專利名稱：用于提高結(jié)構(gòu)的熱膨脹阻抗的結(jié)構(gòu)性設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及采用連接部件(也稱為結(jié)構(gòu)性連接裝置)用基于碳纖 維的復(fù)合材料的表面來裝配板的設(shè)備的領(lǐng)域。更具體地，本發(fā)明的設(shè) 備涉及用于太空應(yīng)用的裝配衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的領(lǐng)域，在太空應(yīng)用中，極限溫
度[—50°C， +80匸]導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的熱膨脹。
背景技術(shù)：
目前，將被安置在太空的衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)包括夾心板，該夾心板的表 層一般為碳。為了裝配這些板，用連接部件來使這些板互相連接和固 定。這些板一般都裝配形成適于容納有效載荷的盒式或者廂式結(jié)構(gòu)。
例如， 一個已知方案采用包括兩個平坦平行面的鋁制連接部件， 基于碳纖維的復(fù)合板插入其中并且然后粘合。此后，該連接部件能夠 連接到另一個連接部件，例如通過螺釘。
對于衛(wèi)星的任務(wù)，太空中的條件會給其結(jié)構(gòu)帶來較大的溫度變化。
通常考慮的是范圍[一50。C， +80"]影響到大多數(shù)同步通信衛(wèi)星的任 務(wù)。
在這樣的溫度變化的情況下，結(jié)構(gòu)的材料在已裝配結(jié)構(gòu)的結(jié)合處， 尤其是在板和連接部件之間的粘合結(jié)合處膨脹并產(chǎn)生抗力。材料不同， 膨脹系數(shù)也不同，對于碳為2.1(T6 K"的量級，對于鋁為20.10'6 K"的 量級，這會在高溫和低溫在粘合物中引起大的剪切力。
在這些條件下，考慮到鋁和碳的熱膨脹系數(shù)之間的不同，認(rèn)為在 —5(TC時，連接部件水平處的結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度的減小能夠接近環(huán)境溫度時 的40%。
此外，現(xiàn)代衛(wèi)星逐漸成為具有各種不同任務(wù)的多用途衛(wèi)星，因而 要考慮衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的更寬的溫差范圍。需考慮的溫差范圍越寬，結(jié)構(gòu)斷 裂的潛在危險也就增大。
考慮到這種類型的應(yīng)用，在實踐中，為了將連接部件緊固到板上，通常將連接部件的至少一個之前加工過的平坦表面粘合到板上。當(dāng)連 接部件將其兩兩結(jié)合時，板緊固在一起。
這種設(shè)備的一個缺點是，在低溫和高溫時，當(dāng)粘合在一起時，具 有不同膨脹系數(shù)的材料承受基本由粘合結(jié)合處支撐的大的作用力。
發(fā)生的一個風(fēng)險是，由在較寬范圍中的溫度的巨大變化導(dǎo)致的材 料的膨脹所引起的粘合結(jié)合處的過早破裂。
在這些條件下，增強(qiáng)連接部件以減少結(jié)合處破裂的風(fēng)險帶來了許 多實際操作問題。
一個部分地解決了這些問題的已知方案利用了鈦結(jié)構(gòu)性連接裝 置，鈦具有比鋁更接近碳的膨脹系數(shù)。
另一方面，這種方案的缺點是成本高、部件加工困難和需要表面 處理，其中需要表面處理是主要約束。
另一種已知方案是用在聚合表層時熱粘合于板上的片狀碳塊來代 替金屬結(jié)構(gòu)性連接裝置。
這種方案有新的缺點。特別地，尤其是高溫時碳在垂直于纖維的 方向上的高度蠕變，以及在兩塊板之間進(jìn)行螺釘連接的難度使連接設(shè) 備和板的制造變得復(fù)雜。另外，這種方案必須在制造過程的非常早的 階段確定具體的板裝配規(guī)格。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是消除這些缺陷。本發(fā)明的設(shè)備提供以與板相同的 材料或類似材料模制的連接部件，特別是碳纖維，其膨脹系數(shù)較低； 并在模制部分中提供金屬插入物以承受結(jié)構(gòu)的板之間的機(jī)械載荷的通 過。該方案的優(yōu)點在于提供一種生產(chǎn)螺紋組件以及將由粘合結(jié)合處支 撐的載荷轉(zhuǎn)移到包含在由碳纖維或者碳纖維束組成的裝置中的金屬插 入物上的方法。
