроксиды металлов, например, гидроксид магния и гидроксид алюминия. Также может быть использован терморасширяющийся графит. Матрица на основе полиамида может быть включена в огнестойкую композицию в виде пеллет, гранул, хлопьев или порошка. Подходящие полиамиды включают общие группы с повторяющимися звеньями на основе амидов, такие как найлон-4, найлон-6, найлон-7, найлон-11 и найлон-12, найлон-46, найлон-66, найлон-68, найлон-610, найлон-612, и ароматические полиамиды, например, поли-м-фенилен-изафталамин и поли-п-фенилен-терефталамид. В некоторых примерах полиамидная матрица может содержать сополимеры, смеси и сплавы. Сополимеры могут состоять из двух или более различных повторяющихся звеньев, одно из которых представляет собой амид. Такие сополимеры могут быть получены любым подходящим способом, известным в данной области техники, например, в момент начальной полимеризации или позднее в ходе осуществления способа посредством графт-полимеризации или реакции удлинения цепи. Полиамидные смеси и сплавы могут быть получены с использованием любого способа, известного специалистам в данной области, включая смешивание расплава или раствора. В некоторых примерах полиамидные смеси также могут повышать и/или сохранять вязкость разрушения и/или могут подходить для применения в качестве упрочняющих агентов (например, третьих добавок). Смешивание или легирование полиамида другими полимерами может быть желательным для улучшения свойств, таких как вязкость, модуль упругости, прочность, ползучесть, долговечность, термостойкость, проводимость или огнестойкость. Особенно предпочтительны найлон-2, найлон-6 и найлон-66 и их соответствующие сополимеры, сплавы и смеси.
[0037] Полиамидная композиция при необходимости также может содержать одну или более добавок, известных в области обработки полимеров, таких как полимерные стабилизаторы, например, УФ-стабилизаторы и термостабилизаторы, смазывающие вещества, антиоксиданты, пигменты, красители, или другие добавки для изменения оптических свойств или цвета материалов, проводящие наполнители или волокна, высвобождающие агенты, вещество, способствующее скольжению, пластификаторы, антибактериальные или противогрибковые вещества, и вещества, способствующие обработке, например диспергирующие реагенты, вспенивающие или пенообразующие вещества, поверхностно-активные вещества, воски, связующие реагенты, реологические модификаторы, пленкообразующие реагенты и реагенты для образования свободных радикалов. Особенно предпочтительная композиция содержит найлон-2, найлон-6 и/или найлон-66, монтмориллонит, модифицированный гидрохлоридом меламина и/или меламином, меламин циануратом и/или мелам (1,3,5-триазин-2,4,6-триамин-н-(4,6-диамино-1,3,5-триазинил)) циануратом, и/или мелем ((-2,5,8-триамин-1,3,4,6,7,9,9b-гептаазафенилен)) циануратом, и/или мелон (поли{8-амино-1,3,4,6,7,9,9b-гептаазафенален-2,5-диил)имино})циануратом, гидроксид магния и одну или более добавок.
[0038] Полиамидная композиция предпочтительно содержит матрицу на основе полиамида в количестве от примерно 50 до примерно 95% массовой доли (по весу) и органо-неорганический гибридный материал в количестве менее чем примерно 25% по весу, и при необходимости антипирен и/или добавки в количестве менее чем примерно 30% по весу, а в некоторых случаях предпочтительно примерно 10% по весу. Предпочтительно, органо-неорганический гибридный материал имеет размер частиц менее чем примерно 200 мкм, более предпочтительно менее чем примерно 50 мкм и наиболее предпочтительно менее чем примерно 20 мкм.
[0039] На диспергирование можно повлиять любым подходящим способом смешивания расплава, раствора или порошка, обеспечивающим достаточную скорость сдвига, напряжение сдвига и время пребывания для диспергирования органо-неорганического гибридного материала по меньшей мере частично на наноразмерном уровне. Формование или формирование полиамидной композиции в огнестойкие частицы или вуали может быть выполнено любым способом, известным специалистам в этой области. Частицы или вуали могут быть добавлены в лист из углеродного волокна (например, лист препрега). В некоторых примерах частицы могут быть частицами с ядром, полученными с использованием технологий ядро-оболочка. В некоторых таких примерах ядро частицы может быть антипиреном, а оболочка или покрытие может быть упрочняющим агентом. В других таких примерах ядро содержит упрочняющий агент, а внешняя оболочка или покрытие содержит огнестойкий агент. В примере частиц с ядром, ядро может представлять собой жидкий агент или твердый агент. В некоторых примерах частицы с ядром или другие составы упрочняющих агентов могут быть смешаны со смоляной системой эпоксидной матрицы композитных конструкций 100, 101, 103.
