包括防水阻隔層的復合材料的制作方法
【專利說明】包括防水阻隔層的復合材料
[0001] 相關(guān)申請的交叉引用
[0002] 本申請要求于2013年7月26日提交的名稱為"包括防水阻隔層的復合材料 (COMPOSITEMATERIALINCORPORATINGWATERINGRESSBARRIER)" 的美國臨時專利申請序 列號61/858, 967的優(yōu)先權(quán)，所述美國臨時專利申請在此以引用的方式整體并入。 發(fā)明領(lǐng)域
[0003] 本發(fā)明涉及一種用于包括防水阻隔層的復合材料的構(gòu)造。更具體地，本發(fā)明涉及 一種可用于飛機的構(gòu)造中的復合材料，其中復合材料包括由復合材料層夾在中間的蜂窩芯 構(gòu)造。
[0004] 相關(guān)技術(shù)的描述
[0005] 傳統(tǒng)上，飛機已由金屬材料制造。具體地，飛機傳統(tǒng)上已由鋁合金制成，所述鋁合 金結(jié)實且重量輕。
[0006] 在最近幾年中，偏向于開發(fā)包括復合材料的飛機和飛機部件的構(gòu)造。在許多情況 下，復合材料與其金屬對應物相比趨于重量更輕。此外，在許多情況下復合材料與其金屬對 應物相比趨于更結(jié)實。
[0007] 術(shù)語"復合材料"涵蓋各種各樣的不同材料。在討論使用在飛機和其相關(guān)聯(lián)部件和 組件的構(gòu)造中的復合材料時，存在至少兩種類型的通常被現(xiàn)有技術(shù)采用的復合材料。第一 種復合材料常常被稱為"整體"復合材料。整體復合材料包括單向纖維織物（玻璃、碳等） 的多個層，所述層在樹脂存在下模塑在一起以形成一體結(jié)構(gòu)。第二種復合材料常常被稱為 "蜂窩"復合材料，因為其通常包含被夾置在碳纖維織物層之間的蜂窩材料。如整體復合材 料的情況一樣，蜂窩材料和碳纖維織物層在樹脂存在下模塑在一起以形成一體結(jié)構(gòu)。
[0008] 就蜂窩復合材料而言，蜂窩層（同許多蜂窩材料一樣）非常結(jié)實但重量非常輕。如 本領(lǐng)域技術(shù)人員所顯而易見的，蜂窩材料更常見地包括小的、六角形氣穴。所述氣穴減小了 包括蜂窩的材料的重量，這是蜂窩材料被使用在復合材料中的一個原因。然而，所述氣穴提 供了可在構(gòu)造蜂窩復合材料的過程中或之后積聚呈蒸汽或液體形式的水的部位。
[0009] 如下文更詳細討論的，存在可有助于水存在于蜂窩材料中的多種機制。兩種主要 的機制包括：（1)在材料的制造（包括非金屬的酚醛樹脂蜂窩的后固化）過程中將水、空氣 和揮發(fā)分夾帶在復合材料中，和（2)在復合材料的使用壽命期間由于在使用時出現(xiàn)裂紋而 導致水進入。雖然兩種機制都是潛在的問題，但是第二種機制可能是非常嚴重的問題，特別 是考慮到針對現(xiàn)代飛機設(shè)計的長使用壽命更是如此。
[0010] 在構(gòu)造蜂窩復合材料的過程中，為了使樹脂固化在材料中，蜂窩復合材料經(jīng)受升 高的溫度。雖然所述處理可能將一些水、空氣和揮發(fā)分從復合材料逐出，但有可能的是，可 能保留了一些材料，特別是水。所述水可形成復合材料可由其開始漸進性劣化的部位。
[0011] 分別地，在制造復合材料過程中可能將裂紋（也稱為"裂縫"）引入到復合材料中。 如本文所用，術(shù)語"裂紋"旨在涵蓋但不限于微裂紋、裂縫、微裂縫、孔、微孔、多孔空氣通道、 空隙、微空隙、路徑、微路徑、通道、微通道、弱化區(qū)等。應當理解，在復合材料中存在的水、空 氣和揮發(fā)分在固化處理過程中可能試圖從材料中逸出。在水、空氣和揮發(fā)分試圖逸出時， 其可能使得裂紋在復合材料中形成，所述裂紋在固化處理完成之后成為復合材料的固定部 分。
[0012] 此外，裂紋可在材料的使用壽命期間出現(xiàn)在復合材料中。例如可由于復合材料上 的沖擊或其他力導致裂紋產(chǎn)生。
