ТКАНЫЕ ЗАГОТОВКИ, КОМПОЗИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ, УСИЛЕННЫЕ ВОЛОКНОМ, И СПОСОБЫ ИХ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
WOVEN WORKPIECE, COMPOSITE MATERIALS REINFORCED BY FIBRE, AND METHODS FOR PRODUCTION THEREOF

Область техники
Настоящее изобретение относится к структурам, усиленным волокном. В частности, настоящее изобретение относится к тканым заготовкам, композитным материалам, усиленным волокном, включая тканые заготовки, и к способам их изготовления. Композитные структуры согласно настоящему изобретению можно использовать при изготовлении конструкций самолетов, таких как рамы иллюминаторов.
Включение посредством ссылки
Все патенты, патентные заявки, документы, ссылки, инструкции производителя, описания, технические требования к изделиям и технологические карты для любых упомянутых в настоящем описании изделий включены в данную заявку посредством ссылки и могут быть использованы при реализации изобретения.
Уровень техники
В настоящее время широкое распространение получило использование усиленных композитных материалов в производстве структурных компонентов, в частности в таких областях применения, где необходимы такие характеристики компонентов, как малый вес, прочность, жесткость, сопротивление усталости, возможность выполнения самонесущих компонентов и возможность формования и придания требуемой формы. Такие компоненты используются, например, в авиационной, аэрокосмической отраслях промышленности, в искусственных спутниках и в сфере развлечений (например, в гоночных катерах и автомобилях) и в других областях применения.
Обычно такие компоненты состоят из усиливающих материалов, внедренных в материал матрицы. Усиливающий компонент может быть выполнен из материалов, таких как стекло, углерод, керамика, арамид, полиэтилен и/или других материалов, имеющих требуемые физические, термические, химические и/или другие свойства, среди которых основным является высокая прочность при нагрузках. Посредством использования таких усиливающих материалов, которые, в конечном счете, становятся составляющим элементом конечного компонента, конечному композитному компоненту придаются требуемые характеристики усиливающих материалов, такие как очень высокая прочность. Обычно составляющие усиливающие материалы могут быть ткаными, вязаными или плетеными. Как правило, особое внимание уделяется обеспечению оптимального использования свойств, для достижения которых были выбраны составляющие усиливающие материалы. В основном такие усиливающие заготовки комбинируют с материалом матрицы с получением требуемых готовых компонентов или для создания производственного запаса для последующего производства готовых компонентов.
После того как требуемая усиливающая заготовка создана, к заготовке и в нее может быть введен материал матицы, таким образом, что усиливающая заготовка обычно оказывается заключенной в материале матрицы, и материал матрицы заполняет промежуточные области между составляющими элементами усиливающей заготовки. Материал матрицы может быть любым из широкого разнообразия материалов, таких как эпоксидная смола, полиэфир, виниловый эфир, керамика, углерод и/или другие материалы, которые также имеют требуемые физические, термические, химические и/или другие свойства. Материалы, выбранные для использования в качестве материала матрицы, могут быть или могут не быть такими же, как материал усиливающей заготовки, и могут иметь или могут не иметь сравнимые физические, химические, термические или другие свойства. Однако, как правило, они не будут выполняться из одних и тех же материалов или не будут иметь сравнимые физические, химические, термические или другие свойства, так как при использовании композитных материалов обычно на первом месте стоит объективное требование в получении в готовом изделии сочетания характеристик, которое невозможно получить путем использования одного составляющего материала. Затем комбинированные таким образом усиливающая заготовка и материал матрицы могут быть отверждены и стабилизированы за одну операцию путем термического твердения или другими известными способами, и далее подвержены другим операциям по изготовлению требуемого компонента. Здесь важно отметить, что после такого отверждения затвердевшие массы материала матрицы, как правило, имеют сильное сцепление с усиливающим материалом (например, с усиливающей заготовкой). В результате нагрузка, прикладываемая к полученному конечному компоненту, в частности, через материал матрицы, действующий как связующее между волокнами, может быть передана с большой эффективностью и воспринята составляющим материалом усиливающей заготовки.
