CN102481731A - 制造先进复合材料部件的方法 - Google Patents
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Abstract
在一个方面，本发明提供一种制造复合材料部件的方法，所述方法包括：向表面上施加树脂，所述树脂凝固形成树脂层，沿大体与所述树脂层平行的x方向提供增强手段，沿与所述x方向成一定角度并大体与所述树脂层平行的y方向提供增强手段，和在随后的制造步骤中在大体与所述x方向和y方向垂直的z方向上提供增强手段。在另一方面，本发明提供一种制造复合材料部件的方法，所述方法包括：在模具的模具表面上施加液化树脂，所述树脂凝固以在其上形成树脂层；在所述树脂层上安置复合材料叠层；将所述模具安置在第一和第二压力室之间，各个压力室具有可弹性变形的室壁，所述室壁安置为与安置在其间的模具成相对关系；另外在面向所述模具的相对表面上施加液化树脂，所述相对表面上的树脂凝固形成相对的树脂层，使得所述复合材料叠层可安置在所述树脂层之间；和使高压高温流体循环通过各个压力室，使得所述树脂层液化且所述复合材料叠层被压缩、为树脂所浸渍和固化。
Description
一般而言，本发明涉及由诸如玻璃纤维、碳纤维、“Kevlar”(注册商标)以及环氧树脂和其它树脂的复合材料形成的板部件和管状结构及其它先进复合材料部件的制造。
本发明采用在标准环境温度下呈固态的树脂。因此，本发明可以采用热固性树脂如环氧聚酯和丙烯酸类，在本申请中将使用这些材料来描述本发明。但也应理解，本发明也可采用热塑性材料如低温热塑性材料如聚丙烯、聚苯乙烯和聚乙烯及高温热塑性材料如PEEK聚醚醚酮。因此，在本申请中术语“树脂”应理解为是指该范围的材料。
在本申请人的国际申请PCT/AU02/00078中，描述了多种制造先进复合材料部件的不同方法和***。在所述方法之一中，室温下为固体的粘度非常高的树脂通过加热液化，然后被施加到模具表面。施加后，该树脂随后冷却和凝固，从而在模具表面上形成凝固树脂层。可通过采用位于模具下方且温度相对低的液体在其中循环的诸如管式冷却器或冷却囊的装置冷却模具表面来促进树脂的凝固。施加树脂的优选方法是采用喷射装置，其有助于确保在喷射程序中空气被冲击模具表面的液化树脂替代而远离模具表面，但如同作为本申请人的国际申请的一部分所预见的，可以采用一系列方法来向模具上施加熔融液体形式的树脂以确保其在凝固前均匀分布。一旦树脂层在模具表面上形成并凝固，然后可在凝固的树脂层上铺设布形式的纤维束层或组合构造的布层或预成型件和其它部件如吸胶布和优选至少一种树脂流率控制膜，以形成最终复合材料部件叠层。流率控制膜可铺设在树脂层和纤维束层之间或者在不同的纤维束层之间，以在随后的固化过程中控制树脂通过纤维束层的迁移速率。然后在最终复合材料部件叠层上铺设真空膜并密封到模具部分，使得可从真空膜下方的复合材料叠层抽出空气。树脂的固体性使得部件能被抽成完全真空，因此空气沿布内的开放通路抽出。在随后的固化过程中，向树脂和纤维束层施加热和压力，从而使树脂再次液化并允许纤维束层以受控的方式沉入液化的树脂中，使得在从部件移除所有空气之前不会填塞树脂流动通路。部件的这种受控润湿可通过利用横跨部件的一列热“热波”以确保空气从熔融树脂波前面移除的方式熔融树脂来促进。本申请人的专利所提及的高温、压力和振动可被施加到模具和复合材料叠层，由此还起到从复合材料叠层抽出任何残余空气的作用，使得所制造的最终先进复合材料部件的重量轻且强度和韧性高。
