專利名稱：纖維增強復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的新穎而有效的改進及其制造方法
背景技術(shù)：
應(yīng)用增強復(fù)合材料來生產(chǎn)結(jié)構(gòu)部件當(dāng)前已很普遍，特別是用在需要追求輕量、結(jié)實、韌性、耐熱、自支承、適于形成和成形等特性的用途中。這類部件例如用在航空、航天、人造衛(wèi)星、電池、娛樂(如賽艇和賽車)以及其他方面。
先有技術(shù)中已知，這類部件通常包括嵌埋在基質(zhì)材料中的增強材料。這種增強部件可以由例如玻璃、碳、陶瓷、芳族聚酰胺(例如KEVLAR)、聚乙烯之類材料，或是由具有所述物理、熱、化學(xué)和/或其他性質(zhì)而其中主要是抗應(yīng)力破壞的高強性質(zhì)的材料制成。通過使用這種最后會成為完工部件的組份的增強材料，就能賦予此成品復(fù)合部件以所需的增強材料特性例如很高的強度。這種組份增強材料可以是下述具體形式任意的一種或多種纖維本身、單絲、多絲、紗、加捻絲束或不加捻絲束或是由纖維和/或其他形式的連續(xù)體產(chǎn)生出的紗條。就這樣，它們可以形成墊、陣列結(jié)構(gòu)或其他組合形式，和/或它們可以是織造的、針織的或以其他方式定向成用于增強預(yù)制件的所需構(gòu)型和外形。在任何情況下，常常需要特別注意確保可最佳地利用選擇組份增強材料時所依據(jù)的性質(zhì)，例如后面所描述的使這類材料取向的性質(zhì)。用作本發(fā)明范圍內(nèi)復(fù)合結(jié)構(gòu)中組件的增強材料，在其可取的所有各種組成、形式和構(gòu)型中(包括但不限于上面列述的和本文件在其他處涉及的)，在此都稱為“增強預(yù)制件”。通常，這種增強預(yù)制件與基質(zhì)材料結(jié)合形成所需的成品部件或為最終生產(chǎn)成品部件而生產(chǎn)的加工坯料。
在選擇用來制造這種增強預(yù)制件的材料中常需追求的性質(zhì)之一便是高強度。但是，具有這種性質(zhì)的材料的典型特征則是，它們在有效范圍內(nèi)的最高強度是在其組份纖維或絲的長軸線方向。因此，在實際制造這種增強預(yù)制件時是使其組份材料定向成讓這些材料的長軸線基本上處于成品部件受力的同一方向。由于這樣的力可以是單向的，在某些應(yīng)用中，此增強材料通常在兩或多層的層壓件中可取多個方向，以使成品部件能在多于一個方向上，甚至是在準(zhǔn)備向同性點上具有強度性質(zhì)。這樣，可以主要由其長軸線取這些力的方向的纖維來產(chǎn)生這樣的力，由此能增強復(fù)合結(jié)構(gòu)的組份，賦予它們最高的載荷本領(lǐng)。上述原理也可用來生產(chǎn)這類增強材料的長而連續(xù)的形式，如在形成紗、線或其他連續(xù)體時，后者例如是用來將部件縫合到一起的以及用在形成期望主要在選定的方向上承受力的片料或帶料中的。這類取縫線或紗的形式的連續(xù)體可以形成為松散結(jié)構(gòu)的絲束或條帶，其中的組份纖維按長的鋪設(shè)長度組合，使得絕大部分組份纖維的長軸線盡可能地平直且與此連續(xù)體的長軸線基本平行，由此來提高連續(xù)體在此長軸線方向的強度承載能力。類似地，在片料或帶料中，絕大部分組份材料，不論其取何形式(例如獨立的纖維、連續(xù)體、單墊或重疊式墊中的纖維、絲束、條帶等)，通常都可基本上取預(yù)期方向，沿此方向可把高強特性賦予增強預(yù)制件以及它將成為其中一部分的部件。
在構(gòu)成了所需的增強預(yù)制件后，可將基質(zhì)材料引入其中，使得此增強預(yù)制件通常包圍于基質(zhì)材料中，而基質(zhì)材料填滿增強預(yù)制件組份單元間的空隙區(qū)?；|(zhì)材料可以是下述廣泛一類材料的一種，如環(huán)氧樹脂、聚酯、乙烯基酯、陶瓷、碳和/或其他的同樣具有所需物理、熱、化學(xué)和/或另外性質(zhì)的材料。選用作基質(zhì)的材料可以與增強預(yù)制件的相同或不同，并且可以具有或不具有類似的物理、化學(xué)、熱或其他性質(zhì)，因為在使用復(fù)合材料時通常追求的目標(biāo)首先是要在成品中實現(xiàn)單憑一種組份材料不能實現(xiàn)的組合特性。