Зачастую возникает необходимость изготовления компонентов, имеющих конфигурацию, отличную от таких простых геометрических форм, как пластины, листы, прямоугольные или квадратные предметы и т.д. В этом случае такие основные геометрические формы комбинируют с получением требуемых более сложных форм. При создании любой из таких форм соответствующее внимание должно уделяться тому, чтобы соединение между составляющими компонентами было максимально прочным. Принимая во внимание очень высокую прочность самих компонентов усиленной заготовки, непрочность соединения, в действительности, становится «слабым звеном» структурной «цепочки».
Хотя задача, решаемая в предшествующем уровня техники, состояла в улучшении структурной целостности усиленных композитных материалов, и частично успех в этом направлении был достигнут, существует потребность в дальнейшем улучшении в этом направлении или, возможно, в рассмотрении другого подхода, отличающегося от использования связующих материалов или механического соединения. В этой связи одним таким способом могло бы стать создание тканой трехмерной ("3D") структуры при помощи специального оборудования. Однако связанные с этим затраты значительны, а ткацкие станки, направленные на создание только одной структуры, требуются редко. Другим способом могло бы стать создание тканой двухмерной ("2D") структуры, которую можно было сложить в трехмерную ("3D") форму так, чтобы заготовка была выткана как единое целое, т.е. нити были непрерывно переплетены между плоским основанием или частью заготовки и другими составляющими частями.
Возросшее использование композитных материалов, имеющих такие заготовки с усиленным волокном, в авиации привело к потребности в композитных компонентах, таких как иллюминаторные рамы из композитных материалов. Иллюминаторные рамы из композитных материалов более предпочтительны, т.к. тепловая деформация иллюминаторной рамы должна соответствовать тепловой деформации окружающей структуры. Типичная конфигурация такой иллюминаторной рамы 10 представлена, например, на Фиг.1; эти рамы также могут быть овальными, круглыми или иметь любую другую форму.
Как правило, формы поперечного сечения иллюминаторной рамы 10 можно разложить на ряд «Т-образных», «L-образных» и/или «U-образных» форм. Форма поперечного сечения иллюминаторной рамы 10 на Фиг.1, например, может быть получена комбинацией двух «L-образных» форм 12, размещенных «спина к спине», как представлено, например, на Фиг.12.
Конструкции воздушных судов зачастую включают компоненты, которые характеризуются осесимметричной геометрией (т.е. геометрией, имеющей ось симметрии), подобно рассмотренной в приведенном выше описании. Другие компоненты самолетов, в которых могут быть использованы вышеописанные структуры, представляют собой, например, обод колес, кольца удержания лопаток, и камеры сгорания в реактивном двигателе. Существует множество способов изготовления заготовок, усиленных волокном, с осесимметричными формами. Такие способы включают контурное плетение, сплетение и намотку нитей. Каждый из этих способов имеет свои преимущества и недостатки. Однако ни один из них не может быть использован для изготовления цельной трубчатой заготовки с формой, имеющей концентрические сегменты.
Сущность изобретения
Соответственно, одним иллюстративным вариантом реализации настоящего изобретения является способ плетения бесшовной тканой заготовки, которая может быть получена в виде сложной осесимметричные формы с одним или несколькими концентрическими сегментами. Примерами структур, в которых используются такие формованные заготовки, являются иллюминаторные рамы и камеры сгорания в конструкциях самолетов и двигателей. Способ включает плетение трубчатых заготовок, которые в области техники, связанной с композитными материалами, усиленными волокном, обычно называются «чулками». Чулки плетутся плоскими, но принимают необходимую трехмерную форму. Из этих заготовок затем формируют композитные компоненты с использованием таких процессов, как пропитка под давлением или химическая фильтрация с помощью пара.
