承載復(fù)合結(jié)構(gòu)的包覆模制的制作方法
【專(zhuān)利摘要】一種用于連接到支撐本體或結(jié)構(gòu)的承載復(fù)合結(jié)構(gòu)。所述承載結(jié)構(gòu)包括由連續(xù)的增強(qiáng)纖維和樹(shù)脂基體構(gòu)成的承載元件。所述承載元件具有用來(lái)連接到所述支撐本體的附接部分。所述承載復(fù)合結(jié)構(gòu)還包括用模制材料形成的連接元件。所述模制材料由不連續(xù)纖維和樹(shù)脂基體組成。所述模制材料模制包覆所述承載元件的附接部分的表面。
【專(zhuān)利說(shuō)明】承載復(fù)合結(jié)構(gòu)的包覆模制

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明總體上涉及用在承載應(yīng)用場(chǎng)合中的復(fù)合結(jié)構(gòu)。更具體地說(shuō)，本發(fā)明的目標(biāo) 是增強(qiáng)承載復(fù)合結(jié)構(gòu)的被連接到也參與承載載荷的本體或子結(jié)構(gòu)的那部分。

【背景技術(shù)】
[0002] 復(fù)合材料一般包括作為兩個(gè)基本組成部分的纖維和樹(shù)脂基體。復(fù)合材料一般具有 相當(dāng)高的強(qiáng)度重量比。結(jié)果，復(fù)合材料不斷地用在苛刻環(huán)境中，諸如用在航空航天領(lǐng)域中， 在這個(gè)領(lǐng)域中，復(fù)合部件的高強(qiáng)度和較輕的重量是特別重要的。
[0003] 在很多承載復(fù)合結(jié)構(gòu)或元件中使用的纖維是單向的而且是連續(xù)的。當(dāng)承載結(jié)構(gòu)相 對(duì)于該結(jié)構(gòu)的寬度和厚度來(lái)說(shuō)較長(zhǎng)時(shí)，這種單向纖維是特別有用的。翼?xiàng)U、支柱、連桿、框 架、間斷件、梁、表皮、面板、噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)葉片和扇葉是各種飛機(jī)結(jié)構(gòu)的例子，這些結(jié)構(gòu)可能 較長(zhǎng)，并被設(shè)計(jì)用來(lái)承載非常大的負(fù)載。
[0004] 主要的設(shè)計(jì)考慮涉及決定如何將承載結(jié)構(gòu)或元件附接到飛機(jī)主體或其他支撐結(jié) 構(gòu)上?？偟膩?lái)說(shuō)，承載結(jié)構(gòu)在沿著其上一個(gè)或多個(gè)位置處用螺栓連接或者其他方式牢固地 附接到飛機(jī)本體。結(jié)構(gòu)結(jié)合部所需的精密配合經(jīng)常要求對(duì)鄰接部件的接觸表面進(jìn)行機(jī)械加 工。這對(duì)于用單向復(fù)合材料制造的承載結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)存在問(wèn)題，因?yàn)檫@種材料難以在不產(chǎn)生層 間（兩個(gè)單向?qū)樱┝鸭y的情況下進(jìn)行機(jī)械加工，層間裂紋會(huì)導(dǎo)致疲勞斷裂。另一個(gè)問(wèn)題是， 為了在結(jié)構(gòu)上有效，承載結(jié)構(gòu)經(jīng)常需要與基于由承載結(jié)構(gòu)承載的主要的整體負(fù)載沿著一個(gè) 方向取向的大多數(shù)纖維是正交各向異性的。然而，通過(guò)多方向的纖維取向（諸如準(zhǔn)各向同 性層壓件）能夠更好地處理由螺栓結(jié)合所產(chǎn)生的承載應(yīng)力。用多方向?qū)觼?lái)局部增強(qiáng)承載結(jié) 構(gòu)以處理承載應(yīng)力是設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，而且耗費(fèi)時(shí)間、費(fèi)用高，曾在制造中用過(guò)。
[0005] 解決由于機(jī)械加工而變?nèi)醯某休d結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的問(wèn)題的一種方法是，在連接位置處 向整個(gè)結(jié)構(gòu)添加更多的單向纖維的多方向?qū)?。然而，為了提高局部承載強(qiáng)度而必須添加的 單向纖維材料的數(shù)量會(huì)顯著增加承載結(jié)構(gòu)的重量和大小。