經(jīng)組合后，增強預(yù)制件和基質(zhì)材料然后便可通過熱固化或其他實質(zhì)上已知的方法固化和穩(wěn)定化，然后再進行其他的為形成所需部件而需的種種作業(yè)。在此應(yīng)特別注意，經(jīng)過上述固化處理后而固化的基質(zhì)材料團塊常會牢牢地粘附于增強材料(例如增強預(yù)制件)上。結(jié)果，作用到成品部件上的應(yīng)力，特別是通過其在纖維間起到粘合劑作用的基質(zhì)材料，便可以有效地轉(zhuǎn)移到此增強預(yù)制件增強用的組份材料上并為其承載。
常常需要生產(chǎn)出這樣的部件，它的構(gòu)型不同于下述的簡單幾何形狀。例如(實質(zhì)上的)片、帶、矩形或方形件等。實現(xiàn)這種目的的方法之一是把這類基本幾何形狀組成所需的較復(fù)雜形式。典型的一種組合方式是把按上述方法形成的增強預(yù)制件相互按某種角度(通常是直角)結(jié)合。相結(jié)合的增強預(yù)制件的這種按角度布置的通常用途是去建立為形成增強了的增強預(yù)制件所需的形狀，例如包括有一或多個端壁或“T”形的交會形式，或是去增強此增強預(yù)制件和復(fù)合結(jié)構(gòu)的最終組合件，在此組合件上當(dāng)其暴露于外力如壓力或張力的影響下時，能反抗偏轉(zhuǎn)或破裂。在任何情形下，應(yīng)考慮使組份部件之間的各種接合形式盡可能地結(jié)實以反抗由于有力作用于其上而將其拉開。不然，假定增強預(yù)制件組份本身具有所需的很高強度，則與各組合件相比弱的接合形式其本身會在結(jié)構(gòu)“鏈”中最終形成一個“弱的鏈節(jié)”。這種相交構(gòu)型的一個例子是，兩個組合的部件之一是細(xì)長的扁平肋狀件，它相對于另一平片形的部件大致按直角取向并通過它的中跨位置。這種結(jié)構(gòu)中常常追求的一個目標(biāo)是，去抑制或完全防止上述平片件由于有沿該增強肋狀件的寬向作用于其上的壓力為作有害的偏轉(zhuǎn)或是破裂。第二個例子是其目的僅僅是在相交部件(例如平片件本身、片件與帶件或其他形狀等)間提供這樣的接合形式，使其不會因有力沿背離一個部件的方向作用于相交的另一個部件上而破裂。
為了制成上述接合形式，過去已提出了種種建議。曾提出形成并固化一片狀片和一與其相互分開的斜的加強件，使后者具有單一的片接觸面或在一端分叉形成兩個岔開的共平面的片接觸面。然后用熱固化的粘合劑或其他粘合材料將此加強件的片接觸面同另一部件的接觸面粘合，而將這兩個部件結(jié)合。但當(dāng)有張力作用到此復(fù)合結(jié)構(gòu)上時，在不能接受的低值負(fù)荷下就會造成“剝離”力使此加強件與板件在其界面處分開，這是因為此接合的有效強度是基質(zhì)材料的而并非粘合劑的。
在提出如何使組份部件間的接合形式或接合的強度最大以免這兩個部件分開時，需要考慮到盡管增強纖維本身常具有這樣的(以及其他的)特征，即特別是在其長向或線性尺寸上具有反抗所施加的力的很大強度。但用于這類用途的種種基質(zhì)材料在任何可與增強預(yù)制件增強纖維的方向相比的方向上則不具有強度。通常選擇基質(zhì)材料時主要是這樣一些質(zhì)量問題，例如能使增強纖維相互粘合可在其間傳遞力以及化學(xué)與熱的穩(wěn)定性的問題，而其中應(yīng)優(yōu)先考慮的高強度則被放在次要地位。事實上，正如前面指出的，在復(fù)合材料中采用增強組份的目的首先是要將這種復(fù)合結(jié)構(gòu)的強度特征提高到遠(yuǎn)超過只用基質(zhì)材料時所能達到的。這樣，依賴于基質(zhì)材料本身的接合強度是不足以用于達到上述目的的。
在這類部件的界面上用金屬螺栓或鉚釘也是不可接受的，這是由于添設(shè)這種連接件至少會部分地破壞和減弱此復(fù)合結(jié)構(gòu)本身，增加重量并在這類添加件和其周圍材料間造成例如熱膨脹系數(shù)差等。
