在厚度方向增強層壓材料方法技術

一種用來向包括基質材料的層壓材料提供厚度方向增強的方法包括：在層壓材料中形成局部受熱區以便通過使至少兩個能量束的集合聚焦在需要進行厚度方向增強的位置來局部地軟化基質材料的步驟；以及在局部受熱區的位置穿過層壓材料的厚度插入增強元件以在厚度方向上增強層壓材料的步驟。

【技術實現步驟摘要】
【專利摘要】一種用來向包括基質材料的層壓材料提供厚度方向增強的方法包括：在層壓材料中形成局部受熱區以便通過使至少兩個能量束的集合聚焦在需要進行厚度方向增強的位置來局部地軟化基質材料的步驟；以及在局部受熱區的位置穿過層壓材料的厚度插入增強元件以在厚度方向上增強層壓材料的步驟。【專利說明】
本專利技術涉及利用增強元件在厚度方向（through-thickness)增強層壓材料的方 法。特別地，本專利技術涉及加熱層壓材料以插入增強元件的方法。
技術介紹
層壓復合材料廣泛地用于許多工程應用中，在層壓復合材料中，增強纖維保持在 聚合基質內。此類材料可通常提供比常規金屬材料更高的單位重量的強度和剛度。這使得 此類復合材料有利于重量敏感的應用，諸如在航天領域中的那些應用。 層壓復合材料的已知問題在于與相對應的平面內性質相比，它們的較差的層間或 厚度方向機械性質。這種低層間強度和斷裂韌性可能制約復合零件的設計并且甚至可能限 制此類材料用于特定應用。 這個問題的一種解決方案是使用堅韌的基質材料。此類基質材料通常比常規基質 材料顯著更昂貴，常常具有較差的高溫性質并且可能仍未提供斷裂韌性的顯著增加。 改進層間強度性質的替代解決方案是將厚度方向纖維插入于層間材料內。已發展 了各種技術來插入這樣的增強纖維。 將厚度方向增強纖維插入于層壓材料內的一種方法是裝訂或Z-釘扎 (z-pinning)。這些增強纖維通常在結構上為纖維性的并且可能在插入端處形成有45°倒 角。厚度方向增強纖維預期抵抗剪切力以便改進層間強度和斷裂韌性。 增強纖維可以插入于層壓材料內，層壓材料利用基質材料而被預浸漬。一旦已將 增強纖維插入于層壓材料內，層壓材料和基質的組合然后可以固化以便形成固結的復合材 料。然后復合材料可利用或不利用進一步加工形成復合部件。 如果基質材料具有適當較低黏度，則穿過預浸漬材料插入厚度方向增強纖維較為 容易，并且對增強纖維造成更少損壞。黏度應當使得能插入增強纖維，但保持構成層壓材料 的層周圍的基質材料。 圖6為可以用于層壓復合材料中的典型環氧樹脂材料的流變學曲線圖(動態黏度 與溫度關系)，示出了如何可通過加熱預浸漬層壓材料到足以使增強纖維能穿過軟化的基 質材料插入而實現這一目的。從圖6可以看出，通過加熱層壓材料，環氧樹脂的動態黏度將 顯著低于在室溫下的情況。這種黏度減小在很大程度上有助于插入增強纖維的過程。 然而，加熱過程面臨挑戰，因為通常需要數千根增強纖維以便來制造合適強度的 復合部件。 一個選項是僅將預浸漬層壓材料加熱到足以使基質材料不達到其膠凝點。膠凝點 為固化過程開始并且基質材料將開始硬化的溫度。在圖6中，膠凝點被示出為流變學曲線 的拐點，即，通過加熱引起的黏度減小停止并且進一步加熱造成黏度快速增加（因為材料開 始固化或硬化）的點。一旦開始，固化過程不可被逆轉。 在插入許多增強纖維時通過加熱和冷卻層壓材料的循環來實現使基質材料保持 低于其膠凝點。保持層壓材料充分冷卻的這種需要給制造過程增加了較長時間和復雜性。 因此，其也可能是消耗大量能量的過程。單獨來看，加熱層壓材料使得基質材料均勻地軟化 的過程可能是耗時的。 另一選項是加熱預浸漬層壓材料到已知溫度，該溫度具有相對應的已知并且有限 的時間間隔，直到基質材料達到其膠凝點。一旦達到這個溫度，待插入的所有增強纖維必須 在基質材料開始硬化之前就位。由此得出，以此方式來增強層壓材料，關于在插入過程中校 正生產誤差存在有限的范圍，因為一旦開始，固化過程是不能停止的。 需要一種可以用系統并及時的方式但獨立于固化過程而插入增強纖維的過程，固 化過程繼而可保持不受插入增強纖維影響。
技術實現思路