[0006] 諸如金屬支架和套筒等其他增強(qiáng)系統(tǒng)業(yè)已用來(lái)增加承載結(jié)構(gòu)在機(jī)械加工過(guò)的連 接或附接點(diǎn)處的強(qiáng)度。然而，這些類(lèi)型的增強(qiáng)趨于龐大、沉重而且昂貴。此外，使用金屬支 架和套筒會(huì)在連接部位處生成局部應(yīng)力點(diǎn)，這些局部應(yīng)力點(diǎn)會(huì)對(duì)結(jié)合部的長(zhǎng)期強(qiáng)度有不利 影響。
[0007] 雖然現(xiàn)在正用于加強(qiáng)單向纖維承載元件和飛機(jī)支撐結(jié)構(gòu)之間的連接點(diǎn)的增強(qiáng)系 統(tǒng)是夠用的，但是，仍不斷需要開(kāi)發(fā)改進(jìn)的連接增強(qiáng)裝置，這些連接增強(qiáng)裝置盡可能地輕、 小，同時(shí)仍在連接部位處提供足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 根據(jù)本發(fā)明，發(fā)現(xiàn)了增強(qiáng)單向纖維承載結(jié)構(gòu)上的連接部位的一種特別有效的方 式，其是用包括不連續(xù)纖維和樹(shù)脂基體的結(jié)構(gòu)模制材料包覆模制連接部位。發(fā)現(xiàn)了所得到 的由單向纖維元件和包覆模制的連接元件構(gòu)成的復(fù)合結(jié)構(gòu)在承載結(jié)構(gòu)和飛機(jī)本體之間提 供了強(qiáng)度極大的連接。連接元件通過(guò)壓縮模制法模制，因此，其所有表面都受到用于此工藝 的閉合模具控制，這對(duì)于確保與鄰接結(jié)構(gòu)的緊密連接是非常希望的。另外，包覆模制的連接 元件可以進(jìn)行機(jī)械加工，以提供各種連接取向以及甚至更緊密的公差，而不會(huì)犧牲連接元 件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，這是因?yàn)?，不同于單向纖維復(fù)合物，不連續(xù)的纖維模制材料不容易由于機(jī)械 加工而分層。
[0009] 根據(jù)本發(fā)明，提供了一種用于連接到支撐本體或結(jié)構(gòu)的復(fù)合結(jié)構(gòu)。所述復(fù)合結(jié)構(gòu) 包括由連續(xù)的增強(qiáng)纖維和樹(shù)脂基體組成的承載元件。所述承載元件具有用來(lái)連接到所述支 撐本體的附接部分。所述復(fù)合結(jié)構(gòu)還包括由不連續(xù)纖維和樹(shù)脂基體構(gòu)成的連接元件。模制 材料包覆所述承載元件的附接部分的表面模制。
[0010] 作為本發(fā)明的一個(gè)特征，所述承載元件的附接部分的表面積包括孔或缺口，該孔 或缺口有效地增加了連接元件模制包覆的表面積。發(fā)現(xiàn)了在模制過(guò)程中模制材料的不連續(xù) 纖維和樹(shù)脂基體流進(jìn)孔或缺口中，提供了承載元件和連接元件之間特別有效的互鎖。
[0011] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步特征，連接元件可進(jìn)行機(jī)械加工以包括孔和其他安裝表面， 而不會(huì)明顯減小連接元件的強(qiáng)度，因此不會(huì)干擾承載元件。機(jī)械加工連接元件的能力是由 于不連續(xù)纖維的隨機(jī)取向，這與在承載元件中使用的連續(xù)纖維是相反的。
[0012] 本發(fā)明還涵蓋了用于制造包覆模制復(fù)合結(jié)構(gòu)的方法以及用于將復(fù)合結(jié)構(gòu)連接到 諸如飛機(jī)本體或其他航空航天支撐本體的方法。另外，本發(fā)明涵蓋了組裝后的復(fù)合結(jié)構(gòu)和 支撐本體。具體地說(shuō)，包括其中附接的復(fù)合結(jié)構(gòu)的飛機(jī)和其他航空航天飛行器被本發(fā)明所 涵蓋。
[0013] 本發(fā)明的上面所描述的和許多其他的特征以及伴隨的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)結(jié)合附圖參見(jiàn)下 文詳細(xì)描述而得以更好的理解。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0014] 圖1描繪的是用于連接到支撐本體或結(jié)構(gòu)的根據(jù)本發(fā)明的示例性性復(fù)合結(jié)構(gòu)。
[0015] 圖2示出了承載元件端部的細(xì)節(jié)。連接元件以虛線示出。
[0016] 圖3是圖2的剖視圖，示出了穿過(guò)承載元件端部的孔的細(xì)節(jié)，該孔在將連接元件模 制到承載元件的過(guò)程中用不連續(xù)纖維和樹(shù)脂填滿。
