具有復(fù)合物-金屬接頭的復(fù)合結(jié)構(gòu)及其制造方法
【專利說(shuō)明】
[0001] 相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002] 本申請(qǐng)是于2012年12月16日提交的未決狀態(tài)的題為"Composite Structures Having Composite-To-Metal Joints and Method for Making the Same"的美國(guó)申請(qǐng)序列 號(hào)13/716, 171的部分繼續(xù)申請(qǐng)并且要求其權(quán)益。美國(guó)申請(qǐng)序列號(hào)13/716, 171是于2010 年8月17日提交的、于2014年2月18日發(fā)行的美國(guó)專利8,652,606、題為"Composite Structures Having Composite-To-Metal Joints and Method for Making the Same'，的 美國(guó)申請(qǐng)序列號(hào)12/857,835的分案申請(qǐng)。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本公開內(nèi)容總體上涉及復(fù)合結(jié)構(gòu)，尤其涉及纖維增強(qiáng)樹脂層壓板，并且更具體地 涉及具有復(fù)合物-金屬接頭的混合復(fù)合件。
【背景技術(shù)】
[0004] 結(jié)合技術(shù)經(jīng)常用于裝配復(fù)合結(jié)構(gòu)。在復(fù)合結(jié)構(gòu)還需要緊固件的應(yīng)用中，可能需要 包圍緊固件的結(jié)構(gòu)的局部厚度（thickness)或尺寸（gauge)增加，從而承受通過(guò)緊固件接 頭傳遞的負(fù)荷。當(dāng)結(jié)構(gòu)的局部厚度增加時(shí)，可能需要延長(zhǎng)緊固件，從而向結(jié)構(gòu)增加重量。此 外，結(jié)構(gòu)的增加的局部厚度可能增加通過(guò)緊固件接頭的負(fù)荷路徑的偏心距，其可以將不期 望的彎曲負(fù)荷置于緊固件上。
[0005] 對(duì)以上提及的問(wèn)題的一種解決方案包括在緊固件的區(qū)域中將金屬配件附接至復(fù) 合結(jié)構(gòu)。這些金屬配件可以由基本上不可與其接觸的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合物起化學(xué)反應(yīng)的鈦或 類似的金屬形成。然而，當(dāng)具體地必須將鈦配件形成為復(fù)雜形狀時(shí)，鈦配件可能是相對(duì)昂貴 的。
[0006] 因此，需要一種復(fù)合樹脂-金屬接頭，其可以用于將基本上所有的金屬配件與基 本上所有的復(fù)合樹脂結(jié)構(gòu)連接，其是相對(duì)廉價(jià)的并且易于制造，并且其可以承受在緊固件 連接點(diǎn)周圍傳遞的負(fù)荷。還需要一種復(fù)合樹脂-金屬接頭，其基本上避免了所有金屬配件 和所有復(fù)合樹脂結(jié)構(gòu)之間的化學(xué)反應(yīng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 所公開的實(shí)施方式提供一種混合型復(fù)合結(jié)構(gòu)，包括纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合物-金屬接 頭，其可用于將基本上所有的金屬配件與基本上所有的復(fù)合樹脂結(jié)構(gòu)連接。