根據一方面，本專利技術提供一種用來向層壓材料提供厚度方向增強的方法。層壓材 料包括基質材料。該方法包括以下步驟：提供層壓材料；以及在層壓材料中形成局部受熱 區以便通過將至少兩個能量束(例如，兩個或多于兩個能量束）的集合聚焦在聚焦區上來局 部地軟化基質材料，聚焦區對應于需要厚度方向增強的位置。該方法包括在局部受熱區的 位置穿過層壓材料的厚度(例如，穿過該厚度的至少一部分）插入增強元件以在厚度方向上 增強該層壓材料。 本專利技術還提供一種至少部分地使用向層壓材料提供厚度方向增強的方法制造的 部件。 使用至少兩個能量束可以允許將每個單獨束的強度設置在特定水平，使得其本身 將不足以加熱和/或軟化層壓材料。因此，在僅向能量束之一暴露的區域中，層壓材料可能 未被充分加熱到顯著地被軟化和/或這些區域可能保持在顯著低于膠凝點/固化溫度的溫 度。 以此方式，最小化了被加熱的層壓材料體積。這減少了在厚度方向上增強層壓材 料所需的能量。此外，在制造期間可以實現顯著的時間節省。最小化或一并省略了提供層 壓材料的加熱和冷卻循環的需要。可以完全獨立于形成最終復合材料所需的最后固化過程 而實現增強元件的插入。而且，局部加熱減輕了在插入增強元件期間意外達到基質材料的 膠凝點的可能性，意外達到基質材料的膠凝點將造成基質材料過早硬化。 其中聚焦至少兩個(即，兩個或更多個）能量束的聚焦區可以被稱作焦點。 在厚度方向上增強層壓材料的方法可以具有以下特點的任何組合(只要它們可兼 容）或其中的任一個。 增強元件可以由包括以下的組而形成：硼、碳、玻璃、碳化硅、氧化鋁、氮化鋁、剛性 酚醛塑料、剛性聚酰亞胺、剛性環氧化物、金屬、尼龍和這樣的材料的復合物。 增強元件可以由可與層壓材料的基質兼容的材料形成。 在本專利技術的一實施例中，增強元件被形成為平行側面圓柱（parallel sided cylinder)或纖維。在其它實施例中，元件可以具有其它幾何形狀，諸如錐形或其它形狀的 圓柱和/或可以帶凹槽或肋狀物。 在層壓材料中形成局部受熱區的步驟可以是通過將多于兩個能量束的集合聚焦 在聚焦區。這可以允許進一步減小每個單獨能量束的能量。 可以從能量束發射器發射能量束。 形成局部受熱區的步驟可包括：通過將能量束集合的相對應陣列聚焦到在需要在 厚度方向增強的位置處的聚焦區的相對應陣列上來形成局部受熱區的陣列；以及插入增強 元件的步驟可包括在與局部受熱區的陣列對應的位置處，將多個增強元件穿過層壓材料的 厚度插入。 任何合適數量的增強元件可以插入于層壓材料內。例如，數千增強元件可以插入 于層壓材料內。 能量束集合的陣列和聚焦區的相對應陣列可以線性地布置成一行。 該方法可以在插入多個增強元件的步驟之后，包括以下步驟：相對于能量束集合 的陣列和相對應的聚焦區陣列，將層壓材料平移到需要進行厚度方向增強的另一位置集 合。因此，另一增強元件集合然后可以插入于層壓材料內。然后可重復該過程任何合適次 數以將所需的增強元件(其中，它們例如可能是數百個）插入于層壓材料中。 在層壓材料中形成局部受熱區的步驟可包括：形成全厚度受熱區，其滲透穿過層 壓材料的整個厚度。 該方法還可包括在層壓材料中的局部受熱區中形成孔的步驟并且然后執行通過 將增強元件插入于孔內來插入增強元件的步驟。可以用針形成孔。 在層壓材料中形成局部受熱區和將增強元件穿過層壓本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種用來向包括基質材料的層壓材料提供厚度方向增強的方法，包括以下步驟：提供層壓材料；在所述層壓材料中形成局部受熱區以便通過使至少兩個能量束的集合聚焦在聚焦區上來局部地軟化所述基質材料，所述聚焦區對應于需要厚度方向增強的位置；以及在所述局部受熱區的位置處穿過所述層壓材料的厚度插入增強元件以在厚度方向上增強所述層壓材料。

【技術特征摘要】
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【專利技術屬性】
技術研發人員：MP杰文斯，
申請(專利權)人：勞斯萊斯有限公司，
類型：發明
國別省市：英國;GB