[0017] 圖4是圖2的剖視圖，示出了示出了在承載元件端部中的槽的細(xì)節(jié)，該槽在模制過(guò) 程中用不連續(xù)纖維和樹(shù)脂填滿。
[0018] 圖5是圖1的剖視圖，示出了安裝孔的細(xì)節(jié)，該安裝孔延伸穿過(guò)連接元件的第二部 分，用于將復(fù)合結(jié)構(gòu)連接到支撐本體或支撐本體上的支架或其他連接器。
[0019] 圖6示出的是一個(gè)示例性復(fù)合結(jié)構(gòu)，其中，連接元件已機(jī)械加工過(guò)或模制過(guò)以提 供支撐本體或用于支撐本體的連接器插入其中的開(kāi)口。
[0020] 圖7示出的是一個(gè)示例性組件，其中，連接元件安裝在支撐本體的缺口或用于支 撐本體的連接器內(nèi)。
[0021] 圖8示出的是一個(gè)示例性的簡(jiǎn)化的模具，該模具被示出使用承載元件中的缺口保 持就位。

【具體實(shí)施方式】
[0022] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例性復(fù)合結(jié)構(gòu)在圖1中總體上以"10"表示。復(fù)合結(jié)構(gòu)10包 括承載元件12和連接元件14。連接元件14包括模制包覆承載元件12的第一部分16。連 接元件14還包括第二部分18,第二部分18包括用于將復(fù)合結(jié)構(gòu)10連接到飛機(jī)支撐結(jié)構(gòu)或 本體的孔20。示例性的承載元件包括翼?xiàng)U、螺旋槳葉片、支柱、地板梁、包括阻擋門(mén)連桿的各 種連桿、框架、間斷件、梁、表皮、面板、包括外部引導(dǎo)扇葉和風(fēng)扇葉片的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)葉片和 扇葉。
[0023] 如圖2所示，承載元件12包括附接部分22,連接元件（虛線所示）模制包覆該附 接部分。為了增加可以用于粘合到連接元件14的表面積，并且也為了將連接元件鎖定到承 載元件，使附接部分22增加增強(qiáng)表面。例如，在附接部分22中提供孔26和28。孔26和 28不僅增加了可用于連接元件14和附接部分22之間的粘合的表面積，而且還提供了將連 接元件14鎖定到附接部分22的有效途徑。
[0024] 圖3是圖2的剖視圖，其示出為了在承載元件和連接元件之間提供牢固的鎖定機(jī) 構(gòu)，用來(lái)形成連接元件的模制材料的不連續(xù)纖維和樹(shù)脂完全地流動(dòng)經(jīng)過(guò)孔或開(kāi)口 28。
[0025] 另一個(gè)示例性類(lèi)型的粘合增強(qiáng)表面是槽30,如圖2所示。槽30以與孔26和28相 同的方式起作用，不僅增加了可用于連接元件14和附接部分22之間的粘合的表面積，而且 該槽還提供了將承載元件鎖定到連接元件的另一種有效途徑。圖4是圖2的剖視圖，其示 出為了在承載元件和連接元件之間提供牢固的鎖定機(jī)構(gòu)，以及提供用于在所述兩個(gè)元件之 間粘合的附加的表面積，用來(lái)形成連接元件的模制材料的不連續(xù)纖維和樹(shù)脂完全地流進(jìn)槽 30中。
[0026] 置于附接部分中以提供粘合增強(qiáng)表面的孔和槽的數(shù)量，可以根據(jù)具體的承載元件 和預(yù)期在結(jié)合部處承載的載荷進(jìn)行改變。孔和/或槽應(yīng)足夠大，以允許模制材料完全地流 動(dòng)經(jīng)過(guò)這些孔和/或槽，使得位于承載元件兩側(cè)的模制材料經(jīng)過(guò)孔或槽連接在一起。圖2 所示的孔26、28和槽30是柱形的。不過(guò)，取決于設(shè)計(jì)要求，各種的其他表面形狀是可以的。 孔和槽可具有正方形或矩形橫截面、三角形橫截面或其他多邊形橫截面形狀，以及橢圓形 橫截面和任意形狀的橫截面?？谆虿鄣臋M截面形狀和最小尺寸受到模制材料在模制過(guò)程中 完全地填充開(kāi)口的能力以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考慮的限制。
[0027] 模制材料由樹(shù)脂基體中的不連續(xù)纖維構(gòu)成。這種類(lèi)型的模制材料通常稱(chēng)為隨 機(jī)不連續(xù)纖維復(fù)合材料（DFC)。優(yōu)選的模制材料是由用樹(shù)脂浸漬的單向帶的隨機(jī)取向片 段構(gòu)成的。這種類(lèi)型的不連續(xù)纖維/樹(shù)脂模制材料通常稱(chēng)為準(zhǔn)各向同性碎切預(yù)浸漬材 料。準(zhǔn)各向同性碎切預(yù)浸漬材料是一種形式的隨機(jī)不連續(xù)纖維復(fù)合材料，可以從Hexcel Corporation (Dublin, CA)通過(guò)商業(yè)途徑得到，商標(biāo)為HexMC' HexMCK.模制材料已 經(jīng)使用于各種目的，包括航空航天物品和高強(qiáng)度模具。例如，請(qǐng)參見(jiàn)美國(guó)專(zhuān)利第7510390和 7960674號(hào)和美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)第12/856210號(hào)。