[0040] Действие третьей добавки (третьих добавок) 134 может быть направлено на повышение вязкости разрушения слоя, в который добавлены первая и вторая добавки 130, 132. Например, первая и/или вторая добавки 130, 132 могут иметь свойства, которые уменьшают вязкость разрушения композитных конструкций 100, 101, 103 и/или слоев 108, 124, 126. Для сохранения требуемой вязкости разрушения или повышения вязкости разрушения третью добавку (третьи добавки) 134 добавляют в один и тот же слой (например, слой 108, слой 124, слой 126). В альтернативном варианте реализации или дополнительно, третья добавка (третьи добавки) 134 может быть добавлена в слой, смежный со слоями 108, 124, 126, в которые были добавлены первая и/или вторая добавки 130, 132. Третья добавка (третьи добавки) 134 достаточна для того, чтобы вернуть вязкость разрушения к исходному значению композита или увеличить вязкость разрушения до значения, которое больше, чем у исходной композитной конструкции. Таким образом, в дополнение к повышению огнестойкости композитных конструкций может быть улучшена механическая прочность композитных конструкций.
[0041] В некоторых примерах вязкость разрушения композитной конструкции 100, 101, 103 соответствует определенным стандартам. Например, композитная конструкция 100, 101, 103 может соответствовать стандартам, определенным на основе режима I и/или режима II испытаний вязкости межслойного разрушения. Примеры стандартных испытаний могут включать, но не обязательно ограничиваться ими, стандартный метод ASTM D5528 испытаний для режима I вязкости межслойного разрушения однонаправленных армированных волокном полимерных матричных композитов, стандартный метод ASTM D6671 испытаний для смешанного режима I-II вязкости межслойного разрушения однонаправленных армированных волокном полимерных матричных композитов, стандартный метод ASTM D7905 испытаний для определения режима II вязкости межслойного разрушения однонаправленных армированных волокном полимерных матричных композитов, и стандартный метод ASTM D6115 испытаний для режима I начала роста усталостного расслоения однонаправленных армированных волокном полимерных матричных композитов.
[0042] Примеры третьей добавки (третьих добавок) 134 содержат, но без ограничения, полиарилэфиркетоны (РАЕК), такие как полиэфиркетон (РЕК), полиэфирэфиркетон (РЕЕК), полиэфирэфирэфиркетон (РЕЕЕК) и полиэфиркетонкетон (РЕКК), полифениленоксид (РРО) и другие обугливаемые термопластичные материалы с хорошими тепловыделяющими свойствами. В некоторых примерах в качестве третьих добавок могут быть использованы полиамидные смеси (в частности полиамиды, содержащие нейлоны). В некоторых примерах третьи добавки 134, которые текут перед разложением, могут также действовать в качестве упрочняющих агентов для улучшения огнестойкости материала (например, композитной конструкции 100) посредством механизмов обугливания и/или сокращения тепловыделения. Приводимая в качестве примера третья добавка (третьи добавки) 134 может иметь форму вуалей, нанотрубок, наночастиц, пленок, пленок с самоорганизующимися блок-сополимерами со специальной конфигурацией для связывания с эпоксидной смолой, сеток, упрочняющих частиц и другого волокнистого материала. В некоторых примерах более чем один слой может содержать добавки 130, 132, 134, и различные слои композитных конструкций 100, 101, 103 могут содержать различные добавки.
[0043] В некоторых примерах два внешних слоя 102, 104, 126 могут быть тканым композитом и могут образовывать внутренние и внешние поверхности композитных конструкций 100, 101, 103, когда многослойные композитные конструкции 100, 101, 103 собраны. В некоторых примерах тканые композитные слои 102, 104, 126 являются слоистым композитом из углеродного волокна, пластиком, армированным углеродным волокном, или любым другим композитом, способным образовывать многослойные композитные конструкции 100, 101, 103. Тканые слои 102, 104, 126 могут быть тканью с гладким полотняным переплетением, которая имеет толщину от 7,5 микродюймов до 9 микродюймов (0,1905-0,2286 мкм). В альтернативном варианте реализации внешние слои 102, 104, 126 могут представлять собой тканый композитный слой с однонаправленными волокнами, препреговый слой или композитный слой какого-либо иного типа. В некоторых примерах внешние слои 102, 104, 126 могут содержать другие материалы (например, проволоку), вплетенные в ткань и/или смешанные с композитным слоем в некоторых примерах для обеспечения электропроводности. В некоторых примерах один из двух внешних приводимых в качестве примера тканых слоев 102, 104, 126 (например, слой 104, образующий внешнюю поверхность композитных конструкций 100, 101, 103) может содержать вплетенную в него проволоку. В проиллюстрированном примере тканые композитные слои 102, 104, 126 ориентированы под углом 0 градусов и 90 градусов относительно плоскости отсчета. Иными словами, в некоторых примерах взаимофиксирующее переплетение волокон имеет такую ориентацию, что волокна в первом направлении проходят под углом 0 градусов, а волокна, вплетенные в другом перпендикулярном направлении, проходят под углом 90 градусов. В альтернативном варианте реализации в примерах, в которых внешние слои содержат волокна, ориентированные в одном направлении, волокна могут быть ориентированы под углом, например, 90 градусов или 0 градусов.