解決上述問題的另一種方法是根據(jù)這樣的想法采用下述一類方法將高強纖維引入并通過接合區(qū)，即將兩部件之一縫合到另一部件上，同時借助此縫線將這種增強纖維引入并通過接合位置。這類方法中之一示明于美國專利NO.4331495及其方法部分相對應(yīng)的美國專利NO.4256790中(在此參考了這兩份專利以及其中列舉的參考文獻)。這兩份專利公開了在第一和第二復(fù)合片件間通過由粘合劑粘合纖維層而形成的接合。第一片件依先有技術(shù)方式在一端分叉形成兩個岔開的共平面的片接觸面，通過在這兩個片件間縫合未固化的撓性復(fù)合線使這兩塊片件結(jié)合。片件與線是“共固化的”，即同時固化的。這種方法已證明是不適當(dāng)?shù)?，因為此后的努力清楚地證明能有效地解決此同一的接合強度問題。
這方面的努力有代表性的是美國專利NO.5429853中所公開的方法。這份專利提出了在片件和增強肋形式的兩增強復(fù)合部件間形成接合的方法。這種片件和增強肋的形式還根據(jù)了先有技術(shù)的原理，使它們之一取細(xì)長帶形，線狀地斜彎使其具有片接觸的支承凸緣，它與此增強肋的其余部分相連接而形成加固凸緣。正如其中所公開的，可將兩個這樣的肋狀件以其加固凸緣背對背而相互結(jié)合。這樣能有效地形成在其創(chuàng)造的“T”形頂端兩側(cè)具有片接觸面的分叉件。不管采用上述哪一種變型，增強肋的支承凸緣都是放在與片件面貼鄰的位置，然后用垂直插過此片件并進到增強件內(nèi)的纖維“絲”或線將此肋與片件結(jié)合，上述插入的絲的某些進入此“加固凸緣”的主體即加固肋的垂直于此片件平面的部分并與之對準(zhǔn)。所宣稱的效果是有一些由上述絲引入的纖維從片件延伸到增強肋的加固凸緣部分。這種先有技術(shù)的結(jié)構(gòu)雖然對某些應(yīng)用可能有效，但并未顯示出有所需值的強度來防止由于兩個增強的組份部件相互分離的結(jié)果而導(dǎo)致這類接合形式破壞。
分此，本發(fā)明的目的之一在于提供裝置，對于用在纖維增強的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中的增強預(yù)制件，在它們之間實現(xiàn)接合。
本發(fā)明的另一目的在于提供裝置，用來于實施形式中達到上述目的，其中所述的增強預(yù)制件相互相對成傾斜地配置。
本發(fā)明的又一個目的在于提供用來實現(xiàn)一或多個上述目的的裝置，其中所述的接合改進了抗破壞能力。
發(fā)明概述通過實施本發(fā)明可以達到所希望的目的，本發(fā)明的實施形式包括用于此纖維增強復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的增強預(yù)制件及其制造方法。此增強預(yù)制件包括第一和第二增強預(yù)制件，其中包括取所需定向的組份強度增強纖維。此第一增強件具有的橫切纖維表面沿至少某些所述的組份強度增強纖維作橫向延伸，而此表面鄰貼上述第二增強件一選定的表面，在其間形成接合面。接合面強度增強纖維可以通過纖維的連續(xù)體如紗或絲于原位有選擇地引入，而延伸通過所述第二增強件的至少一部分及其所述的選定的表面區(qū)、所述接合面、所述橫切纖維表面而進入前述第一增強件，且基本上取向成朝向橫切上述橫切纖維表面的所述組份強度增強纖維中的至少某些。
附圖簡述本發(fā)明可以從下面的描述和權(quán)利要求書，并從附圖中獲得理解，附圖中

圖1是先有技術(shù)一實施形式的橫剖圖；圖2是本發(fā)明一實施形式的橫剖圖；圖3是圖1所示先有技術(shù)的實施形式的橫剖圖；圖3A是圖3一部分的放大圖；圖4是圖1所示先有技術(shù)實施形式的部分的橫剖圖；而圖5是本發(fā)明另一實施形式的橫剖圖。
最佳實施例的描述已參考了美國專利NO.4331495及其方法部分相對應(yīng)的美國專利NO.4256790。這兩份專利公開了由粘合劑粘合的纖維層在第一和第二復(fù)合片件形成的接合部。此第一片件在一端分叉，按先有技術(shù)形成了兩個岔開的共面片件接觸面，并通過未固化的撓性復(fù)合絲的縫合而與第二片件成為組合件，再使這一組件“同固化”即同時固化而相結(jié)合。在此我們將會看到，這兩份專利參考文獻并未公開結(jié)構(gòu)特點與性能特征，而這是使本發(fā)明與其先有技術(shù)的唯一不同之處。更確切地說，從結(jié)構(gòu)上看應(yīng)知，根據(jù)這兩份專利的組份部件的相交情形(1)常常涉及到具有端部的部件，它們的取向轉(zhuǎn)過90°，以便給相關(guān)部件提供接觸面；(2)并未設(shè)想到將增強纖維定位成使其能通過所接合的兩個部件的接合部之間，從所接合的兩部件之一進入另一部件的增強纖維之間且與之基本平行。這一點在性能和在結(jié)構(gòu)方面的重要性可由以下的討論中看到。