該結(jié)構(gòu)性板裝配結(jié)構(gòu)有利地包括
參剛性的、基本上平坦的板；
參至少一個整塊連接部件，該連接部件由模制生產(chǎn)、粘合到板上， 該連接部件包括
〇至少一個第一平坦面，稱為"葉片(blade)"，包括■能容納粘合物的凹槽；和
■使粘合物保留在凹槽周圍的邊和至少一個開口； 〇緊固到第一平坦面的桿； 有利地，該結(jié)構(gòu)性板裝配結(jié)構(gòu)的特征在于
〇連接部件和板的材料為復(fù)合材料；以及
〇桿包括膨脹系數(shù)比連接部件的材料的膨脹系數(shù)大的金屬 插入物，當(dāng)模制連接部件時，該金屬插入物定位在模具內(nèi)。 有利地，該連接部件由與熱成形樹脂一起預(yù)先注入的碳纖維束組成。
有利地，金屬插入物包括桿中的凸緣，防止插入物的脫出。 有利地，金屬插入物包括兩個基本上為圓柱體的部分，較大直徑
的部分為凸緣。
有利地，金屬插入物是鋁制的。
有利地，金屬插入物的軸線在連接部件的葉片的平面內(nèi)。
有利地，該結(jié)構(gòu)包括與第一葉片平行且具有相同特征的第二葉片，
兩個葉片緊固到桿上，兩個葉片之間的距離基本上對應(yīng)于板的厚度，
連接部件形成鞍狀物。
有利地，每個葉片包括至少三個開口，其中的一個能夠用于將粘
合物注入葉片的凹槽，其余兩個作為定位孔。
有利地，制造結(jié)構(gòu)性板裝配結(jié)構(gòu)的方法包括
參第一步，在一個包含金屬插入物的模具中將與熱成形樹脂一起 注入的碳纖維進(jìn)行熱壓，以這種方式模制的部件稱為連接部件，該連 接部件包括
參第一部分，該第一部分由至少一個第一平坦面形成，該第一平 坦面也叫葉片，包括凹槽和貫通葉片的至少一個孔；
參第二部分，該第二部分由緊固到第一平坦面的桿形成，包括金 屬插入物，該金屬插入物的膨脹系數(shù)比復(fù)合材料大。
第二步，以與在連接部件的桿上加工螺紋相同的方式在金屬插 入物上加工螺紋。
第三步，將連接部件的第一平坦面粘合到表層為碳的結(jié)構(gòu)性板上。有利地，在接近12(TC的溫度下實施第一步。
有利地，第一步包括通過模制制造出貫穿葉片的兩個其他孔以將 連接部件定位在板上，后者包括標(biāo)記點，所述孔稱為"定位孔"。
有利地，金屬插入物的螺紋方向在葉片的平面中，并且在平行于 板插入連接部件內(nèi)的方向的軸線上。
有利地，在板的表層制造標(biāo)記點的步驟包括在表層中加工孔。
有利地，第三步通過由貫穿葉片的孔將粘合物引入至少一個葉片 的凹槽內(nèi)來執(zhí)行。


參照附圖，本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點在以下描述中將變得明朗， 射
圖1A是本發(fā)明連接部件的一個實施例的3D視圖1B是本發(fā)明連接部件的一個實施例的截面圖2是連接部件、板和粘合結(jié)合處的組合的截面圖； 圖3表示連接部件和適合與螺釘配合的插入物；
圖4示意性的表示五個裝配板和將其固定在一起的連接部件的例子。
具體實施例方式
圖1A表示由連接部件1代表的本發(fā)明的實質(zhì)裝置的一個實施例。 這是通過在復(fù)合材料中，例如與熱成形樹脂一起預(yù)先注入的碳纖維束， 熱壓而模制形成。比如，樹脂可以是環(huán)氧樹脂。為此，生產(chǎn)了一種用 于連接部件的模具。
在說明書的其余部分，對整體式連接部件1的兩個不同的功能部 件加以區(qū)別。第一個構(gòu)成桿2，用于將連接部件1固定到另一個連接部 件上，比如通過螺釘連接;在圖1中，第二個包括兩個平行面3、 3'， 其技術(shù)術(shù)語是"葉片"。特別地，它們?nèi)菁{平坦板，其厚度與這兩個 面之間的距離基本上相等。
連接部件在接近12(TC的溫度下模制以軟化碳基材料，從而能夠保 證模具的形狀。固化大概花費(fèi)5分鐘。模具包括用于在連接部件1的葉片3、 3'
上形成孔5、 5'兩個突出部分?？?、 5'用于將粘合物滲透到連接部件 1的內(nèi)表面上。