[0044] В некоторых примерах внутренние слои 106, 120, 128 могут быть расположены между ткаными композитными слоями 102, 104, 126. В предпочтительном примере внутренние слои 106, 120, 128 могут быть комбинацией тканых композитных слоев и композитных слоев ленточного типа. В некоторых примерах внутренние слои 106 многослойной композитной конструкции 100 по ФИГ. 1А являются композитными слоями ленточного типа (например, в виде одной ленты). В таких примерах приводимые в качестве примера композитные слои 106 ленточного типа содержат углеродные волокна, ориентированные в одном направлении. В некоторых примерах каждый из внутренних слоев 106, 120, 128 может иметь отличающуюся толщину от 5 микродюймов до 8 микродюймов (0,127-0,2032 мкм), в зависимости от типа композитного слоя. Таким образом, внутренние слои 106, 120, 128 могут быть тоньше, чем тканые композитные слои 102, 104, 126. Внутренние слои 106, 120, 128 могут быть ориентированы в различных направлениях, когда получена многослойная композитная конструкция 100, 101, 102. Например, второй слой 108 композитной конструкции 100 может быть ориентирован под углом 45 градусов, третий слой 110 может быть ориентирован под углом 90 градусов, четвертый слой 112 и пятый слой 114 может быть ориентирован под углом -45 градусов, шестой слой 116 может быть ориентирован под углом 90 градусов, и седьмой слой 118 может быть ориентирован под углом 45 градусов.
[0045] В другом примере, таком как пример по ФИГ. 1В, композитная конструкция 101 может содержать различное количество внутренних слоев 120 с различными ориентациями. Некоторые слои различных наборов внутренних слоев 120 могут быть по существу идентичны слоям внутренних слоев 106 и, таким образом, для них использованы аналогичные ссылочные номера. В показанной в качестве примера композитной конструкции 101 по ФИГ. 1В, приводимый в качестве примера второй слой 122 ориентирован под углом 45 градусов, третий слой 124 ориентирован под углом -45 градусов, четвертый слой 110 ориентирован под углом 90 градусов, пятый слой 114 ориентирован под углом -45 градусов, и шестой слой 118 ориентирован под углом 45 градусов. Показанная в качестве примера композитная конструкция 101 по ФИГ. 1В имеет на один слой меньше, чем композитная конструкция 100, проиллюстрированная на ФИГ. 1А, и может быть использована, в некоторых примерах для фюзеляжа, который меньше, чем фюзеляж, в котором может быть использована приводимая в качестве примера композитная конструкция 100 по ФИГ. 1А. Иными словами, другие примеры композитных конструкций могут иметь различное количество слоев, достаточное для различных размеров фюзеляжа летательного аппарата, для использования в котором предназначена композитная конструкция 100, 101, 103. В альтернативном варианте реализации композитные конструкции с различным количеством слоев могут быть использованы для применений, отличающихся от приводимых в качестве примера композитных конструкций 100, 101, 103 по ФИГ. 1А-1С. Может быть использовано любое количество слоев, достаточное для применения (применений), для использования в котором (которых) предназначены композитные конструкции 100, 101, 103.
[0046] На ФИГ. 2 представлен пример покомпонентного вида приводимой в качестве примера композитной конструкции 100 по ФИГ. 1А. На ФИГ. 2 более ясно изображены приводимые в качестве примера ориентации приводимых в качестве примера слоев. В проиллюстрированном примере первый слой 102 ориентирован таким образом, что волокна проходят под углом 0 градусов и 90 градусов, второй слой 108 композитной конструкции 100 может быть ориентирован под углом 45 градусов, третий слой 110 может быть ориентирован под углом 90 градусов, четвертый и пятый слои 112, 114 может быть ориентирован под углом -45 градусов, шестой слой 116 может быть ориентирован под углом 90 градусов, седьмой слой 118 может быть ориентирован под углом 45 градусов, и восьмой слой 104 может быть ориентирован таким образом, что волокна проходят под углом 0 градусов и 90 градусов. Приводимые в качестве примера добавки 130, 132, 134 могут быть равномерно смешаны по всему второму слою 108 показанного примера.