[0028] 準(zhǔn)各向同性（Q-I)碎切預(yù)浸漬材料由單向纖維帶的片段或"碎片"和樹(shù)脂基體構(gòu) 成。Q-I碎切預(yù)浸漬材料一般作為由切碎的單向帶預(yù)浸漬材料的隨機(jī)取向碎片構(gòu)成的墊來(lái) 提供。被切碎以形成碎片或片段的單向帶預(yù)浸漬材料包括可以是通常用于航空航天預(yù)浸漬 材料中的任意樹(shù)脂的樹(shù)脂基體。用熱塑性塑料硬化的熱固性環(huán)氧樹(shù)脂是優(yōu)選的，因?yàn)楫?dāng)為 了提供附接表面（諸如圖1和圖5所示附接孔20)而在模制后對(duì)連接元件進(jìn)行機(jī)械加工時(shí)， 這些樹(shù)脂趨于更加耐受破裂或剝離。盡管孔20被視作用于將連接元件連接到支撐結(jié)構(gòu)或 本體的示例性附接表面，但是，有多種可以通過(guò)連接元件的模制或機(jī)械加工形成的其他附 接表面。例如，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是，為了提供連接元件到支撐結(jié)構(gòu)匹配表面的鎖定接合，可以 將槽和其他類(lèi)型的凹入部機(jī)械加工或模制到連接元件的表面中。這個(gè)特征對(duì)于將承載元件 通過(guò)互鎖連接而不是使用螺栓或其他基于緊固件的附接構(gòu)造連接到其相應(yīng)支撐結(jié)構(gòu)是有 用的。
[0029] 另外，應(yīng)該注意，附接孔20,或其他連接構(gòu)造，不一定要設(shè)置在連接元件14的與承 載元件12分開(kāi)的部分中。例如，附接孔20可以設(shè)置為使其同時(shí)穿過(guò)承載元件12和連接元 件14。在這種構(gòu)造中，連接元件14的第二部分18和承載元件12上相同位置處的第一部 分16合并在一起。相應(yīng)地，將明白對(duì)于希望沒(méi)有螺栓經(jīng)過(guò)承載元件12延伸的那些情形來(lái) 說(shuō)，圖5所示的附接孔20僅僅是示例性的。進(jìn)一步，第一、第二部分16、18可占據(jù)承載元件 12上的相同物理位置，尤其是在希望螺栓或其他類(lèi)型緊固件直接連接到承載元件12的那 些情形中。
[0030] 模制材料的樹(shù)脂基體可以由一般用于結(jié)構(gòu)應(yīng)用場(chǎng)合的任意熱固性或熱塑性樹(shù)脂 構(gòu)成。優(yōu)選地，未固化樹(shù)脂基體的數(shù)量會(huì)在模制材料全部重量的25?45重量百分比之間。 樹(shù)脂基體可以是用在結(jié)構(gòu)復(fù)合材料中的熱塑性樹(shù)脂或環(huán)氧樹(shù)脂、雙馬來(lái)酰亞胺樹(shù)脂、聚酰 亞胺樹(shù)脂、聚酯樹(shù)脂、乙烯酯樹(shù)脂、氰酸脂樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂中的任意樹(shù)脂。示例性熱塑性樹(shù)脂 包括聚苯硫醚（PPS)、聚砜（PS)、聚醚醚酮（PEEK)、聚醚酮酮（PEKK)、聚醚砜（PES)、聚醚酰 亞胺（PEI)、聚酰胺-酰亞胺（PAI)。用諸如PES、PEI和/或PAI等熱塑性塑料硬化的環(huán) 氧樹(shù)脂是優(yōu)選的樹(shù)脂基體。一般出現(xiàn)在航空航天工業(yè)中使用的那類(lèi)單向帶中的樹(shù)脂是優(yōu)選 的。在美國(guó)專(zhuān)利第7754322和7968179號(hào)和美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)第12/764636號(hào)中描述了適合于 用作樹(shù)脂基體的示例性熱塑性塑料硬化的樹(shù)脂。
[0031] 用于制造模制材料的單向碎片的樹(shù)脂含量也可以在整個(gè)預(yù)浸漬材料重量的25和 45重量百分比之間變化。樹(shù)脂含量在35和40重量百分比之間的碎片是優(yōu)選的。當(dāng)形成準(zhǔn) 各向同性碎切預(yù)浸漬材料時(shí)，一般不向預(yù)浸漬材料碎片中添加額外的樹(shù)脂。存在于初始單 向帶預(yù)浸漬材料中的樹(shù)脂足以將碎片粘合在一起以形成模制材料。