接頭提供復(fù)合 結(jié)構(gòu)和金屬結(jié)構(gòu)之間的過(guò)渡（transition)，其適用于較高性能應(yīng)用（諸如航空航天交通工 具）。從基本上所有的復(fù)合物至基本上所有的金屬材料的這種過(guò)渡可以降低或消除腐蝕的 可能性和/或源于偏心距造成的問(wèn)題。在復(fù)合結(jié)構(gòu)的疊層期間，由多個(gè)復(fù)合板層取代金屬 板，并且從復(fù)合板層至金屬板的過(guò)渡發(fā)生在交錯(cuò)的位置處，從而提供足夠的負(fù)荷從復(fù)合部 分轉(zhuǎn)移至金屬部分。交錯(cuò)的過(guò)渡導(dǎo)致復(fù)合板層和金屬板之間的交錯(cuò)，并且建立多條結(jié)合線， 其可以減少接頭中的裂縫或脫結(jié)的出現(xiàn)和/或蔓延。放置在金屬板之間的結(jié)合劑使板粘著 (bind)且一體化為接近實(shí)體的金屬配件。
[0008] 根據(jù)一個(gè)公開的實(shí)施方式，提供了一種復(fù)合結(jié)構(gòu)，包括纖維增強(qiáng)樹脂板層和金屬 板疊層的層壓疊層。金屬板具有與纖維增強(qiáng)樹脂板層的邊緣交錯(cuò)的邊緣，從而形成將纖維 增強(qiáng)樹脂板層與金屬板連接的復(fù)合物-金屬接頭。
[0009] 根據(jù)另一個(gè)實(shí)施方式，提供了一種混合樹脂-金屬結(jié)構(gòu)，包括復(fù)合樹脂部分、金屬 部分和樹脂部分和金屬部分之間的過(guò)渡部分。樹脂部分包括纖維增強(qiáng)樹脂的層壓板層，并 且金屬部分包括結(jié)合的金屬板。過(guò)渡部分包括層壓的板層和金屬板之間的交錯(cuò)重疊。
[0010] 根據(jù)另一個(gè)實(shí)施方式，提供了一種混合復(fù)合物金屬零件。該零件包括纖維增強(qiáng)復(fù) 合材料的疊層，其終止于接口位置處。在接口位置處，與復(fù)合材料相同厚度的金屬板層延續(xù) 至該零件的金屬邊緣，并且在從先前的接口位置交錯(cuò)至零件邊緣的復(fù)合物-金屬接口重復(fù) 疊層。結(jié)構(gòu)結(jié)合劑的板層放置在金屬板層之間，下一個(gè)金屬-復(fù)合物接口交錯(cuò)遠(yuǎn)離零件邊 緣以產(chǎn)生嵌套接合，并且交錯(cuò)的接口堆疊產(chǎn)生嵌套突出部并且延續(xù)至全部厚度的零件而沒 有一個(gè)復(fù)合板層完全延伸至零件的邊緣。
[0011] 根據(jù)又一個(gè)實(shí)施方式，提供了一種制備復(fù)合結(jié)構(gòu)的方法。該方法包括形成具有復(fù) 合部和金屬部分的多板層復(fù)合疊層、以及形成在復(fù)合部和金屬部分之間的復(fù)合物-金屬接 頭。該方法進(jìn)一步包括壓實(shí)并且固化疊層。
[0012] 根據(jù)又一實(shí)施方式，提供了一種產(chǎn)生混合金屬零件的方法。該方法包括放置終止 在接口位置處的至少一個(gè)纖維增強(qiáng)復(fù)合板層，并且放置相鄰的金屬板層，在此，金屬板層具 有與相鄰的纖維增強(qiáng)復(fù)合板層基本上相同的厚度。重復(fù)放置復(fù)合板層和相鄰的金屬板層的 步驟來(lái)形成從先前的接口位置交錯(cuò)至零件邊緣的復(fù)合物-金屬接口。該方法進(jìn)一步包括放 置在金屬板層之間的一板層的結(jié)構(gòu)結(jié)合劑，并且重復(fù)復(fù)合物和金屬板層疊層，在此，下一個(gè) 金屬-復(fù)合物接口交錯(cuò)遠(yuǎn)離零件邊緣以產(chǎn)生嵌套接合。