圖1B是連接部件1的截面圖。本發(fā)明模制連接部件1并在模制期 間將金屬插入物6插入其中。金屬插入物6有利地為鋁材料，并包括 圓柱形第一部分6'和形成凸緣的第二部分6"，所述兩個部分結(jié)合在一 起。當(dāng)傳遞軸向力時，凸緣6"將插入物保持在連接部件1內(nèi)。
在其最終應(yīng)用中，例如，可對插入物進(jìn)行功絲(tap)以使得軸向
連接能夠通過螺釘進(jìn)行固定。
在優(yōu)選實施例中，凸緣6"也可以是圓柱形并與圓柱形第一部分6' 同軸。
該金屬插入物有利地定位，以使插入物6的圓柱形第一部分6'的 軸線在葉片3、 3'的平面上，插入物的軸線與將連接部件應(yīng)用到板上的 方向平行。為了使載荷優(yōu)化分布，金屬插入物可設(shè)置在桿的外表面的 中心部位上。
在接近12(TC的溫度下通過熱壓模制連接部件的過程中，降溫時膨 脹的金屬插入物在金屬插入物和連接部件之間有利地產(chǎn)生小的間隙。 隨后在溫度在[一5(TC， +801:]范圍內(nèi)的環(huán)境中產(chǎn)生膨脹時，該間隙防 止在連接部件上由金屬插入物熱膨脹引起的附加力。
在部件l的內(nèi)部，每個葉片3、 3'包括凹槽7、 7'。當(dāng)板插入到葉 片3、 3'之間且粘合物通過洞5、 5'注入時，凹槽7、 7'容納粘合物。
圖2表示本發(fā)明的結(jié)構(gòu)性設(shè)備，包括連接部件1、包括上表層和下 表層的板21和通過洞5、 5'注入的粘合物20、 20'。板21插入到連接 部件1的兩個葉片3、 3'之間。粘合物通過洞5、 5'注入并匯集在槽7、 7'內(nèi)。
然后，通過粘合連接部件1的表面和板的表層的粘附將板21保持 在部件l內(nèi)。
本發(fā)明的衛(wèi)星結(jié)構(gòu)性板的一個例子包括意欲粘合到連接部件1的 內(nèi)表面的兩個外部碳表層和板內(nèi)部的蜂窩結(jié)構(gòu)。
圖3表示連接部件1和桿2內(nèi)的插入物6。最后加工的插入物6 加工有螺紋并包括適用于容納螺釘31的螺紋30。這種設(shè)備的主要優(yōu)勢在于，由于板的碳表層和由與熱成形樹脂一 起注入的碳纖維束組成的連接部件的膨脹系數(shù)相似，因此減少了粘合 結(jié)合處的作用力。
這種技術(shù)方案的一個優(yōu)點在于，由于連接部件的幾何形狀，簡化 了粘合過程。還有，用于粘合的連接部件的表面不需在粘合前做任何 特殊處理。此外，與生產(chǎn)鈦材料的連接部件相比，生產(chǎn)成本較低。
另一個優(yōu)點是，由插入物支撐的軸向螺紋連接具有較高的強(qiáng)度， 該插入物在模制階段已定位并保持在連接部件內(nèi)。
圖4表示裝配五個結(jié)構(gòu)性板46、 47、 48、 49、 50的例子，所述五 個結(jié)構(gòu)性板46、 47、 48、 49、 50通過上述連接部件支持在一起，固定 在一起并形成雙軸向連接40、 41、 42、 43、 44、 45。
該例子示出了裝配多個結(jié)構(gòu)性板的情況。
另外一種制造本發(fā)明的結(jié)構(gòu)性設(shè)備的方法是制造只有一個面(即 只有一個葉片)的模制部件。將連接部件的葉片和板的表層粘合在一 起的原理與上述相同。
另一個實施例提供包括多個孔或洞的連接部件1的葉片。比如， 模制連接部件1使得模具能夠在每個葉片上形成三個孔。
在本實施例中，連接部件1的每個葉片上的一個孔用于向凹槽中 注入粘合物，其它兩個孔用于通過預(yù)先在板上做標(biāo)記將葉片定位在板 上。
該標(biāo)記有利地為孔，從而在板的表層上葉片的位置可通過在每個 葉片上的兩個孔中插入銷釘來檢驗。
然后例如，在粘合連接部件和板期間，葉片和表層中的各個孔重 疊，并通過圓柱形軸向插入物保持，且在之后移開。