Способ по настоящему варианту реализации, в общем, включает стадии переплетения множества основных нитей с одной уточной нитью так, что в результате образуется трубчатая тканая структура, имеющая центральную ось. Заготовка может быть выткана бесшовной с длиной, равной двум или более диаметрам. Кроме того, способ включает стадию складывания первой части заготовки большего диаметра вдоль центральной оси во вторую часть заготовки меньшего диаметра и, в качестве необязательного условия, складывание третьей части заготовки с наименьшим диаметром во вторую часть заготовки. Заготовка может быть сформирована таким образом, чтобы соответствовать шаблону заданной формы. Множество основных нитей может быть параллельна центральной оси заготовки, а уточная нить может быть параллельна кольцевому направлению заготовки.
Один иллюстративный вариант реализации настоящего изобретения представляет собой бесшовную заготовку для применения в композитных материалах, усиленных волокном. Заготовка включает множество основных нитей, переплетенных с одной уточной нитью, в результате чего образуется трубчатая тканая структура с центральной осью. Множество основных нитей можно переплетать с одной уточной нитью при помощи метода непрерывного или трубчатого плетения. Заготовка может иметь длину, равную двум или более диаметрам так, что первая часть заготовки с большим диаметром может быть сложена вдоль центральной оси на вторую часть заготовки с меньшим диаметром. Третья часть заготовки может быть сложена во вторую часть. Заготовка может быть сформирована таким образом, чтобы соответствовать по форме шаблону заданной формы. Множество основных нитей может быть параллельно центральной оси заготовки, а уточная нить может быть параллельна кольцевому направлению заготовки.
Другой иллюстративный вариант реализации настоящего изобретения представляет собой композитный материал, усиленный волокном, включающий заготовку, описанную выше. Композитный материал, усиленный волокном, может включать материал матрицы, представляющий собой смолу, выбранную из группы, состоящей их эпоксидной смолы, полиэфира, винилового эфира, керамики, углерода и их комбинации. Композитный материал, усиленный волокном, может входить в состав, например, камеры сгорания или иллюминаторной рамы.
Различные признаки новизны, которые характеризуют настоящее изобретение, подробно перечислены в пунктах формулы изобретения, приложенной и являющейся неотъемлемой частью настоящего описания. Для лучшего понимания настоящего изобретения, его функциональных преимуществ и конкретных целей, достигаемых его применением, авторы изобретения ссылаются на сопроводительный описательный материал, в котором проиллюстрированы предпочтительные, но не ограничивающие, варианты реализации изобретения, и прилагаемые чертежи, на которых соответствующие компоненты идентифицируются одинаковыми номерами позиций.
В данном описании термины «содержащий» и «содержит» могут означать «включающий в себя» и «включает в себя» или могут иметь значение, присвоенное термину «содержащий» и «содержит» в Патентном законе США. Термины «по существу состоящий из» или «по существу состоит из», в случае использования в пунктах формулы изобретения, имеют значение, присвоенное им в Патентном законе США. Другие аспекты изобретения описываются в или очевидны из (и в пределах изобретения) нижеследующего раскрытия.
Краткое описание чертежей
Прилагаемые чертежи, включенные в описание для лучшего понимания изобретения, являются неотъемлемой частью настоящего описания. На представленных чертежах проиллюстрированы различные варианты реализации изобретения, которые вместе с описанием служат для объяснения принципов изобретения.
На Фиг.1 изображен схематический вид иллюминаторной рамы самолета;
На Фиг.2 изображено поперечное сечение иллюминаторной рамы самолета, показанной на фиг.1;
На Фиг.3 схематически изображена стадия способа согласно одному варианту реализации настоящего изобретения;
На Фиг.4(a) изображено поперечное сечение тканой бесшовной заготовки согласно одному варианту реализации настоящего изобретения;
На Фиг.4(b) изображен вид сверху тканой бесшовной заготовки согласно одному варианту реализации настоящего изобретения;
На Фиг.5 изображен вид сверху плоскотканой бесшовной заготовки, как представлено на ткацком станке;
На Фиг.6(a) и 6(b) схематически изображены стадии способа согласно одному варианту реализации настоящего изобретения;
На Фиг.7 представлена фотография тканой бесшовной заготовки согласно одному варианту реализации настоящего изобретения;
На Фиг.8 представлена фотография тканой бесшовной заготовки согласно одному варианту реализации настоящего изобретения;
На Фиг.9 представлена фотография тканой бесшовной заготовки согласно одному варианту реализации настоящего изобретения; и
На Фиг.10(a) и 10(b) схематически изображена стадия способа согласно одному варианту реализации настоящего изобретения.