【附圖說(shuō)明】
[0013] 圖1是具有復(fù)合物-金屬接頭的復(fù)合結(jié)構(gòu)的截面圖。
[0014] 圖2是包括復(fù)合物-金屬接頭的復(fù)合結(jié)構(gòu)的立體圖。
[0015] 圖3是在圖2中被指定為圖3的區(qū)域的立體圖。
[0016] 圖4是更好地示出交錯(cuò)在復(fù)合板層和金屬板之間的接頭的截面圖。
[0017] 圖5是在圖4中示出的接頭的兩個(gè)分離層的截面圖，還示出在金屬板上的膜結(jié)合 劑的涂布。
[0018] 圖6是通過(guò)圖5中的兩個(gè)層形成的接頭的一部分的放大的截面圖。
[0019] 圖7是制造具有在圖2至圖4中示出的復(fù)合接頭的復(fù)合結(jié)構(gòu)的方法的主要流程 圖。
[0020] 圖8是示出在圖7中示出的方法的額外細(xì)節(jié)的流程圖。
[0021] 圖9是制造具有在圖2至圖4中示出的復(fù)合接頭的復(fù)合結(jié)構(gòu)的另一個(gè)方法的流程 圖。
[0022] 圖10是示出飛機(jī)生產(chǎn)和服務(wù)方法的流程圖。
[0023] 圖11是示出飛機(jī)的框圖。
[0024] 圖12A至圖12D是描述通過(guò)框架和蒙皮形成的結(jié)構(gòu)的截面?zhèn)纫晥D的示例性實(shí)施方 式，結(jié)構(gòu)包括圖12A、圖12B、圖12C和圖12D。圖12A是根據(jù)示例性實(shí)施方式描述的、通過(guò)框 架和復(fù)合蒙皮形成的結(jié)構(gòu)的截面?zhèn)纫晥D；圖12B是根據(jù)示例性實(shí)施方式描述的結(jié)構(gòu)的截面 側(cè)視圖，其中結(jié)構(gòu)包括：框架、復(fù)合蒙皮、金屬蒙皮以及將金屬蒙皮連接至復(fù)合蒙皮的接合 板；圖12C是根據(jù)示例性實(shí)施方式描述的、包括連接到金屬蒙皮的復(fù)合蒙皮的結(jié)構(gòu)的截面 側(cè)視圖；圖12D是根據(jù)示例性實(shí)施方式描述的、在圖12C中描述的結(jié)構(gòu)上金屬蒙皮至復(fù)合蒙 皮的連接的截面?zhèn)纫晥D中的縮放示意圖。
[0025] 圖13A是根據(jù)示例性實(shí)施方式描述的、與圖12C中描述的結(jié)構(gòu)類似的結(jié)構(gòu)的截面 側(cè)視圖，但是在金屬板的疊層中具有導(dǎo)電條；圖13B是根據(jù)示例性實(shí)施方式描述的、與圖 12C中描述的結(jié)構(gòu)類似的結(jié)構(gòu)的截面?zhèn)纫晥D，但是具有集成的加熱管道。
[0026] 圖14A是根據(jù)示例性實(shí)施方式描述的、與圖12C中描述的結(jié)構(gòu)類似的結(jié)構(gòu)的截面 側(cè)視圖；圖14B是根據(jù)示例性實(shí)施方式描述的、在圖14A中描述的結(jié)構(gòu)的示例性實(shí)施方式的 截面?zhèn)纫晥D，但是與圖14A不同之處在于，由于金屬板的疊層改變了其形狀。
[0027] 圖15是根據(jù)示例性實(shí)施方式描述的具有噴嘴的發(fā)動(dòng)機(jī)的截面?zhèn)纫晥D，噴嘴包含 連接到復(fù)合發(fā)動(dòng)機(jī)禍輪零部件（section，部分）整流罩的形狀記憶合金。
[0028] 圖16是根據(jù)示例性實(shí)施方式描述的將鋁結(jié)構(gòu)連接至復(fù)合結(jié)構(gòu)的鈦復(fù)合板層接頭 的立體圖。