[0013] 裂紋提供了由其水可進入材料中并隨后冷凝和/或積聚在蜂窩內(nèi)的巢室中的部 位。如從前述中所顯而易見的，積聚在蜂窩中的水可形成復合材料可由其開始漸進性劣化 的部位。
[0014] 現(xiàn)有技術(shù)包括許多蜂窩復合材料實例，其中以下專利是代表性的。
[0015] 歐洲專利號0 722 825 (下文中稱為" '825專利"）描述了與蜂窩芯結(jié)合的樹脂轉(zhuǎn) 移模塑。具體地，'825專利描述了使用中心蜂窩芯材料12構(gòu)造的產(chǎn)品10。（ '825專利第 8欄第47-50行。）產(chǎn)品10包括被夾置在固化的預浸漬材料層16a、16b之間的粘合劑膜層 14a、14b。（ '825專利第8欄第50-54行。）已使用樹脂轉(zhuǎn)移模制品（"RTM"）樹脂體系 浸漬的具有預成型纖維的固化層18a、18b位于預浸漬層16a、16b的外部。（'825專利第8 欄第54-58行。）
[0016] 國際專利申請公布號WO95/29807(下文中稱為"'807申請"）描述了一種用于板 制造的預刻痕泡沫。'807申請描述了具有蜂窩芯元件32和邊緣34的平坦的復合板，所述 板的兩面都用預浸漬樹脂的纖維薄板38覆蓋。（'807申請第5頁第9-14行。）
[0017] 美國專利號5, 685, 940 (下文中稱為"'940專利"）描述了復合構(gòu)造中的粘附系緊 板層。具體地，與現(xiàn)有技術(shù)結(jié)合，'940專利描述了Hartz型復合蜂窩夾層板100,所述板100 包括固定到中心蜂窩芯106的外面板102。（'940專利第4欄第29-37行。）'940專利還 描述了可采用非支撐膜粘合劑108、阻隔膜110和稀松布支撐的膜粘合劑112 (以所述順序 施加）來防止材料諸如樹脂進入到蜂窩芯106中。（'940專利第4欄第48-56行。）具體 地，如圖3所示，在沒有阻隔膜110情況下，樹脂118可填充蜂窩芯106的巢室114。（'940 專利第4欄第53-57行。）
[0018] 美國專利號6, 679, 969 (下文中稱為" '969專利"）描述了制造夾層板的方法，所 述夾層板具有限定在膨脹材料的膜12的任一面上的開式巢室芯10、干阻隔織物14和干纖 維的覆蓋層16。（ '969專利第5欄第12-18行。）膨脹膜12在固化處理過程中膨脹為泡 沫以部分地填充開式巢室芯10中的巢室l〇a。（ '969專利第5欄第37-43行。）
[0019] 除使用阻隔層之外，現(xiàn)有技術(shù)似乎不能對以上提到的關(guān)于水進入的難題提供替代 性解決方案。
[0020] 應注意，針對現(xiàn)有技術(shù)阻隔層呈現(xiàn)出另一難題。在固化過程中，阻隔層可將水、空 氣和揮發(fā)分夾帶于阻隔層和蜂窩層之間的粘合劑層中。這可能弱化由粘合劑層形成的粘 結(jié)，這是應當避免的。此外，大多數(shù)阻隔層由熱塑性材料制成，所述熱塑性材料不能充分地 粘結(jié)到粘合劑和相鄰層和/或結(jié)構(gòu)。因此，針對包括所述阻隔層的復合材料構(gòu)造，阻隔層呈 現(xiàn)出另外的工程挑戰(zhàn)。
[0021] 在融合所述因素的背景下開發(fā)了本發(fā)明。
[0022] 發(fā)明概述
[0023] 本發(fā)明解決了針對現(xiàn)有技術(shù)提到的一個或多個缺陷。
[0024] 在一個可預期的實施方案中，本發(fā)明提供了包括具有頂面和底面的蜂窩層的復合 材料。蜂窩層包括在其中限定了多個巢室的多個壁。所述材料還包括相鄰于蜂窩層的頂面 設(shè)置的第一粘合劑層、相鄰于蜂窩層的底面設(shè)置的第二粘合劑層、相鄰于蜂窩層的頂面上 的第一粘合劑層設(shè)置的第三粘合劑層、相鄰于蜂窩層的頂面上的第三粘合劑層設(shè)置的第一 復合層、以及相鄰于蜂窩層的底面上的第二粘合劑層設(shè)置的第二復合層。至少第三粘合劑 層具有在共固化時阻止溝槽在第一復合層內(nèi)產(chǎn)生的粘性特性。