[0047] На ФИГ. 3 показан пример среды, в которой могут быть реализованы приводимые в качестве примера композитные конструкции 100, 101, 103, описанные в настоящем документе. Приводимые в качестве примера композитные конструкции 100, 101, 103, описанные в настоящем документе, могут быть использованы, например, с летательным аппаратом 300. В альтернативном варианте реализации приводимые в качестве примера композитные конструкции 100, 101, 103 могут быть использованы для различных применений, включая водные суда, космические летательные аппараты, автомобили, наземные транспортные средства, турбины, спортивное снаряжение, военную технику, медицинское оборудование и потребительские товары.
[0048] Приводимый в качестве примера летательный аппарат 300 содержит фюзеляж 302, который может охватывать пассажирский салон и/или грузовую область. В некоторых примерах фюзеляж 302 может быть многослойным композитным фюзеляжем, таким как фюзеляж из армированного углеродным волокном пластика. В альтернативном варианте реализации фюзеляж 302 может быть выполнен из композитного материала другого типа. Приводимый в качестве примера летательный аппарат 300 содержит крылья 304 (например, правое крыло и левое крыло), проходящие по бокам наружу от фюзеляжа 302. Приводимые в качестве примера крылья 304 могут быть выполнены из по существу того же композитного материала, что и композитный фюзеляж 302. В альтернативном варианте реализации крылья 304 могут быть выполнены из другого композитного материала. Приводимые в качестве примера фюзеляж 302 и крылья 304 могут быть выполнены из приводимых в качестве примера композитных конструкций 100, 101, 103, описанных в настоящем документе. Кроме того, другие компоненты летательного аппарата (например, верхние отсеки, разделители, конструктивные компоненты, другие компоненты салона и т.п.) также могут быть выполнены из приводимых в качестве примера композитных конструкций 100, 101, 103.
[0049] На ФИГ. 4 изображен пример разреза приводимого в качестве примера летательного аппарата 300, в котором могут быть реализованы приводимые в качестве примера композитные конструкции 100, 101, 103. В проиллюстрированном примере цилиндрический корпус 402 фюзеляжа 302 охватывает пассажирский салон 404 и грузовую область 406, расположенную ниже салона 404. Цилиндрический корпус 402 фюзеляжа 302 имеет внешнюю поверхность (например, внешнюю обшивку) 408 и внутреннюю поверхность (например, внутреннюю обшивку) 410. Цилиндрический корпус 402 фюзеляжа 302 содержит стрингеры 412 (например, продольные опоры) и шпангоуты 414 (например, окружные опоры), встроенные в конструкцию фюзеляжа 302. В некоторых примерах стрингеры 412 и/или шпангоуты 414 выполнены из того же композита или аналогичного композитного материала, что и цилиндрический корпус 402. В альтернативном варианте реализации стрингеры 412 и/или шпангоуты 414 могут быть выполнены из металла (например, алюминия). Проиллюстрированный фюзеляж 302 также содержит разделитель 416 для отделения зоны 404 салона от грузовой области 406. В некоторых примерах разделитель 416 также может быть выполнен из того же композитного материала. Кроме того, балки 418 пола разделителя 416 и/или балки 410 пола грузовой области 406 могут быть выполнены из композитного материала. В некоторых примерах другие компоненты, которые могут содержаться в конструкции фюзеляжа 302, и/или крылья 304 также могут быть выполнены из композитного материала. В альтернативном варианте реализации вместо него может быть использован любой другой подходящий материал. Кроме того, в других примерах летательный аппарат 100 может использовать сэндвичевую конструкцию, а не содержать стрингеры 412. В таких примерах сэндвичевая конструкция выполнена из композитной конструкции 100, 101, 103, описанной в настоящем документе, и сэндвичевая конструкция может содержать множество композитных конструкций 100, 101, 103, как описано в настоящем документе, и, таким образом, может иметь множество слоев, содержащих добавки 130, 132, 134.