Подробное описание предпочтительных вариантов реализации
Далее настоящее изобретение будет описываться более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых изображены предпочтительные варианты реализации изобретения. Однако данное изобретение может быть воплощено во многих различных формах и не должно рассматриваться как ограниченное иллюстрированными вариантами реализации, изложенными в данной заявке. Скорее эти иллюстрированные варианты реализации обеспечены для того, чтобы данное раскрытие было полным и законченным и полностью выражало объем изобретения для специалистов в данной области техники.
В нижеследующем описании одни и те же номера позиций обозначают одни и те же или соответствующие детали на всех фигурах. Дополнительно, в нижеследующем описании подразумевается, что такие термины как «верхний», «нижний», «верхняя часть», «нижняя часть», «первый», «второй» и т.п. являются словами, используемыми для удобства, и не должны рассматриваться как ограничивающие термины.
Обращаясь сейчас к фигурам, на Фиг.3 схематически изображена стадия способа плетения бесшовной заготовки 100 согласно одному варианту реализации настоящего изобретения. Способ включает плетение бесшовной заготовки или трубчатой заготовки 100, которую обычно называют «чулком» в области композитных материалов, усиленных волокном. Чулок плетется плоским, но принимает необходимую трехмерную форму при наложении на шаблон, имеющий необходимые размеры.
Согласно настоящему варианту реализации в способе используют по меньшей мере два слоя 14, 16 основного волокна или нити 20 на ткацком станке. Уточное волокно или нить 18, как правило, вводится при помощи челнока, который постоянно перемещается по ширине ткацкого станка, благодаря чему заготовка будет иметь закрытые края и, таким образом, имеет непрерывное усиление в круговом направлении. При таком расположении, когда челнок движется в одном направлении, например слева направо, уточное волокно или нить 18 переплетается с основным волокном или нитью 20 в верхнем слое 14, а когда челнок перемещается справа налево, уточное волокно или нить 18 переплетается с основным волокном 20 в нижнем слое 16. Поскольку уточное волокно или нить выходит из челнока, волокно или нить 18, участвующая в плетении верхнего слоя 14 и нижнего слоя 16, соединяются по краю, согласно, например, Фиг.3.
Используя метод трубчатого плетения, рассмотренный выше, один иллюстративный вариант реализации настоящего изобретения представляет собой способ плетения бесшовных заготовок 120, которые могут быть сформированы в сложные осесимметричные формы (т.е. формы с вращательной симметрией вокруг центральной оси), имеющие один или более концентрический сегмент, представленный, например, на Фиг.4(b), на которой изображен вид сверху бесшовной волоконной заготовки 120, сплетенной с использованием настоящего метода трубчатого плетения. На Фиг.4(a) изображено поперечное сечение той же самой структуры, выполненное вдоль воображаемой линии B-B и изображающее различные сегменты «a»-«f» волоконной заготовки 120. Как можно видеть на Фиг.4(a) и 4 (b), сегменты «a», «c» и «g» заготовки являются концентрическими, так же как и сегменты «b», «d», «e» и «f». Поскольку на Фиг.4(b) изображен вид сверху усиленной волокном заготовки 120, сегменты «a», «c» и «g» не видны на этой фигуре, т.к. они находятся в вертикальной плоскости или вдоль оси Z трехмерной системы координат. Хотя на фиг.4(a)-4(b) представлен предпочтительный вариант реализации тканой заготовки 120, настоящее изобретение не ограничивается им, и практически можно использовать другие варианты метода трубного плетения для изготовления бесшовной заготовки, которая может быть формирована в структуру с концентрическими сегментами.