[0032] 準(zhǔn)各向同性（Q-I)碎切預(yù)浸漬材料可以通過(guò)購(gòu)買(mǎi)或制造希望寬度的單向預(yù)浸漬 材料帶或繩來(lái)制造。接著，將帶或繩切碎成希望長(zhǎng)度的碎片，并按層隨機(jī)鋪設(shè)這些碎片，然 后，將其壓在一起形成模制材料。當(dāng)被壓在一起時(shí)，單個(gè)的隨機(jī)取向的單向預(yù)浸漬材料碎片 由于存在預(yù)浸漬材料樹(shù)脂而自然地粘合在一起。然而，用于獲得模制材料的優(yōu)選方法是購(gòu) 買(mǎi)HexMC^ 1或等同的可通過(guò)商業(yè)途徑得到的準(zhǔn)各向同性碎切預(yù)浸漬材料，這些材料作為 材料片供應(yīng)，這些材料片接著用作模制材料形成希望的連接元件，該連接元件被模制在承 載元件上。
[0033] 其他類(lèi)型的不連續(xù)纖維模制材料可以用來(lái)形成連接元件，只要這些材料滿足用于 將承載元件連接到支撐結(jié)構(gòu)的必要的強(qiáng)度和機(jī)械加工能力要求。這些模制材料一般包括用 樹(shù)脂浸漬的隨機(jī)取向的切碎的纖維。但是，為了確保模制材料強(qiáng)度足夠高并且既能夠模制 又能夠機(jī)械加工，優(yōu)選的是使用切碎的單向纖維或帶。單向纖維在任何地方都可以包含從 幾百根長(zhǎng)絲到12000根長(zhǎng)絲或是更多。單向纖維一般供應(yīng)為由按單一方向取向的連續(xù)纖維 構(gòu)成的帶。
[0034] 單向帶是用于形成模制材料的優(yōu)選類(lèi)型預(yù)浸漬材料。單向帶可以從商業(yè)渠道獲 得，或者可以使用已知的預(yù)浸漬材料形成工藝加成。單向帶的尺寸可以根據(jù)要制造的具體 連接件廣泛地變化。例如，單向帶的寬度（垂直于單向纖維的尺寸）可以從0.2cm變化到 2. 5cm，或者更大。帶一般會(huì)是從0.004到0.012英寸（0.01到0.03cm)厚，而單向帶的長(zhǎng) 度（平行于單向纖維的尺寸）可以從0.5英寸（1.3cm) -直變化到2英寸（5. lcm)，或者更 大，取決于承載元件的大小和形狀和希望的連接元件，以及任何粘合增強(qiáng)表面的大小和形 狀和針對(duì)結(jié)合部的結(jié)構(gòu)載荷要求。碎片包括的單向纖維可以是碳、玻璃、芳族聚酰胺、聚乙 烯或通常用于航空航天工業(yè)中的任何纖維類(lèi)型。優(yōu)選碳纖維。碎片在墊中是隨機(jī)取向的， 其鋪設(shè)得較為平整。這為墊提供了橫向上各向同性的性能。
[0035] -個(gè)示例性的優(yōu)選準(zhǔn)各向同性碎切預(yù)浸漬材料是HexMC? 8522/AS4。這種準(zhǔn)各 向同性碎切預(yù)浸漬材料被供應(yīng)為46cm寬、0. 20cm厚的連續(xù)墊卷,，HexPly? 8522/AS4單向 纖維預(yù)浸漬材料用來(lái)制造準(zhǔn)各向同性墊中隨機(jī)取向的碎片。HexPly? 8522/AS4預(yù)浸漬材 料是0. 016cm厚并具有每平方米約145克的纖維面重量的碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂單向帶。該帶 的樹(shù)脂含量是38重量百分比，其中樹(shù)脂（8552)是熱塑性塑料硬化的環(huán)氧樹(shù)脂。帶被分開(kāi) 以提供0. 85cm的條，然后被切碎以提供5cm長(zhǎng)的碎片。碎片密度是約1. 52g/cm3。當(dāng)使用 這種類(lèi)型的模制材料時(shí)，孔26、28的直徑應(yīng)該是至少1/8英寸（0. 32cm)的直徑，以確保孔 在高壓模制過(guò)程中完全被模制材料填充。
[0036] 其他的示例性準(zhǔn)各向同性碎切預(yù)浸漬材料可以用其他的HexPly?單向預(yù)浸漬材 料帶制造，諸如EMC 116/AS4 (環(huán)氧樹(shù)脂/碳纖維）、8552/頂7 (熱塑性塑料硬化的環(huán)氧樹(shù)脂 /碳纖維）、3501-6/T650 (環(huán)氧樹(shù)脂/碳纖維）和M21/M7 (熱塑性塑料硬化的環(huán)氧樹(shù)脂/ 碳纖維）。Μ21/ΙΜ7是一種優(yōu)選的單向預(yù)浸漬材料帶，其可以被切碎，并用于形成不連續(xù)纖 維模制材料，其用于形成根據(jù)本發(fā)明的連接元件。