在此還參考了美國專利NO.5429853。如圖1所示，此專利例如公開了取片件2和增強肋3形式的增強復(fù)合部件的接合部。肋3也是根據(jù)先有技術(shù)的原理的，即它是由一或兩個肋件制成，而每個肋件沿其長向尺寸彎成90°，將肋3形成支承凸緣3A部和增強凸緣3B部。由此，肋3既可用作單個這樣的肋，也可如圖1所示用作兩個這樣的肋，它們的增強凸緣已背對背結(jié)合，有效地產(chǎn)生出跨過“T”頂部兩頭的在一端分叉成兩個“支承凸緣”或片接觸面3A的肋結(jié)構(gòu)。不論是單肋或雙肋形式，從本發(fā)明來看結(jié)構(gòu)差別時，所引的兩個專利的實施形式與所有其他先有技術(shù)的專利文獻的結(jié)果都是相同的，即在兩個組份部件間的接合部常常涉及到使所接合部件之一的端部轉(zhuǎn)過90°來重新定位，以便為它提供與相關(guān)部件的表面相接觸的表面。即使不論其他結(jié)構(gòu)上的不同，從本發(fā)明的討論和描述中也還將看到，本發(fā)明的實施形式在結(jié)構(gòu)上確是不同于先有技術(shù)參考文獻中所述及的。還將看到，這種不同使得本發(fā)明能夠優(yōu)越地形成這樣的結(jié)合，它與先有技術(shù)所能實現(xiàn)的結(jié)合相比，具有可以證明的實質(zhì)上高得多的能反抗接合部斷裂而致所結(jié)合的增強件相互分開的強度。
本發(fā)明實施形式的結(jié)構(gòu)特點可從圖2所示的實施例上看到。圖2示明一可用于制造纖維增強復(fù)合結(jié)構(gòu)的增強預(yù)制件10，它包括有作為其相關(guān)組份部件的第一增強預(yù)制片12，后者為第二增強預(yù)制片14于中跨處相交。如圖2所示，這兩個組份部件取向成基本上相交成直角。但應(yīng)認(rèn)識到，本發(fā)明的優(yōu)點在此可以實現(xiàn)到許多其他的實施形式、接合狀況(例如增強肋、端部或中心壁的相交等)以及例如在結(jié)合的預(yù)制件間的交角方面。但在圖2中需要特別注意的是“橫切纖維邊緣表面”18，它構(gòu)成了片14的觸面，在此接觸面上貼靠著相關(guān)部件12表面上的選擇部20，在其上，這兩個部件12、14便由借助線、紗或其他連續(xù)件16引入此接合區(qū)的增強纖維相互結(jié)合。
應(yīng)該注意到，以所引的先有技術(shù)參考文獻與本發(fā)明相比，沒有哪個提到的先有技術(shù)公開了用在纖維增強復(fù)合結(jié)構(gòu)制造中的增強預(yù)制件，這里的兩個比鄰貼靠的增強預(yù)制件部件通過從這兩個部件之一將穿過接合區(qū)的增強纖維引入到另一部件之中而相互接合，其中所述的比鄰貼靠是在此兩部件之一的橫切纖維邊緣面和另一部件的一部分表面之間。如后面將要表明的，本發(fā)明的這種特點不僅僅是在結(jié)構(gòu)上與前述先有技術(shù)的不同，更在于這種不同具有重要的意義，因為它形成了遠(yuǎn)比用先有技術(shù)原理所能達到的要結(jié)實得多的接合部。
應(yīng)該認(rèn)識到，這里所用的一些詞是具有下述意義的“基本上”一詞在把它用到事件的條件或狀態(tài)上時，是指會由此有狀態(tài)或條件的變化，但是這種變化不會使產(chǎn)生的結(jié)果顯著地或本質(zhì)上地不同于沒有這種變化時可能發(fā)生的結(jié)果。
“橫切纖維”一詞是指對于為提高自身強度而于此增強預(yù)制件所包括的纖維，橫切它們的總的方向并與之相交。“橫切纖維”雖可相對于上述總方向基本成直角，但也可不同于這一取向。
“橫切纖維表面”一詞是指增強預(yù)制件或其部件的沿“橫切纖維”方向延伸的表面。