Заготовка 120 может быть соткана путем изменения количества основных волокон или нитей 20, которые фактически переплетаются в заготовке 120 таким образом, что длина каждой пары уточных волокон 18 (которая образует отдельное кольцо в трубчатой заготовке) меняется вдоль длины заготовки 120. В результате этого получается трубчатая заготовка 120, имеющая диаметр, изменяющийся вдоль ее длины, как показано, например, на Фиг.5. На Фиг.5 представлен вид сверху плоской тканой заготовки 120 на ткацком станке. Заготовка включает тканую часть 110, в которой все основные нити 20 переплетены с уточной нитью 18, и частично тканую часть 115, в которой только некоторые из основных нитей 20 переплетены с уточной нитью 18 с получением трубы меньшего диаметра по сравнению с тканой частью 110. Края заготовки обозначены стрелками 125 и являются практически бесшовными вследствие того, что челнок, переносящий уточную нить 18, непрерывно перемещается по всей ширине ткацкого станка при плетении заготовки 120.
После снятия тканой заготовки 120 с ткацкого станка выполняется обрезка заготовки по ее краям 125 для того, чтобы отрезать несотканые части основных нитей 20 и создать ровную поверхность на наружной стороне заготовки 120, с получением в результате структуры, показанной, например, на Фиг.7. После этого заготовка размещается на шаблон нужной формы, и первая часть 130 заготовки с большим диаметром складывается вдоль центральной оси заготовки на вторую часть 140 с меньшим диаметром, как показано на Фиг.6(a). После этого третья часть 150 с наименьшим диаметром может быть сложена внутрь с получением сложенной заготовки 120, как показано, например, на Фиг.6(b). Тем не менее, следует отметить, что множество основных нитей 20 всегда направлены вдоль центральной оси заготовки, а уточная нить 18 всегда параллельна кольцевому направлению заготовки 120, обеспечивая, тем самым, постоянное кольцевое усиление.
Данные бесшовные заготовки, как можно понять, разрабатывают с целью получения требуемой формы без образования складок. Такая особенность имеет значительные преимущества по сравнению с остальными способами, требующими наметывания и ручного труда для того, чтобы выровнять заготовку. Кроме того, получающаяся структура имеет непрерывное усиление в кольцевом направлении, что увеличивает механическую прочность всей структуры.
Изобретение согласно дополнительному иллюстративному варианту реализации представляет собой способ плетения бесшовной заготовки 200, такой как изображена, например, на Фиг.9. В данном примере поперечное сечение имеет «U-образную» форму, однако следует понимать, что «L-образная» форма возможна при удалении одной из вертикальных ножек «U». В данном способе используют метод чулочного или трубчатого плетения, описанный в вариантах реализации, представленных выше. Однако бесшовная заготовка 200 в данном случае имеет две части 230, 250 с постоянным диаметром и переходную часть 240, где заготовка переходит от части 250 меньшего диаметра в часть 230 большего диаметра.
После снятия тканой заготовки 200 с ткацкого станка выполняется обрезка заготовки вдоль ее краев для того, чтобы отрезать несотканые части основных нитей 20 и создать ровную поверхность на внешней стороне заготовки 200. После этого заготовка размещается на шаблон нужной формы, в данном случае на шаблон «U-образной» формы, и первая часть 230 заготовки с большим диаметром складывается вдоль центральной оси заготовки на вторую часть 240 с меньшим диаметром согласно Фиг.10(a). После этого третья часть 250 с наименьшим диаметром может быть сложена внутрь для создания сложенной заготовки 200, показанной, например, на фиг.10(b). Формирование сложенных частей в заготовке также называется установкой «манжет» в заготовке. Однако следует отметить, что множество основных нитей 20 всегда направлены вдоль центральной оси заготовки, а уточная нить 18 всегда параллельна кольцевому направлению бесшовной заготовки 200, обеспечивая тем самым непрерывное кольцевое усиление.