[0037] 承載元件12優(yōu)選地用單向纖維制造，所述單向纖維大小和類(lèi)型可根據(jù)要制造的 具體類(lèi)型的承載元件變化。單向纖維可以是預(yù)浸漬材料繩或帶的形式，或者可以是干單向 纖維，該干單向纖維在形成承載元件的過(guò)程中用樹(shù)脂浸漬。用于形成模制材料的相同類(lèi)型 的纖維和樹(shù)脂也可以用在形成承載元件中。區(qū)別是承載元件中的單向纖維是連續(xù)的，而且 按單向型式一致地取向。
[0038] 優(yōu)選的是，承載元件在用模制材料包覆模制附接部分之前完全地形成并固化。但 是，如果希望，對(duì)還沒(méi)有完全固化的承載元件進(jìn)行包覆模制也是可以的。用來(lái)從單向纖維和 樹(shù)脂基體形成承載元件的過(guò)程和工藝是已知的。雖然不是必要的，但是優(yōu)選的是，當(dāng)模制材 料和承載元件共同固化時(shí)，用于形成承載元件的相同樹(shù)脂也被用作模制材料中的樹(shù)脂。用 于形成粘合增強(qiáng)表面的孔和槽優(yōu)選地被機(jī)械加工在充分固化的承載元件中。但是，如果希 望，粘合增強(qiáng)表面可以在鋪設(shè)和固化/模制過(guò)程中在承載元件中形成。
[0039] 連接元件優(yōu)選地使用傳統(tǒng)高壓模制過(guò)程模制包覆固化的承載元件。針對(duì)用于模 制材料中的環(huán)氧樹(shù)脂的一般高壓固化溫度的范圍是從170°C到225°C。優(yōu)選的固化溫度的 范圍是從190°C到205°C。在固化溫度下，模具內(nèi)的內(nèi)部壓力優(yōu)選地高于500psi，而低于 2000psi。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，連接元件首先被成形為具有接近最終連接元件的形狀的 "預(yù)成型件"。預(yù)成型件在承載元件的附接端上加工就位，或者可以在承載元件的附接部分 上設(shè)置就位前形成。一旦預(yù)成型件已完全固化（一般在固化溫度下5分鐘到1小時(shí)），就從 模具上移除包覆模制的承載元件并冷卻。如果需要，連接元件可以接著機(jī)械加工以提供用 于附接到支撐結(jié)構(gòu)的孔或其他表面。
[0040] 優(yōu)選地，為了增加樹(shù)脂的粘度以有助于維持預(yù)成型件的形狀并在隨后的高壓模制 過(guò)程中保持預(yù)成型件就位，預(yù)成型件在被放進(jìn)模具中之前可以是"分階段的"。分階段涉及 在環(huán)境壓力下將預(yù)成型件加熱到165°c到180°C的溫度剛好足夠的時(shí)間，以顯著增加樹(shù)脂 粘度。在分階段溫度下，在5到15分鐘量級(jí)的階段時(shí)間是優(yōu)選的。分階段的預(yù)成型件優(yōu)選 地在被放進(jìn)模具中之前被冷卻到室溫用以最終固化。另外，預(yù)成型件中的樹(shù)脂粘度當(dāng)預(yù)成 型件被加入到固化溫度時(shí)趨向于下降，然后當(dāng)樹(shù)脂固化時(shí)迅速增加。這種與模具加壓相結(jié) 合的粘度下降確保樹(shù)脂和不連續(xù)纖維一致地流進(jìn)形成粘合增強(qiáng)表面的孔和槽中。
[0041] 重要的是，模具要在包覆模制操作過(guò)程中牢固地保持就位。當(dāng)使用高壓時(shí)，這是一 個(gè)特別的問(wèn)題，因?yàn)槟＞呲呌诒淮惦x承載結(jié)構(gòu)的端部，除非其牢固地被保持就位。根據(jù)本發(fā) 明，優(yōu)選的是，為了將承載結(jié)構(gòu)固定在模具內(nèi)，在承載結(jié)構(gòu)上提供鎖定表面或結(jié)構(gòu)。例如，為 了提供用以在模制過(guò)程中固定承載結(jié)構(gòu)的表面，在承載結(jié)構(gòu)的側(cè)面設(shè)置槽50。參見(jiàn)圖8, 一 個(gè)簡(jiǎn)化的模具52被示出在承載元件12的適當(dāng)位置上。該模具包括上半部54和下半部56， 二者用夾緊表面60和62在一端上夾緊在一起。
[0042] 模具半部54和56包括鎖定片64和66,鎖定片64和66包括孔，鎖定銷(xiāo)68和70 插過(guò)孔用于與承載元件12中的槽50接合。發(fā)現(xiàn)這種具體的鎖定構(gòu)造提供了模具到承載元 件極其牢固的鎖定，對(duì)于結(jié)構(gòu)12的承載能力沒(méi)有過(guò)分影響。僅僅是為了說(shuō)明的目的，圖1 所示槽50的大小相對(duì)于承載元件的大小來(lái)說(shuō)是較大的。一般來(lái)說(shuō)，槽50相對(duì)承載結(jié)構(gòu)的 整體大小來(lái)說(shuō)會(huì)是較小的。鎖定槽的具體大小將取決于承載結(jié)構(gòu)的大小、使用的模制壓力 和包覆模制的連接元件的大小而變化。在所有情況中，選擇槽的大小使得承載元件的整體 結(jié)構(gòu)性能仍然滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。