連續(xù)件16盡管在圖2中所示為一簡單的倒U字形，但它可以取廣泛的種種形式與構(gòu)型中的任意一種，包括(但不限于)直接插入式的、由線狀或紗狀的成組纖維(例如條形或帶形)連續(xù)地縫合，以及可以有選擇地由選用于此復(fù)合增強材料相同的材料制成。通常，這種縫合線可以沿相交增強部件的方向延伸。因為正是在此方向發(fā)生比鄰貼靠?？傊康氖遣徽撚檬裁词侄味言鰪娎w維導(dǎo)引通過增強預(yù)制件的兩個組份部件間的接合部，以在它們之間的接合中賦予其高強度。一旦使本身已知的基質(zhì)材料恰當(dāng)?shù)匾氲皆鰪婎A(yù)制件的空隙和周圍后，就會有“膠合”效應(yīng)亦即將表面粘附到端部上，而至少會使接合部橋連纖維粘附到這兩個增強預(yù)制件部件本身上。此外，這種接合部抗破裂的整體性則主要成為此將增強預(yù)制件的兩個部件互連以抵抗應(yīng)力的接合部橋連纖維本領(lǐng)的功能，這是因為如前所述，與增強纖維的材料相比，基質(zhì)材料的這種強度較弱。
暫且不論本發(fā)明與所引先有技術(shù)間在結(jié)構(gòu)上的差別何以會產(chǎn)生顯著不同的結(jié)果，下面先描述一些試驗結(jié)果，它們證明了這種差別所產(chǎn)生的結(jié)果，同時證明了這種差別對于在增強復(fù)合結(jié)構(gòu)中增強預(yù)制件的兩個組份部件間獲得所需的高得多的強度結(jié)果是互為關(guān)鍵的。
例子基本上按美國專利NO.5429853所公開的如圖1所示形式構(gòu)制了五個試樣。還基本上依據(jù)本發(fā)明且如圖2所示制備了五個試樣。對于所有試樣，在各種情形下都配備基本一致的模具和其他裝置，以使它們能適應(yīng)試驗設(shè)備，且盡可能地使試驗結(jié)果在測定各接合部的強度時不受外來因素的影響。這些試樣具有基本一致的尺寸與大小，制備中采用了一致的碳纖維用于增強和接合以及基本相同質(zhì)量、尺寸和其他組成與物理性質(zhì)的環(huán)氧樹脂基質(zhì)材料。同時這些試驗是在基本一致的試驗條件下進行?？p合時是取增強肋的長軸線方向，而且使所試樣的針跡密度相同。在進行了上述準(zhǔn)備后，在Instron No.4206試驗機中和0.2″/min的十字頭速度下，對試樣的接合部作了應(yīng)力試驗。根據(jù)美國專利No.5429853的試樣所作的試驗結(jié)果列于表I，而根據(jù)本發(fā)明的這種結(jié)果則列于表II，表中對各個試樣給出了它們在破裂時的最大載荷(磅)。
表I試樣號 最大載荷(lb)A1 1624.0A2 1661.0A3 1402.0A4 1602.0A5 1439.0平均值 1546.0標(biāo)準(zhǔn)差 117.0表II試樣號 最大載荷(lb)T2-1 2933.0T2-2 3104.0T2-3 3028.0T2-4 2754.0T2-5 2862.0平均值 2936.0標(biāo)準(zhǔn)差 137.2總之，這些試驗表明，根據(jù)本發(fā)明原理所形成的接合部其強度相當(dāng)于按美國專利No.5429853的原理所制接合部的約2倍。
從以上所述可知，實施本發(fā)明可以具有顯著的優(yōu)點。至少產(chǎn)生這些優(yōu)點的原因，下面的說明是在不受任何理論約束下所作的可能性解釋。
首先參考圖3與3A所示的先有技術(shù)的實施例，可以看到，它一般具有附圖1所示的相同結(jié)構(gòu)，其中的部件間的基本接合構(gòu)型類似于分叉接合部，它同樣也示明于美國專利No.4256790和No.4331495中，也是由這兩份專利給出了它的設(shè)計的，其中所示實施形式的特征是，在從增強凸緣3A到支承凸緣3B(或它們的結(jié)構(gòu)等效件)的過渡區(qū)的外表面處形成倒圓，而這是由支承凸緣3A彎離部件3的增強凸緣3B(在此)約90°所形成的。由于有這樣一個圓弧的彎曲部，不管其曲率半徑多小，也會在部件3的這對彎曲部的頂部與部件2的下側(cè)面間形成某種尺寸的間隙。(自然，在這種分叉形式中，兩個組份部件的兩個彎曲部之間便形成了間隙。但要是采用的是單一的這種部件，就不會有這種間隙，然而以后可以看到，這種結(jié)構(gòu)潛在的強度缺陷方面的結(jié)果同樣會出現(xiàn)于上述分叉形式中)。