[0050] В некоторых вариантах осуществления приводимых в качестве примера композитных конструкций 100, 101, 103 ограничивающим конструктивным фактором может быть стойкость к воспламенению, а не механическая прочность. Приводимые в качестве примера композитные конструкции 100, 101, 103, описанные в настоящем документе, позволяют уменьшить зависимость конструкции, например фюзеляжа 302, от требований по огнестойкости. Иными словами, внедрение огнестойких добавок (например, первых добавок 130) в композитные конструкции 100, 101, 103 обеспечивает композитным конструкциям 100, 101, 103 большую устойчивость к огню по сравнению с композитными конструкциями, имеющими такое же количество слоев, но без внедренных огнестойких добавок 130. Таким образом, добавление огнестойких добавок 130 обеспечивает возможность выполнения более тонких композитных конструкций 100, 101, 103 и соответствие стандартам по огнестойкости в данной отрасли промышленности. Таким образом, композитные конструкции 100, 101, 103 могут быть выполнены более подходящими по размерам в отношении механических ограничений, чем в отношении ограничений по огнестойкости. Например, композитная конструкция 100, 103 для больших коммерческих летательных аппаратов может иметь больше слоев, чем композитная конструкция 101 для небольших коммерческих летательных аппаратов, при этом все композитные конструкции 100, 101, 103, описанные в настоящем документе, содержат огнестойкую добавку (огнестойкие добавки) 130 и соответствуют стандартам по воспламеняемости. Повышение стойкости композитных конструкций 100, 101, 103 к воспламенению позволяет использовать меньше слоев (например, позволяет в первую очередь учитывать размер для соответствия механическим стандартам, а не стандартам по воспламеняемости). Кроме того, описанный способ добавления пламестойких материалов в композитные слои не так влияет на продолжительность изготовления композитных фюзеляжей, как нанесение огнестойкого покрытия разбрызгиванием после сборки композитных фюзеляжей или добавление пленок в качестве части процесса отверждения для повышения огнестойкости. Таким образом, изготовление композитной конструкции 100, 101, 103 с огнестойкими добавками, внедренными в конструкционный слой композитной конструкции 100, 101, 103, не только сокращает продолжительность изготовления фюзеляжа летательного аппарата, но также может уменьшить вес фюзеляжа летательного аппарата и/или затраты на изготовление фюзеляжа летательного аппарата.
[0051] На ФИГ. 5А и 5В изображены примеры стрингеров 412 приводимого в качестве примера летательного аппарата 300, который может содержать добавки (например, первые добавки 130, вторые добавки 132, третьи добавки 134). В проиллюстрированных примерах стрингер 412 имеет верхний слой 502 (например, наиболее внутренний слой), который содержит огнестойкие добавки 130, 132, 134. В проиллюстрированном примере внутренняя часть 504 стрингера 412 не содержит добавок 130, 132, 134. Однако верхний слой 506 (например, наиболее внутренний слой) обшивки 410 летательного аппарата содержит добавки 130, 132, 134. Таким образом, когда стрингер 412 соединен с обшивкой 410, нижняя поверхность 508 стрингера 412 примыкает к слою 506, содержащему добавки 130, 132, 134. В некоторых примерах верхний слой 502 стрингера 412 выполнен за одно целое с верхним слоем 506 обшивки 410, как показано на ФИГ. 5А. В альтернативном варианте реализации верхний слой 502 стрингера 412 отделен от верхнего слоя 506 обшивки, как показано на ФИГ. 5В. В некоторых таких примерах верхний слой 502 стрингера 412 также может быть нижним слоем 510 стрингера 412 (например, верхний слой 502 разделяет и окружает внутреннюю часть 504 стрингера 412) таким образом, что нижняя поверхность 512 стрингера 412 содержит добавки 130, 132, 134. В некоторых примерах стрингер 412 может быть стрингером с лопастным профилем, который может быть композитной конструкцией 100, 101, 103, как описано в настоящем документе, и может иметь по меньшей мере один слой, содержащий огнестойкие добавки 130, 132, 134.
[0052] На ФИГ. 6 изображен пример блок-схемы, представляющей способ 600 изготовления приводимых в качестве примера композитных конструкций 100, 101, 103. В некоторых примерах порядок выполнения блоков может быть изменен, и/или некоторые из описанных блоков могут быть изменены, исключены или скомбинированы. Приводимый в качестве примера способ 600 изготовления начинают с получения по меньшей мере одного слоя композитной конструкции 100, 101, 103 с использованием добавок 130, 132, 134 (блок 602). Например, добавки 130, 132, 134 могут содержать огнестойкие добавки 130, добавки 132, вызывающие обугливание, и/или упрочняющие добавки 134, как описано в отношении ФИГ. 1А-1С. В некоторых примерах дополнительные слои получают с использованием добавок 130, 132, 134. Дополнительные слои, предназначенные для использования при получении композитной конструкции 100, 101, 103, также могут быть получены без добавок 130, 132, 134. Далее определяют, является ли слой, содержащий добавки 130, 132, 134, первым слоем композитной конструкции 103 (блок 604). Если слой, содержащий добавки 130, 132, 134, является первым слоем 126, изготовление продолжают укладкой первого слоя 126, содержащего добавки 130, 132, 134 (блок 606). Приводимый в качестве примера первый слой 126, содержащий добавки 130, 132, 134, может быть менее воспламеняемым и/или более прочным, чем смежный слой, который необходимо уложить для получения композитной конструкции 103. Затем укладывают слой без добавок 130, 132, 134 (например, слой 122) для композитной конструкции 103 (блок 608). Далее определяют, следует ли произвести укладку дополнительного слоя без добавок 130, 132, 134 (например, остаток слоев 128) (блок 610). Если на композитную конструкцию 103 необходимо уложить еще один слой без добавок 130, 132, 134, этап блока 608 повторяют.