[0029] 圖17A是根據(jù)示例性實(shí)施方式描述的、從圖16中的視角17A觀看到的金屬板的疊 層的鈦復(fù)合板層接頭的立體截面圖，其結(jié)合有Griesson脫結(jié)限制器并且結(jié)合至復(fù)合層壓 板。在圖17B中，圖17A被修改以示出Griesson脫結(jié)限制器的可替換構(gòu)造。在圖17C中， 圖17B被修改以示出Griesson脫結(jié)限制器的另一個(gè)可替換構(gòu)造。
[0030] 圖18是根據(jù)示例性實(shí)施方式描述的用于將金屬蒙皮結(jié)合至復(fù)合蒙皮而不使用接 合板的過(guò)程的流程圖。
[0031] 圖19是根據(jù)示例性實(shí)施方式描述的用于抑制在不使用接合板的情況下連接至復(fù) 合結(jié)構(gòu)的鋁結(jié)構(gòu)的電化腐蝕的處理的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0032] 首先參考圖1，混合復(fù)合結(jié)構(gòu)20包括通過(guò)過(guò)渡部分25接合到金屬部分24的復(fù)合 樹脂部分22,過(guò)渡部分25包括復(fù)合物-金屬接頭26。在所示出的實(shí)施例中，復(fù)合結(jié)構(gòu)20 是基本上平坦的復(fù)合板，然而，結(jié)構(gòu)20可根據(jù)應(yīng)用具有一種或多種曲面、輪廓或其他幾何 特征。例如，復(fù)合結(jié)構(gòu)20可以包括飛機(jī)內(nèi)部和/或外部輪廓蒙皮（未示出），其借助于穿過(guò) 蒙皮20而進(jìn)入框架28的搭接接頭30和緊固件32來(lái)固定至飛機(jī)的框架28部分。
[0033] 框架28可以包括復(fù)合物、金屬或其他剛性材料，并且結(jié)構(gòu)20的金屬部分24可以 用作適于在框架28和復(fù)合部分20之間轉(zhuǎn)移一類負(fù)荷和多種類型的負(fù)荷的剛性金屬配件 24。如下文更詳細(xì)地所述，金屬部分24可以包括任意種類的各種金屬，例如而并不局限于， 與復(fù)合部分20和框架28基本上不反應(yīng)且與之兼容的鈦。在一個(gè)實(shí)際的實(shí)施方式中，例如而 沒有限制，復(fù)合樹脂部分22可以包括碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂，金屬部分24可以包括鈦合金， 并且框架28可以包括鋁合金或復(fù)合物。過(guò)渡部分25和接頭26足夠強(qiáng)以在復(fù)合樹脂部分 22和金屬部分24之間承載典型類別和類型的負(fù)荷，包括但不限于張力、彎曲、扭轉(zhuǎn)和剪應(yīng) 負(fù)荷。雖然所示出的過(guò)渡部分25和接頭26形成在所有復(fù)合樹脂部分22和所有金屬部分 24之間，但是可以采用它們以接合兩個(gè)不同的復(fù)合結(jié)構(gòu)（未示出）或兩個(gè)不同的金屬結(jié)構(gòu) (未示出）。
[0034] 參考圖1至圖4,復(fù)合材料板層35的疊層終止在接口位置39處，本文隨后提及為 過(guò)渡點(diǎn)39,在此，與復(fù)合材料板層35基本上相同厚度的金屬板或板層37延續(xù)至金屬部分 24的金屬邊緣24a，并且疊層在從先前的接口位置39朝向金屬邊緣24a交錯(cuò)的復(fù)合物-金 屬接口 39中重復(fù)，并且包括在金屬板層37之間的結(jié)構(gòu)金屬粘合劑45的板層（參見圖5和 圖6)，下一個(gè)金屬-復(fù)合物接口 39交錯(cuò)遠(yuǎn)離零件邊緣24a以產(chǎn)生嵌套接合板27。產(chǎn)生嵌 套調(diào)整片29 (參見圖3)的這種交錯(cuò)的接口疊層延續(xù)至全部厚度的混合復(fù)合結(jié)構(gòu)20,而沒有 一個(gè)復(fù)合板層35完全延伸至所有金屬部分24的金屬邊緣24a。