實際上，這種間隙通常以一般表現(xiàn)出低硬度的復(fù)合填料充填，其功能在于阻止基質(zhì)材料引入到預(yù)制件時不會在此間隙中形成為大的連續(xù)團塊。此外，從圖3與3A還可看到，取決于連續(xù)絲4A、4B、4C相對于分叉線在此相交的預(yù)制件部件構(gòu)型的位置，這各個絲通過此間隙的長度實質(zhì)上是不同的。這在圖3與3A中通過表明出使上述絲被包圍于部件3中的那些點而加以闡明所有的這幾條包圍在部件2中的絲大體上達到此部件底面的同等高度。這樣，絲4A(于點“A”處進入凸緣3A，由直線4A-4A′表示)具有最長的間隙長度。絲(次最長的絲)4B的間隙長度和絲4C(最短的絲)的間隙長度，由它們分別在點“B”與“C”進入凸緣3A內(nèi)的各個點確定(分別由直線4B-4B′和直線4C-4C′表示)。結(jié)論是這些絲的比較長度可能是由于下述原因而表示出一種顯著的特征。這些絲的端部在它們業(yè)已包圍到已固化的基質(zhì)材料中后，大體上是牢靠而結(jié)實的粘合到部件2和3的體部上。于是它們的拉伸能力實際上是限制于這些包圍區(qū)中。這樣，當(dāng)把張力向下作用到(例如)部件3上時，絲4A、4B、4C在它們斷裂前所發(fā)生的任何拉伸在這三根絲之間是不成比例的，并將在通過所述間隙時減短它們的“自由”長度量，這是因為這種自由長度越長，它們在斷裂前就會拉伸(就絕對意義而論)得更長、這意味著各個絲將在不同的時間加載到其斷裂點，而當(dāng)它們?nèi)w在給定的時刻都可能承載總的載荷的某些部分時，此時它們將只能這樣地不成比例，而其中的某些只是部分地承載載荷。此外，各個絲將順序地而不是同時地支承大部分張力。于是，這些絲會導(dǎo)致所述接合不是如所期望的將許多絲放到此接合區(qū)可能獲得的累積性的抗斷裂能力。由于較靠邊分叉凸緣3A彎曲部會合部件2底面的點的那些絲(例如4C)具有較短的長度，相比那些具有較大間隙長度的絲(例如4B)，它們的延伸性就較差并會較前斷裂，而最接近分叉線的那些絲(例如4A)則具有最大的延伸率，而將順序地于最后斷裂。根據(jù)上述設(shè)想的看法，就解釋了為什么通常觀察這種接合部時，首先是在分叉凸緣3A與部件2底面會合處首先斷裂。斷裂的結(jié)果隨之而發(fā)生的就是技術(shù)上稱作的“剝離”。
應(yīng)知在上述結(jié)構(gòu)中，這種缺陷是不可能補救的，即使是從增強凸緣3A到支承凸緣3B(或它們的結(jié)構(gòu)等效件)過渡區(qū)的外側(cè)面上并未形成彎曲部，例如去掉了彎曲面而代之的方角，也是不行的?？梢詳嘌?，縱令能夠作出這種變更而形成了與本發(fā)明不同的結(jié)構(gòu)，但卻不能求得相似的結(jié)果。此外，若不拘泥于任何理論，則上述結(jié)構(gòu)可以在下述的基礎(chǔ)上解釋，制造根據(jù)此來形成部件3的用于復(fù)合結(jié)構(gòu)的增強預(yù)制件如平坦帶狀件的方式，通常是把相續(xù)的增強材料層進行層壓，使各層的纖維或紗有選擇地相對于其鄰層的纖維或紗大體取同一方向或按某個角度取向。這種結(jié)構(gòu)的層間性質(zhì)如它們的“軟性”或剛性、強度等，已知要比圖1與3中的箭頭X示向時的相應(yīng)性質(zhì)要低，這一示向表明的是部件3中多數(shù)增強纖維的取向面。但由于在這個方向上至少可把相關(guān)結(jié)構(gòu)制成得其強度是以抵抗加到此種部件上的力，因而前述缺陷通常是在可容許的范圍內(nèi)。但當(dāng)此結(jié)構(gòu)的分叉端是分叉式的或是單一的折斜件時(例如形成支承凸緣)，而支承凸緣轉(zhuǎn)過90°重新取向，則在此折斜部分內(nèi)的纖維的“高強度”方向(圖1與3中的“X”)也重新取向。結(jié)果如圖4所示，即在圖1中沿7-7′線截取的橫剖面中，支承凸緣3A中纖維的分層100a、100b、…100n就不再如增強凸緣3B中的纖維那樣取相同方向，而是相對于部件2的底側(cè)基本上重新取水平方向。于是由支承凸緣3A傳送到接合部的力就另導(dǎo)致較差的層間強度、剛性或“軟性”以及其他的性質(zhì)這些力此時將傳過凸緣3A的增強纖維層且通過基質(zhì)的眾多的間隙。這樣，當(dāng)沿著部件3從其增強凸緣部3B進入支承凸緣部3A時，它們中的纖維的增強效應(yīng)便愈益削弱，但在本發(fā)明中，接合部增強纖維則集中于力所作用到的此接合部的區(qū)域中，且基本上是同時地而非相續(xù)地支承著所加的載荷?？梢哉J(rèn)為，上述各種方法或它們的結(jié)合可能成為前面觀察到的，這些先有技術(shù)裝置在最初瞬間是從部件2與3間的間隙最外側(cè)的點而不是在其中心處斷裂造成“剝離效應(yīng)”的主要因素。