[0043] 業(yè)已發(fā)現(xiàn)，模制材料的性質(zhì)是只有相當(dāng)少量的樹(shù)脂沿著模具縫和模具與承載結(jié)構(gòu) 交匯的地方從模具逸出。為了將從模具逸出的樹(shù)脂保持在最小量，優(yōu)選的是，模具半部之間 的間隙和模具和承載結(jié)構(gòu)之間的間隙在〇. 010英寸以下的量級(jí)，更優(yōu)選的是〇. 005英寸以 下。
[0044] 多種其他的鎖定構(gòu)造用來(lái)將模具固定到承載結(jié)構(gòu)。例如，可以在承載結(jié)構(gòu)上形成 隆起部分，其與形成在模具鎖定片中的相應(yīng)下凹表面相互鎖定。另外，槽可以布置橫跨承載 元件的頂面和/或底面用于與模具接合，取代設(shè)置在側(cè)面的槽，諸如槽50。形成在承載結(jié)構(gòu) 上或承載結(jié)構(gòu)中的鎖定結(jié)構(gòu)強(qiáng)度應(yīng)足夠大以在模具和承載元件之間提供牢固連接，以防止 二者在高壓模制過(guò)程中被強(qiáng)迫分開(kāi)，這才是重要的。
[0045] 參見(jiàn)圖6,根據(jù)本發(fā)明的簡(jiǎn)化了的復(fù)合結(jié)構(gòu)被示出連接到簡(jiǎn)化了的支撐結(jié)構(gòu)和本 體（以虛線用"31"示出）。承載元件32已經(jīng)包覆模制有連接元件34。在這個(gè)具體實(shí)施方 式中，連接元件34包括開(kāi)口 36,為了接收支撐結(jié)構(gòu)31，開(kāi)口 36已機(jī)械加工或模制在連接元 件34中。另外，開(kāi)口 38已機(jī)械加工或模制在連接元件34中以提供支撐結(jié)構(gòu)31利用以虛 線用"40"示出的螺栓或銷(xiāo)到連接元件34的聯(lián)結(jié)。
[0046] 在圖7中示出了一個(gè)替換方式的示例性類(lèi)型的結(jié)合部，在該結(jié)合部處，支撐本體 或結(jié)構(gòu)42已進(jìn)行了機(jī)械加工或模制以接收連接元件44。連接元件44已模制包覆承載元件 46的附接部。
[0047] 為了提供連接元件44到支撐結(jié)構(gòu)42的螺栓連接，附接開(kāi)口 48已機(jī)械加工或模制 在連接元件44中。各種連接結(jié)構(gòu)和連接元件之間的各種各樣的可能連接都是可以的。圖 6和圖7中所示的簡(jiǎn)化的實(shí)施方式僅僅是示例性的。實(shí)際的支撐結(jié)構(gòu)一般會(huì)是相當(dāng)復(fù)雜的 形狀，這種形狀是使用模制或鑄造和機(jī)械加工的組合來(lái)形成的，取決于用來(lái)形成支撐結(jié)構(gòu) 的材料類(lèi)型。一般用在這種高強(qiáng)度情形中的材料包括各種鋼、鋁和復(fù)合材料。
[0048] 一般的包覆模制連接元件也會(huì)是比圖6和圖7所示的簡(jiǎn)化表達(dá)更為復(fù)雜的形狀和 結(jié)構(gòu)。根據(jù)本發(fā)明用模制材料包覆模制承載元件提供了強(qiáng)化承載元件同時(shí)還提供了承載元 件和支撐結(jié)構(gòu)件牢固、高強(qiáng)度連接的雙重優(yōu)點(diǎn)。另外，模制的連接元件既可以模制也可以機(jī) 械加工以形成連接到支撐結(jié)構(gòu)所需的復(fù)雜形狀。
[0049] 通過(guò)上述描述了本發(fā)明的示例性優(yōu)選實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)注意到，這些 在本發(fā)明公開(kāi)范圍內(nèi)僅僅是示例性的，可在本發(fā)明范圍內(nèi)作出各種其他替換方式、改變和 改進(jìn)。相應(yīng)地，本發(fā)明不受上述實(shí)施方式的限制，而僅僅受后面權(quán)利要求的限制。
【權(quán)利要求】
1. 一種用于連接到支撐本體的復(fù)合結(jié)構(gòu)，所述復(fù)合結(jié)構(gòu)包括： 承載元件，所述承載元件包括連續(xù)的增強(qiáng)纖維和樹(shù)脂基體，所述承載元件具有用來(lái)連 接到所述支撐本體的附接部分，所述附接部分包括具有表面積的表面；和 連接元件，所述連接元件包括樹(shù)脂基體中的不連續(xù)纖維，其中，所述連接元件包括第一 部分和第二部分，所述第一部分是包覆所述承載元件的附接部分的表面模制的，所述第二 部分用于連接到所述支撐本體。