[0053] Если, в блоке 604 слой, образованный с добавками 130, 132, 134, не является первым слоем (например, слой 108, слой 124), согласно способу переходят к блоку 612 и выполняют укладку слоя без добавок (например, слой 102) в качестве первого слоя композитной конструкции 100, 101. Далее определяют, следует ли произвести укладку дополнительного слоя без добавок (например, слоя 122) (блок 614). Если необходимо уложить дополнительный слой без добавок, блок 612 повторяют. Если перед слоем с добавками не нужно укладывать дополнительные слои без добавок, способ продолжают в блоке 616, и укладывают слой, содержащий добавки, (например, слой 108, слой 124) для композитной конструкции 100, 101. Далее определяют, следует ли произвести укладку дополнительного слоя без добавок (блок 618). Если необходимо уложить дополнительный слой без добавок, производят укладку дополнительного слоя (блок 620). Если, в блоках 610 и 622, не нужно укладывать дополнительные слои, осуществляют укладку всех слоев в композитной конструкции 100, 101, 103, и композитную конструкцию 100, 101, 103 отверждают (блок 622). Композитная конструкция 100, 101, 103 может быть отверждена с использованием процесса совместного отверждения. Приводимый в качестве примера способ 600 получения композитной конструкции 100, 101, 103 завершен. В некоторых примерах композитная конструкция 100, 101, 103, полученная описанным способом 600 изготовления может быть использована для сборки фюзеляжа 302 и/или крыльев 304 летательного аппарата 300.
[0054] Как правило, размер приводимого в качестве примера композитного фюзеляжа 302 приводимого в качестве примера летательного аппарата 300 определяют (например, выбирают другую толщину летательного аппарата) на основании конструктивных требований. В таких примерах каждый слой композитной конструкции (например, композитного фюзеляжа) является конструкционным слоем. В некоторых примерах размер летательного аппарата 300 являются достаточно большим, так что толщина композитного фюзеляжа 302 является достаточно большой согласно конструктивным требованиям, а также достаточно большой согласно требованиям по стойкости к воспламенению. Однако меньший летательный аппарат 300 может использовать более тонкие фюзеляжи 302, которые являются достаточно толстыми согласно конструктивным требованиям, но не отвечают требованиям по стойкости к воспламенению. В таких примерах в фюзеляж 302 и/или в конструкционные слои (например, слои 108, 124, 126) композитной конструкции 100, 101, 103 фюзеляжа 302 добавляют дополнительную защиту от воспламенения, такую как добавки, описанные в настоящем документе.
[0055] Для термически тонкой конструкции толщина играет решающую роль во время воспламенения и при последующем распространении огня по всей поверхности конструкции. По мере увеличения толщины увеличивается разница между температурой поверхности, подвергаемой воздействию попадающего на нее пламени, и температурой на обратной стороне конструкции. Для термически толстой конструкции теплоотдача от задней поверхности незначительна, а теплоотдача через конструкцию определяется проводимостью. Поток энергии от источника воспламенения, тепловая емкость материала и химическая энергия, выделяемая в результате и/или требуемая для химического разложения во время дефлаграции, являются основными факторами, определяющими, будет ли распространяться пламя, и произойдет ли самогашение материала. Сжигание происходит, когда материал достигает критической температуры разложения с достаточным количеством окислителей (например, кислорода). Изменение температуры в конструкции определяется балансом между тепловым потоком от пламени , теплоотдачей на передней поверхности  и задней поверхности  за счет излучения и конвекции, тепловой емкостью конструкции и энергией, полученной в результате химического разложения. Тепловой поток через приводимую в качестве примера композитную конструкцию (например, композитные конструкции 100, 101, 103) схематично показан на ФИГ. 7.