[0035] 現(xiàn)在也參考圖2至圖4,結(jié)構(gòu)20的復(fù)合樹脂部分22包括纖維增強(qiáng)樹脂板層35的 層壓疊層34,并且結(jié)構(gòu)20的金屬部分24包括結(jié)合在一起以形成基本上一體的金屬結(jié)構(gòu)的 金屬板或板層37的疊層36。如圖5和圖6所不，復(fù)合板層35和金屬板37被排列在層38 中。層38的每一個(gè)包括以基本上邊緣-邊緣與金屬板37之一鄰接的一個(gè)或多個(gè)復(fù)合板層 35。因此，層38的每一個(gè)在點(diǎn)39處從復(fù)合物（即復(fù)合樹脂板層35)過(guò)渡至金屬（即金屬 板 37)。
[0036] 過(guò)渡點(diǎn)39根據(jù)預(yù)定疊層計(jì)劃相對(duì)于彼此交錯(cuò)，使得板層35和金屬板37在過(guò)渡部 分25(圖1)中彼此重疊。過(guò)渡點(diǎn)39的交錯(cuò)建立了多條結(jié)合線，其可以降低接頭26中的裂 縫或脫結(jié)的出現(xiàn)和/或蔓延。過(guò)渡點(diǎn)39的交錯(cuò)還導(dǎo)致在接頭26內(nèi)復(fù)合板層35和金屬板37 的交錯(cuò)形式，接頭26在所有復(fù)合樹脂部分22和所有金屬部分24之間形成嵌套接合板27。 這種嵌套接合板27也可以被稱為指狀結(jié)合26、指狀接頭26或多個(gè)臺(tái)階搭接接頭26。過(guò)渡 點(diǎn)39的相鄰過(guò)渡點(diǎn)在結(jié)構(gòu)20的平面內(nèi)方向彼此隔開，從而實(shí)現(xiàn)表現(xiàn)最佳性能特性（包括 強(qiáng)度和抗諸如裂縫的不一致事件的脫結(jié)和蔓延）的結(jié)合接頭26。在所示出的實(shí)施例中，形 成接頭26的嵌套接合板27是其中過(guò)渡點(diǎn)39沿與最大重疊的通常中心點(diǎn)55相反的方向交 錯(cuò)的雙指狀接頭26形式。然而，包括但不限于，其中多個(gè)過(guò)渡點(diǎn)39沿單方向交錯(cuò)的單指狀 接頭，其他接頭構(gòu)造是可能的，。
[0037] 復(fù)合板層35可以包括纖維增強(qiáng)樹脂，諸如但不限于，可以處于單向預(yù)浸料帶或織 物形式的碳纖維環(huán)氧樹脂。包括玻璃纖維的其他纖維增強(qiáng)材料是可能的，并且使用非預(yù)浸 漬材料是可能的。復(fù)合板層35可具有預(yù)定纖維取向，并且根據(jù)預(yù)定板層計(jì)劃層疊以滿足期 望的性能規(guī)格。如之前提及的，結(jié)合板37可以包括適用于預(yù)期應(yīng)用的金屬（諸如鈦）。在 所示出的實(shí)施例中，金屬板37的疊層36具有總體上基本上等于板層35的層壓疊層34的 厚度t2的總厚度tl。然而，在所示出的實(shí)施例中，在疊層34相對(duì)側(cè)，t2稍微大于tl 一若 干包裹的板層43的厚度。