Задание формы такой тканой заготовки облегчается работой в двухмерной системе координат, которая следует по кривой, определяющей поперечное сечение желаемой структуры. Это координата «s», представленная, например, на Фиг.5, где направление основной нити указано стрелкой вдоль оси X, а направление уточной нити соответствует оси Y системы координат. Данная координата соответствует расположению пары уточных волокон в направлении вдоль основной нити. Требуемая длина уточного волокна при соответствующем значении «s» определяется путем вычисления периметра необходимой структуры в этом положении. В результате этот процесс расправляет и выпрямляет уонцентрическую структуру, как изображено на Фиг.5.
Поскольку бесшовная заготовка разработана таким образом, что она имеет требуемую длину уточного волокна при каждом «s» вдоль направления основной нити, она будет принимать нужную форму без образования складок. Данная особенность имеет значительные преимущества по сравнению со способом, требующим наметывания и ручного труда для того, чтобы выровнять заготовку. Кроме того, получающаяся структура имеет непрерывное усиление в кольцевом направлении, что повышает механическую прочность всей структуры.
Хотя в вариантах реализации, представленных в настоящем описании, описана однослойная структура, настоящее изобретение не ограничивается таковой, и структуры или заготовки с многослойной структурой, содержащей более двух слоев основных нитей и более одной уточной нити, могут изготавливаться специалистами в данной области техники без отступления от сущности и объема настоящего изобретения. Многослойные структуры также могут содержать один или несколько слоев ткани, сформированных на или прикрепленных по меньшей мере к одной поверхности трубчатой тканой структуры. Дополнительный слой может представлять собой наслаиваемую, плоскотканую, непрерывно тканую, нетканую, плетеную или вязаную структуру.
Подобным образом, несмотря на то, что в настоящем описании раскрыты структуры с двумя или тремя разными диаметрами, данное изобретение не ограничивается таковыми, и структуры с концентрическими сегментами, имеющие практически любое количество диаметров, могу быть изготовлены с использованием способов настоящего изобретения.
Способы, раскрытые в настоящем описании, применимы практически для любого волокна, которое может быть выткано на ткацком станке, основная часть заготовки может быть выткана с использованием практически любого рисунка (например, гладкое плетение, диагональное переплетение, атласное плетение и т.д.). Подобным образом, основные нити и/или уточные нити, используемые в данном изобретении, могут быть изготовлены из материала, выбранного из группы, состоящей из стекла, углерода, керамики, арамида, полиэтилена, полиэфира, полиамида и других материалов, имеющих требуемые физические, термические, химические и/или другие свойства. Посредством использования таких усиливающих материалов, которые, в конечном счете, становятся составляющим элементом конечного композитного материала, конечному композитному компоненту придаются требуемые характеристики усиливающих материалов, такие как очень высокая прочность. Основные нити и/или уточные нити, используемые в настоящем изобретении, могут иметь одноволоконную, многоволоконную, сплетеную многоволоконную, крученую многоволоконную, в виде некрученых жгутов, многокруточную или плетеную структуру.
После того как создана требуемая усиливающая заготовка 120, 200, материал матрицы может быть введен в заготовку 120, 200 при помощи пропитки под давлением или химической фильтрации с помощью пара таким образом, что усиливающая заготовка обычно оказывается заключенной в материале матрицы, и материал матрицы заполняет промежуточные области между составляющими элементами усиливающей заготовки. Материал матрицы может быть любым из широкого разнообразия материалов, таких как эпоксид, полиэфир, виниловый эфир, керамика, углерод и/или другие материалы, которые также демонстрируют требуемые физические, термические, химические и/или другие свойства. Окончательная структура может быть отверждена при помощи общеизвестных технических способов, таким образом, получая композитные материалы, которые могут быть, например, частью иллюминаторной рамы, обода колеса или камеры сгорания в реактивном двигателе.
Хотя в приведенном выше подробном описании были представлены предпочтенные варианты реализации настоящего изобретения и его модификации, очевидно, что данное изобретение не ограничивается этим определенным вариантом реализации и модификациями и что другие модификации и изменения могут быть выполнены специалистом в данной области техники, не отступая от сущности и объема изобретения, который определен приложенной формулой изобретения.