[0056] В термически толстых материалах с плохой огнестойкостью пламя может распространяться по поверхности независимо от толщины. При улучшенной огнестойкости, конструкции достаточной термической толщины могут сопротивляться распространению пламени от точечного источника вследствие тепловой емкости материала и снижения скорости реакций, связанных с более толстой конструкцией. С приближением толщины конструкции к минимальной типичной толщине композитного летательного аппарата огнестойкость конструкции обычно в большей степени определяется химической энергией, которую имеет композитный материал, и температурой, необходимой для доступа к этой химической энергии.
[0057] Первые слои, подвергаемые воздействию попадающего на них пламени, имеют решающее значение для характеристик всего материала, поскольку уровень обугливания будет влиять на диффузию окислителя в материал и выделение газообразных продуктов сгорания из материала. Уменьшение диффузионных процессов наряду с уменьшением химической энергии, получаемой вследствие химического превращения в уголь, снижает эффективную энергию, выделяемую при сгорании. Для заданной толщины конструкции выделение химической энергии, необходимое для поддержания распространения пламени, зависит от теплоотдачи в окружающую среду, тепловой емкости материала и скорости диффузии окислителей в материал и выделения продуктов сгорания из материала.
[0058] Для термически тонкой обработки конструкции поведение определяется уравнением 1, где
- тепловая емкость композитного материала,
- тепловой поток от пламени,
- теплоотдача на передней поверхности,
- теплоотдача на задней поверхности, и
- интенсивность потока для преобразования химической энергии.
Уравнение 1:
[0059] Тепловая емкость материала представлена в левой части стороны уравнения , а потоки (например, ) на правой стороне приводят к изменению температуры. Интенсивность потока для преобразования химической энергии в тепло определяется членом  который может быть измерен с помощью калориметрии микромасштабного сгорания (например, с использованием стандартного теста ASTM D7309) и тщательной подготовки образца. Для идеального "термически тонкого" случая температура на обратной стороне является такой же, как на стороне, подвергаемой тепловому воздействию. Теплоотдача является значительной как от поверхности, подвергаемой тепловому воздействию, так и поверхности обратной стороны. Для данной тестовой конфигурации на тепло  от источника и теплоотдачу  от передней поверхности почти не оказывает влияние толщина конструкции. Тепловая емкость материала напрямую связана с толщиной конструкции. По мере увеличения толщины допущение о термически тонкой конструкции больше недействительно, и температура на обратной стороне уменьшается в результате градиента температуры в материале. Это уменьшение температуры на обратной стороне приводит к уменьшению теплопередачи с обратной стороны. Независимо от того, является ли значительной теплопередачи с обратной стороны, основной движущей силой является скорость тепловыделения в результате выделения химической энергии.
[0060] Критическое отношение скорости выделения химической энергии к теплоотдаче и теплу, поглощаемому конструкцией за счет тепловой емкости, свойственное испытательному устройству, определяет, будет ли фронт пламени поддерживаться или произойдет его самогашение. Для значений выше диапазона или определенного значения для критического отношения, ожидается отрицательный исход испытания. Поэтому указанный слой должен в целом иметь состав, который обеспечивает уменьшение общей химической энергии, выделяемой в виде тепла, для всей композитной конструкции. Такое влияние составляющих элементов приводит к большему улучшению характеристик, чем прогнозируется согласно лишь правилу аддитивности.
[0061] Аэрокосмические конструкции из композиционных материалов требуют повышенных эксплуатационных характеристик, чтобы удовлетворять строгим требованиям в этой отрасли. Волоконно-матричные материалы, используемые при изготовлении аэрокосмических композитов, должны быть высочайшего качества, чтобы соответствовать эксплуатационным требованиям, необходимым для обеспечения максимальной безопасности летательного аппарата, включая требования к прочности на разрыв, замедлению распространения пламени и вязкости разрушения. Усовершенствование материалов приводит к более сложной методологии обработки, что увеличивает затраты на обработку вследствие увеличения продолжительности цикла и дополнительных требований к оборудованию. Подготовка поверхности волоконного армирования обычно проводится для ослабления прочности связи между волокном и матрицей для достижения максимальных свойств прочности на разрыв. Волокна часто имеют покрытие для уменьшения прочности связи между волокном и матрицей, однако эта обработка должна быть увязана с соответствующим ухудшением свойств, связанных с характеристиками сжатия после удара. Для применений в летательных аппаратах недостаточно сосредоточиться только на улучшении конструктивных свойств, когда критичными становятся такие свойства, как воспламеняемость, устойчивость к ультрафиолетовому излучению и вязкость разрушения. Аналогичным образом могут быть использованы многофункциональные системы на основе эпоксидных смол для улучшения этих других свойств, важных для высокопроизводительных аэрокосмических применений, при сохранении улучшенных конструктивных свойств.