2. 如權(quán)利要求1所述的復(fù)合結(jié)構(gòu)，其中，所述連續(xù)的增強(qiáng)纖維是單向的。
3. 如權(quán)利要求1所述的復(fù)合結(jié)構(gòu)，其中，所述連接增強(qiáng)部包括多個(gè)碎片，所述碎片包括 單向纖維。
4. 如權(quán)利要求1所述的復(fù)合結(jié)構(gòu)，其中，所述承載元件的附接部分包括增加所述附接 部分的表面積的至少一個(gè)粘合增強(qiáng)表面。
5. 如權(quán)利要求1所述的復(fù)合結(jié)構(gòu)，其中，所述粘合增強(qiáng)表面限定了穿過(guò)所述附接部分 的孔，其中，所述孔基本上用所述不連續(xù)纖維和用于所述不連續(xù)纖維的所述樹(shù)脂基體充滿。
6. 如權(quán)利要求1所述的復(fù)合結(jié)構(gòu)，其中，所述連接元件的第二部分包括一個(gè)或多個(gè)表 面，所述一個(gè)或多個(gè)表面被機(jī)械加工或模制過(guò)以提供用于將所述復(fù)合結(jié)構(gòu)連接到所述支撐 本體的表面。
7. 如權(quán)利要求6所述的復(fù)合結(jié)構(gòu)，其中，所述連接元件的第二部分包括已機(jī)械加工在 所述連接增強(qiáng)部中的孔。
8. 如權(quán)利要求6所述的復(fù)合結(jié)構(gòu)，其中，所述連接元件的第二部分被機(jī)械加工過(guò)，以提 供用于與所述支撐本體上的相應(yīng)匹配表面接合的匹配表面。
9. 一種組件，包括如權(quán)利要求1所述的復(fù)合結(jié)構(gòu)和所述連接元件連接于其上的支撐本 體。
10. 如權(quán)利要求9所述的組件，其中，所述本體是航空航天飛行器的一部分。
11. 一種用于連接到支撐本體的復(fù)合結(jié)構(gòu)的制造方法，所述方法包括下面的步驟： 提供承載元件，所述承載元件包括連續(xù)的增強(qiáng)纖維和樹(shù)脂基體，所述承載元件具有用 來(lái)連接到所述支撐本體的附接部分，所述附接部分包括具有表面積的表面；和 形成連接元件，所述連接元件包括樹(shù)脂基體中的不連續(xù)纖維，其中，所述連接元件包括 第一部分和第二部分，所述第一部分是包覆所述承載元件的附接部分的表面模制的，所述 第二部分用于連接到所述支撐本體。
12. 如權(quán)利要求11所述的復(fù)合結(jié)構(gòu)的制造方法，其中，所述連續(xù)的增強(qiáng)纖維是單向的。
13. 如權(quán)利要求13所述的復(fù)合結(jié)構(gòu)的制造方法，其中，所述連接增強(qiáng)部包括多個(gè)碎片， 所述碎片包括單向纖維。
14. 如權(quán)利要求11所述的復(fù)合結(jié)構(gòu)的制造方法，其中，所述承載元件的附接部分包括 增加所述附接部分的表面積的至少一個(gè)粘合增強(qiáng)表面。
15. 如權(quán)利要求11所述的復(fù)合結(jié)構(gòu)的制造方法，其中，所述粘合增強(qiáng)表面限定了穿過(guò) 所述附接部分的孔，其中，所述孔基本上用所述不連續(xù)纖維和用于所述不連續(xù)纖維的所述 樹(shù)脂基體充滿。
16. 如權(quán)利要求11所述的復(fù)合結(jié)構(gòu)的制造方法，還包括步驟：模制或機(jī)械加工所述連 接元件的第二部分，從而提供用于將所述復(fù)合結(jié)構(gòu)連接到所述支撐本體的一個(gè)或多個(gè)表 面。
17. 如權(quán)利要求16所述的復(fù)合結(jié)構(gòu)的制造方法，其中，所述連接元件的第二部分包括 已機(jī)械加工在所述連接增強(qiáng)部中的孔。
18. 如權(quán)利要求16所述的復(fù)合結(jié)構(gòu)的制造方法，其中，所述連接元件的第二部分被機(jī) 械加工或模制過(guò)，以提供用于與所述支撐本體上的相應(yīng)匹配表面接合的匹配表面。
19. 一種組件的制造方法，包括下面步驟： 提供如權(quán)利要求1所述的復(fù)合結(jié)構(gòu)；和 將所述復(fù)合結(jié)構(gòu)的連接元件連接到支撐本體。
20. 如權(quán)利要求19所述的組件的制造方法，其中，所述支撐本體是航空航天飛行器的 一部分。
【文檔編號(hào)】B29C65/00GK104302467SQ201380024422
【公開(kāi)日】2015年1月21日 申請(qǐng)日期:2013年5月3日 優(yōu)先權(quán)日:2012年5月15日
【發(fā)明者】B·布爾西耶 申請(qǐng)人:赫克賽爾公司