此外，在先有技術(shù)裝置中將增強纖維加設(shè)到接合區(qū)中是逐漸的不太有效的而非積累性的增強，這是因為這些纖維的加載是逐一的而不是同時的。相反，本發(fā)明中可把增強纖維以通過接合區(qū)的形式增加到使其有效性在纖維的數(shù)量方面只受相交部件的平端頭(橫向纖維表面)厚度的限制。作為進一步對比，本發(fā)明中每次作這種添加時與其他次添加的共同效果基本上是加和性和積累性的。本發(fā)明的這種接合的優(yōu)越性可從已進行過的另一組試驗看清。另制備了五個試樣，它們基本一致并以獲得表II中所列結(jié)果的相同方式進行了試驗，所不同的只是又增加了一條通過此結(jié)合區(qū)的增強纖維縫線。這就是說，它們是依據(jù)本發(fā)明制備的，例外的是如圖5所示，相交的增強預(yù)制件部件14A(相當(dāng)于圖2中的部件14)構(gòu)制成為具有較厚的平端頭，而得以從部件中將三行而不是兩行接合用絲(因而是更多的增強纖維)插入部件14A的平端頭中。然后將這樣制成的試樣于前面表I和表II中所用的相同機器和相同的條件下進行了試驗。試驗結(jié)果列于下面的表III中。
表III試樣號 最大載荷(lb)T14301.0T24349.0T33985.0T43972.0T54805.0平均值 4282.0標(biāo)準(zhǔn)差 340.0與表1中所列結(jié)果比較，表III中的結(jié)果清楚表明，與先有技術(shù)裝置相比，本發(fā)明由于可將更多的有效的增強纖維插過接合部，就能獲得大得多的接合強度。
應(yīng)知這里所公開、所討論和所圖示的實施形式只是出于解釋而非限制目的，本發(fā)明可以在不背離其精神與范圍內(nèi)以廣泛的用途和多種多樣的實施形式實踐。
權(quán)利要求
1.用于纖維增強復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的增強預(yù)制件，此預(yù)制件包括第一和第二部件，它們具有按所需方向取向的強度增強纖維，此第一部件有橫向纖維表面橫向延伸過至少某些上述的組份增強纖維，且與所述第二部件的選定的表面區(qū)接觸比鄰而在其間形成接合面；接合增強纖維，它們延伸通過至少是部分所述的第二部件及所述選定的表面區(qū)，通過上述接合面，通過所述的橫向纖維表面，且基本上是沿著某些，至少是那些為所述橫向纖維表面橫過的第一部件的組份增強纖維中的某些所取的方向，進到所述的第一部件內(nèi)。
2.權(quán)利要求1所述的預(yù)制件，其中所述接合增強纖維是纖維質(zhì)連續(xù)體的組份，此接合增強纖維通過插入后定位。
3.權(quán)利要求1所述的預(yù)制件，其中所述第一部件相對該第二部件的選定表面區(qū)斜向配置。
4.權(quán)利要求2所述的預(yù)制件，其中所述第一部件相對該第二部件的選定表面區(qū)斜向配置。
5.權(quán)利要求3所述的預(yù)制件，其中所述第一部件相對該第二部件的選定表面區(qū)基本成90°角配置。
6.權(quán)利要求4所述的預(yù)制件，其中所述第一部件相對該第二部件的選定表面區(qū)基本成90°角配置。
7.權(quán)利要求1所述的預(yù)制件，其中所述預(yù)制件封圍于基質(zhì)材料中，且使其兩個組份部件間的空隙區(qū)基本上為此基質(zhì)材料所充填。
8.權(quán)利要求2所述的預(yù)制件，其中所述預(yù)制件封圍于基質(zhì)材料中，且使其兩個組份部件間的空隙區(qū)基本上為此基質(zhì)材料所充填。