[0038] 圖5和圖6示出在圖2至圖4中示出的接頭26的兩個(gè)鄰接層38的細(xì)節(jié)。在這個(gè) 實(shí)施例中，每個(gè)層38包括具有集體性總厚度T1的四個(gè)板層35。相鄰層38的各個(gè)金屬板 37借助于結(jié)構(gòu)結(jié)合劑45層結(jié)合在一起，結(jié)構(gòu)結(jié)合劑45可以包括商用膜結(jié)合劑或在疊層處 理期間放置在金屬板37之間的其他形式的適宜結(jié)合劑。
[0039] 圖5中表示為T2的每個(gè)金屬板37和一層結(jié)合劑45的組合厚度基本上等于層38 中的復(fù)合板層35的厚度T1。雖然未在圖中示出，但是薄膜結(jié)合劑可以放置在板層35之間 來(lái)增加層間結(jié)合強(qiáng)度。在一個(gè)實(shí)際的實(shí)施方式中，可以使用鈦合金金屬板37,其各自具有 近似0. 025英寸厚度，膜結(jié)合劑45可以是近似0. 005英寸厚，并且可以在每個(gè)層38中使用 具有集體總厚度約〇. 030英寸的四個(gè)復(fù)合碳纖維環(huán)氧樹脂板層35。根據(jù)應(yīng)用，可以使用除 鈦之外的金屬。相鄰過(guò)渡點(diǎn)39之間的距離、并且因此層38之間的重疊長(zhǎng)度、以及復(fù)合板層 35的厚度和數(shù)量與金屬板37的厚度將取決于具體應(yīng)用的要求和其他可能的性能規(guī)格，具 體應(yīng)用的要求包括通過(guò)接頭26傳遞的負(fù)荷的類型和大小。
[0040] 在復(fù)合物和金屬部分22、24(圖1)的兩種不同材料之間的接頭26的不同層38分 別提供結(jié)構(gòu)20,其很好地符合利用嵌入或安裝的傳感器（未示出）進(jìn)行的結(jié)合質(zhì)量的無(wú)損 評(píng)估。結(jié)構(gòu)超聲波（未示出）可以在金屬部分24的邊緣處、在復(fù)合部分22處或在過(guò)渡部 分25中引入結(jié)構(gòu)20。這些超聲波通過(guò)由金屬板37和在復(fù)合板層35和金屬板37之間的接 口（未不出）形成的波導(dǎo)而傳播。放置在結(jié)構(gòu)20中的基于MEMS的（微機(jī)電）傳感器、薄 壓電傳感器（未示出）或其他變換器可以用于接收結(jié)構(gòu)超聲波，從而分析接頭26中的結(jié)合 線的狀況。
[0041] 現(xiàn)在參考圖7, 一種制造復(fù)合結(jié)構(gòu)20的方法包括：如在65處所示的，形成多層復(fù) 合疊層。形成疊層包括在步驟67處層疊復(fù)合樹脂部分22、以及在69處層疊金屬部分24。 如在71處所示的，形成疊層的步驟65進(jìn)一步包括在疊層的復(fù)合樹脂部分和金屬部分之間 形成復(fù)合物-金屬接頭。
[0042] 圖8示出在圖7中示出的方法的額外細(xì)節(jié)。在步驟40處開始，將各個(gè)金屬板37 修整為期望的尺寸和/或形狀。接下來(lái)在42處，通過(guò)適宜處理來(lái)制備金屬板37的表面，適 宜處理可以包括利用溶劑清潔金屬板37、對(duì)其干燥等。然后，在44處，通過(guò)以由預(yù)定板層計(jì) 劃（未示出）確定的順序?qū)盈B金屬板37和復(fù)合板層35來(lái)裝配疊層，預(yù)定板層計(jì)劃包括在 每一層38中的板層35和金屬板37之間的過(guò)渡點(diǎn)39的預(yù)定交錯(cuò)。
[0043] 在疊層處理期間，金屬板37像板層被排列為疊層，更像復(fù)合板層在傳統(tǒng)疊層處理 中被排列為疊層。如在步驟46處所示的，結(jié)合劑可以因引入（introduced)金屬板37之 間，從而將它們結(jié)合在一起成為一體的金屬結(jié)構(gòu)。類似地，雖然未在圖8中示出，但是