本發(fā)明的結(jié)構(gòu)并不局限于這種應(yīng)用的[一50。C，十8(TC]范圍，并且 能有利地忍耐這些極限之外的溫度，特別是在從一18(TC到+ 20(TC的 更寬的溫度范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種結(jié)構(gòu)性板裝配結(jié)構(gòu)，包括●剛性的、基本上平坦的板；●至少一個整塊連接部件，該連接部件由模制生產(chǎn)、粘合到板上，該連接部件包括○至少一個第一平坦面，稱為“葉片”，包括■能容納粘合物的凹槽；和■使粘合物保留在凹槽周圍的邊和至少一個開口；○緊固到第一平坦面的桿；其中○連接部件和板的材料為復(fù)合材料；以及○桿包括膨脹系數(shù)比連接部件的材料的膨脹系數(shù)大的金屬插入物，當(dāng)模制連接部件時，該金屬插入物定位在模具內(nèi)。
2、 如權(quán)利要求l所述的結(jié)構(gòu)，其中，所述連接部件由與熱成形樹 脂一起預(yù)先注入的碳纖維束組成。
3、 如權(quán)利要求l所述的結(jié)構(gòu)，其中，所述金屬插入物包括桿中的 凸緣，防止插入物的脫出。
4、 如權(quán)利要求3所述的結(jié)構(gòu)，其中，所述金屬插入物包括兩個基 本上為圓柱體的部分，較大直徑的部分為凸緣。
5、 如權(quán)利要求l所述的結(jié)構(gòu)，其中，所述金屬插入物是鋁制的。
6、 如權(quán)利要求l所述的結(jié)構(gòu)，其中，所述金屬插入物的軸線在連 接部件的葉片的平面內(nèi)。
7、 如權(quán)利要求l所述的結(jié)構(gòu)，其中，所述結(jié)構(gòu)包括與第一葉片平 行且具有相同特征的第二葉片，兩個葉片緊固到桿上，所述兩個葉片之間的距離基本上對應(yīng)于所述板的厚度，連接部件形成鞍狀物。
8、 如權(quán)利要求7所述的結(jié)構(gòu)，其中，所述鞍狀物的每一個包括至 少三個開口，其中的一個能夠用于將粘合物注入葉片的凹槽，其余兩 個作為定位孔。
9、 一種制造結(jié)構(gòu)性板裝配結(jié)構(gòu)的方法，其中該方法包括參第一步，在一個包含金屬插入物的模具中將與熱成形樹脂一起 注入的碳纖維進(jìn)行熱壓，以這種方式模制的部件稱為連接部件，該連 接部件包括〇第一部分，該第一部分由至少一個第一平坦面形成，該第 一平坦面也叫葉片，包括凹槽和貫通葉片的至少一個孔；〇第二部分，該第二部分由緊固到第一平坦面的桿形成，包 括金屬插入物，該金屬插入物的膨脹系數(shù)比復(fù)合材料大； 第二步，以與在連接部件的桿上加工螺紋相同的方式在金屬插 入物上加工螺紋； 第三步，將連接部件的第一平坦面粘合到表層為碳的結(jié)構(gòu)性板上。
10、 如權(quán)利要求9所述的制造結(jié)構(gòu)的方法，其中，在接近12(TC的溫度下實施第一步。
11、 如權(quán)利要求9所述的制造結(jié)構(gòu)的方法，其中，第一步包括通 過模制制造出貫穿葉片的兩個其他孔以將連接部件定位在板上，后者 包括標(biāo)記點，所述孔稱為"定位孔"。
12、 如權(quán)利要求9所述的制造結(jié)構(gòu)的方法，其中，金屬插入物的 螺紋方向在葉片的平面里，并且在平行于板插入連接部件內(nèi)的方向的 軸線上。
13、 如權(quán)利要求9所述的制造結(jié)構(gòu)的方法，其中，在板的表層制 造標(biāo)記點的步驟包括在表層中加工孔。
14、如權(quán)利要求9所述的制造結(jié)構(gòu)的方法，其中，所述第三步通 過由貫穿葉片的孔將粘合物引入至少一個葉片的凹槽內(nèi)來執(zhí)行。
全文摘要
一種用于提高結(jié)構(gòu)的熱膨脹阻抗的結(jié)構(gòu)性設(shè)備，涉及結(jié)構(gòu)性板裝配結(jié)構(gòu)，包括剛性的、基本上平坦的板；至少一個整塊連接部件，該連接部件由模制生產(chǎn)、粘合到板上，該連接部件包括至少一個第一平坦面，稱為“葉片”，包括能容納粘合物的凹槽；和使粘合物保留在凹槽周圍的邊和至少一個開口；緊固到第一平坦面的桿。連接部件和板的材料為復(fù)合材料，并且桿包括金屬插入物，當(dāng)模制連接部件時該金屬插入物插入，并且意欲被加工螺紋。
文檔編號F16B11/00GK101424372SQ20081017786
公開日2009年5月6日 申請日期2008年10月23日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月23日
發(fā)明者G·波馬托, N·吉約, O·達(dá)米亞諾 申請人:泰勒斯公司