9.用于纖維增強復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的增強預(yù)制件，此預(yù)制件包括第一平面件，它包括的增強纖維取向成能使此平面件至少沿一個方向可增加其強度；第二平面件，它相對于此第一平面件的平表面斜向配置，且沿著此第二平面件一邊緣表面與第一部件的平表面作基本上是連續(xù)的貼合，此第二部件的邊緣面延伸通過并與構(gòu)成此第二部件的組成部份的定向成能在離開此第一部件的方向提高第二部件強度的增強纖維相交；包括增強纖維的至少一種連續(xù)件，它斷續(xù)地通過此第一部件的一部分及其所述平表面，通過第一與第二部件的接合面，通過第二部件的邊緣表面，且基本上是沿著由所述組份增強纖維使第二部件增強的方向進到第二部件內(nèi)，上述連續(xù)件則是沿著該第二部件的邊緣表面與該第一部件的平表面的接合線取向的縫合線。
10.權(quán)利要求9所述的預(yù)制件，其中所述第一部件相對于此第二部件的選定表面區(qū)基本上按90°作斜向配置。
11.權(quán)利要求9所述的預(yù)制件，其中所述預(yù)制件封圍于基質(zhì)材料中，而此預(yù)制件的兩個組份部件間的間隙基本上為基質(zhì)材料充填。
12.權(quán)利要求10所述的預(yù)制件，其中所述預(yù)制件封圍于基質(zhì)材料中，而此預(yù)制件的兩個組份部件間的間隙基本上為基質(zhì)材料充填。
13.用于纖維增強復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的增強預(yù)制件的制造方法，此方法包括下述步驟制備包括取所需方向的增強纖維的第一和第二預(yù)制件，使此第一部件具有橫過其至少某些上述組份增強纖維的橫向纖維表面；使所述橫向纖維表面定位成與該第二部件一選定的表面區(qū)比鄰接觸而于其間形成接合面；將接合用增強纖維定位成使它們延伸通過此第二部件的至少一部分及其上述選定的表面區(qū)、通過接合面，通過所述橫向纖維表面，且基本上是沿著某些，至少是那些為所述橫向纖維表面橫過的第一部件的組份增強纖維中的某些所取的方向，進到所述的第一部件內(nèi)。
14.權(quán)利要求13所述的方法，其中所述使該接合用增強纖維定位的步驟是通過用纖維連續(xù)件的組份纖維進行，通過它的插入而使前述增強纖維定位。
15.權(quán)利要求13所述的方法，其中所述使第一部件相對于第二部件定位的步驟，是通過使第一部件相對第二部件的選定表面區(qū)取斜向配置進行。
16.權(quán)利要求14所述的方法，其中所述使第一部件相對于第二部件定位的步驟，是通過使第一部件相對第二部件的選定表面區(qū)取斜向配置進行。
17.權(quán)利要求15所述的方法，其中所述使第一部件相對于第二部件定位的步驟，是通過使第一部件相對第二部件的選定表面區(qū)取基本上90°角的斜向配置進行。
18.權(quán)利要求16所述的方法，其中所述使第一部件相對于第二部件定位的步驟，是通過使第一部件相對第二部件的選定表面區(qū)取基本上90°角的斜向配置進行。
19.權(quán)利要求13所述的方法，它還包括以基質(zhì)材料封圍此預(yù)制件且基本上充填其兩組份部件間的空隙的步驟。
20.權(quán)利要求14所述的方法，它還包括以基質(zhì)材料封圍此預(yù)制件且基本上充填其兩組份部件間的空隙的步驟。
全文摘要
公開了用于纖維增強復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中的增強預(yù)制件及其制法,其中的增強預(yù)制件具有第一和第二增強預(yù)制件部件,后者又包括取所需方向的增強纖維。第一部件具有的橫向纖維表面橫過其組份增強纖維,且與第二部件一選定表面區(qū)比鄰接觸而于其間形成接合面?？梢杂衫w維的連續(xù)件例如紗或線將接合用增強纖維由原位引入,通過至少一部分第二部件及其上述選定表面區(qū)、接合面、橫向纖維表面,基本上沿著此橫向纖維表面橫過此組份增強纖維的方向進入第一部件。
文檔編號B32B5/00GK1273549SQ99801120
公開日2000年11月15日 申請日期1999年6月28日 優(yōu)先權(quán)日1998年7月9日
發(fā)明者基思·E·伯格斯 申請人:阿爾巴尼國際編織技術(shù)公司