[0062] В настоящее время системы эпоксидных смол могут включать в себя многофункциональные эпоксидные системы с дифункциональными эпоксидными системами для получения полимерной матрицы с повышенной прочностью на разрыв и улучшенными характеристиками сжатия после удара. Дифункциональная эпоксидная смола может быть насыщенной, ненасыщенной, циклоалифатической, ароматической, алициклической или гетероциклической. Примерами дифункциональных эпоксидных смол могут быть соединения на основе диглицидилового эфира или бисфенола F, бисфенола А, фенола, и эпоксикрезольных новолаков, глицидиловых эфиров фенолальдегидных аддуктов, глицидиловых эфиров алифатических диолов, диглицидилового эфира, диэтиленгликольдиглицидилового эфира, ароматических эпоксидных смол, алифатических полиглицидиловых эфиров, эпоксидированных олефинов, ароматических глицидиловых аминов, гетероциклических глицидиловых имидинов и амидов, глицидиловых эфиров или любой их комбинации. Предпочтительная дифункциональная эпоксидная смола может быть получена из диглицидилового эфира бисфенола F, диглицидилового эфира бисфенола А, диглицидилового дигидрокси-нафталина или любой их комбинации.
[0063] Функциональные компоненты могут быть добавлены к эпоксидной системе по отдельности или в любом сочетании с каждым из следующего: антипиренами, агентами, способствующими обугливанию, агентами, способствующим обугливанию и антипиренного действия, (например, органо-неорганический гибридный материал FR), антипиреном в упрочняющем агенте, агентом, способствующим обугливанию, в упрочняющем агенте и антипиреном и агентом обугливания в упрочняющем агенте. В некоторых примерах упрочняющий агент может быть подвержен обугливанию.
[0064] Из вышеизложенного следует понимать, что раскрытые в настоящем документе примеры способов, устройств и изделий повышают огнестойкость без уменьшения и/или увеличения вязкости разрушения композитной конструкции. Приводимые в качестве примера способы изготовления приводимой в качестве примера композитной конструкции, описанные в настоящем документе, могут снизить общую продолжительность изготовления, например, летательного аппарата за счет устранения этапа нанесения огнестойкого покрытия на композитную конструкцию после сборки и изготовления композитной конструкции.
Приводимые в качестве примера способы изготовления также могут уменьшить вес приводимой в качестве примера композитной конструкции.
Пункт 1: Устройство, содержащее:
основной композит для получения слоя многослойной конструкции летательного аппарата;
первую добавку для уменьшения воспламеняемости указанных слоя и многослойной конструкции и
вторую добавку для повышения вязкости разрушения многослойной конструкции.
Пункт 2: Устройство по пункту 1, в котором первая добавка является органическим антипиреном, неорганическим антипиреном или органо-неорганическим гибридным антипиреном.
Пункт 3: Устройство по пунктам 1 или 2, в котором вторая добавка является обугливаемым термопластом.
Пункт 4: Устройство по пунктам 1-3 также содержащее третью добавку для способствования обугливанию во второй добавке.
Пункт 5: Устройство по пункту 4, в котором любая из первой добавки, второй добавки и третьей добавки может быть объединена в агент перед ее добавлением в многослойную конструкцию.
Пункт 6: Устройство по пунктам 1-5, в котором вторая добавка является по меньшей мере одним из следующего: нанотрубкой, наночастицей, пленкой, вуалью, сеткой, упрочняющими частицами или волокнистым материалом.
Пункт 7: Устройство по пунктам 1-6, в котором указанный слой многослойной конструкции размещен ближе к первой поверхности многослойной конструкции, чем ко второй поверхности многослойной конструкции.
Выражения "содержащий" и "включающий" (и все их грамматические формы) используются в настоящем документе в качестве открытых терминов. Таким образом, всякий раз, когда в пункте формулы изобретения перечисляются что-либо следующее после любой формы от "содержать" или "включать" (например, включает, содержит, включающий, содержащий и т.п.), следует понимать, что дополнительные элементы, термины и т.п. могут присутствовать без отхода от сущности соответствующей формулы изобретения. При использовании в настоящем документе, когда выражение "по меньшей мере" используется в качестве переходного выражения в ограничительной части пункта формулы изобретения, оно является открытым в том же смысле, в котором открытыми являются выражения "включающий" и "содержащий".
Хотя в настоящем документе раскрыты некоторые приводимые в качестве примеров способы, устройства и изделия, объем охвата данного патента ими не ограничен. Напротив, этот патент охватывает все способы, устройства и изделия, в достаточной степени охватываемые объемом формулы изобретения по данному патенту.