[0025] 在另一個可預期的實施方案中，復合材料還包括位于第二粘合劑層和蜂窩層的底 面上的第二復合層之間的第四粘合劑層。第四粘合劑層具有在共固化時阻止溝槽在第二復 合層內(nèi)產(chǎn)生的粘性特性。
[0026] 可預期的是，第一粘合劑層可與蜂窩層的頂面接觸。
[0027] 還可預期的是，第二粘合劑層可與蜂窩層的底面接觸。
[0028] 此外，一旦固化，則可預期第三粘合劑層就與第一粘合劑層形成化學鍵。
[0029] 類似地，一旦固化，則可預期第四粘合劑層就與第二粘合劑層形成化學鍵。
[0030] 在一個可預期的實施方案中，第一復合層可與第三粘合劑層接觸。
[0031 ] 在另一個可預期的實施方案中，第二復合層可與第四粘合劑層接觸。
[0032] 蜂窩層的壁可由懸浮在樹脂基質(zhì)中的芳族聚酰胺纖維制成。
[0033] 第一復合材料和第二復合材料也可以由懸浮在樹脂基質(zhì)中的碳纖維制成。
[0034] 在采用碳纖維的情況下，可將碳纖維織造到堆疊在彼此上的多層碳纖維織物中。
[0035] 可預期的是，第三粘合劑層和第四粘合劑層可包含2-丁酮、四溴雙酚A、環(huán)氧樹 月旨、雙氰胺和二氨基二苯砜。
[0036] 還可預期的是，第三粘合劑層和第四粘合劑層為膜粘合劑。
[0037] 第三粘合劑層和第四粘合劑層可具有約225-350°F(105_175°C)的固化溫度。
[0038] 第三粘合劑層和第四粘合劑層可具有約0. 030-0. 080psf(145-390gsm)之間的重 量和約0. 005-0. 013英寸（0. 13-0. 33mm)之間的厚度。
[0039] 或者，第三粘合劑層和第四粘合劑層可具有約0·03-0. 05psf(145-245gsm)之間 的重量。如果是這樣的話，則第三粘合劑層和第四粘合劑層在75°F(24°C)下可具有約 5770-6000psi(39. 8-4L4MPa)之間的搭接剪切強度。
[0040] 在一個可預期的實施方案中，第三粘合劑層和第四粘合劑層在組成上相同。
[0041 ] 在另一個可預期的實施方案中，第一粘合劑層和第二粘合劑層在組成上相同。
[0042] 可預期的是，第一粘合劑層在第一時間段時膠化并且第三粘合劑層在第二時間段 時膠化?？深A期第一時間段和第二時間段在彼此的± 15%、± 10%、±7%、±6%、±5%、 ±4%、±3%、±2%或±1%中的至少一個的范圍內(nèi)。
[0043] 可預期的是，第一粘合劑層在固化周期期間具有第一最小粘度；第三粘合劑層在 固化周期期間具有第二最小粘度；并且第二最小粘度是第一最小粘度的至少兩倍大。
[0044] 在以1°F/min(0. 56°C/min)的速率加熱時，第三粘合劑層和第四粘合劑層在固化 周期期間可具有約2200P的最小粘度。
[0045] 或者，在以3°F/min(或1. 68°C/min)的速率加熱時，第三粘合劑層和第四粘合劑 層在固化周期期間可具有約1500P的最小粘度。
[0046]另外，在以5°F/min(或2. 80°C/min)的速率加熱時，第三粘合劑層和第四粘合劑 層在固化周期期間可具有約1420P的最小粘度。
[0047] 可預期的是，第三粘合劑層和第四粘合劑層具有約167min(±10%)的膠化時間。
[0048] 或者，第三粘合劑層和第四粘合劑層可具有約127min(±10%)的膠化時間。
[0049] 另外，第三粘合劑層和第四粘合劑層可具有約119min(± 10% )的膠化時間。
[0050] 本發(fā)明還提供一種制造復合材料的方法，所述方法包括提供具有頂面和底面的蜂 窩層，所述蜂窩層具有在其中限定了多個巢室的多個壁；提供相鄰于蜂窩層的頂面的第一 粘合劑層；提供相鄰于蜂窩層的底面的第二粘合劑層；提供相鄰于蜂窩層的頂面上的第一 粘合劑層的第三粘合劑層；提供相鄰于蜂窩層的頂面上的第三粘合劑層的第一復合層；提 供相鄰于蜂窩層的底面上的第二粘合劑層的第二復合層；以及固化蜂窩層、第一粘合劑層、 第二粘合劑層、第三粘合劑層、第一