先向模具表面施加树脂具有如下多个优点：
a)最小化或避免其它制造方法如预浸渍、树脂膜熔渗(RFI)或树脂传递模塑(RTM)发生的模具表面和复合材料叠层之间空隙中的空气截留；
b)与其中需要树脂横跨部件从树脂进入点移到真空抽吸点的液体控制模塑技术如RTM或熔渗模塑(在许多情况下，大约数米)不同，树脂仅需要移动通过层合物的厚度(通常测得为毫米级)；
c)由于树脂呈连续层并具有受控的横跨部件的厚度，因此其可以受控的均匀方式上移通过并润湿部件而与部件的尺寸无关。这肯定与液体控制模塑方法(在许多情况下，必须采用多个树脂流以在树脂开始反应并开始增大粘度和硬化之前快速润湿部件)不同。这些多个树脂流必定在一些点处彼此接触，并在所述流的接触点处因这些点处性能的降低及沿流接触线的薄弱而有空气被截留在两个流之间的可能；
d)需要时，这更好地控制树脂向表面上的分布并使树脂向表面上的分布更均匀并且更精确，然后当熔融时移动通过纤维束而精确地润湿和填充层合物，从而最小化纤维束内干点的可能性并确保部件的所有部分中准确的树脂控制；
e)通过小心控制施加到模具和复合材料叠层的温度，并通过使用Kevlar遮蔽物(veil)，树脂通过复合材料叠层的迁移速率可得到更准确和更精确的控制；
f)由于在树脂熔融前可抽拉完全真空，因此使得所有空气从部件逸出或移除。因此，较少的气泡保留在根据该方法制造的成品复合材料部件中，因为空气会随着树脂逐渐移动通过并浸渍纤维束层而自然地移向复合材料叠层的上表面；
g)由于树脂不必行进从进入点到离开点的长距离，因此树脂不必具有低粘度或一致的粘度。因此，可用于该制造工艺的树脂与常规制造工艺如树脂转移模塑(RTM)中所用的树脂类型相比，购买成本通常较低并且是较长链的树脂类型。使用这类树脂使得复合材料产品的强度和韧性比用其它树脂制造的复合材料部件的强度和韧性大；和
h)可向模具表面上喷射不同类型的树脂。可向模具表面的不同区域上喷射不同的树脂。也可以交叠或共混的方式在模具表面上喷射不同的树脂层。
i)当含颜料或粉末的树脂处于加热状态时，可向表面施加这些含颜料或粉末的树脂层。这产生与涂漆或凝胶涂布表面等效的表面但无任何重量增加或树脂浪费，因为这将被拉进部件中以润湿部件而制造准备安装在飞行器或车辆上的基本部件。作为该方法的另一好处，部件的区域或边缘可以是凹进的并留下未固化/部分固化，以按本申请人的国际申请PCT/AU01/00224与另一部分合并。
因此，根据本申请人的方法制造的先进复合材料部件具有比用更常规的复合材料部件制造方法制造的部件优越的材料性能。
当在树脂层上铺设纤维束时，各个束内的纤维通常位于与树脂层的平面平行的平面中。可以在彼此的顶部上以十字形方式铺设不同的纤维束层，各个相邻层的纤维方向改变90度(我们分别称这些纤维方向为“x方向和y方向”)。因此，这些纤维倾向于在最终复合材料部件内主要在x方向和y方向上提供增强。但如能在垂直于纤维束的总平面的方向(称为“z方向”)上也提供增强将是有利的。由于z方向上也提供增强，因此这将使复合材料部件具有明显更大的耐分层性。
虽然在树脂和纤维束内分布纤维针状体或纳米颗粒以提供附加的增强(一些在z方向上)是已知的，但难以控制这些纤维/纳米颗粒在其移动通过层合物时的排列。实际上，使用纳米颗粒增强层合物已通过向凝固的树脂膜层添加纳米颗粒或向凝固的树脂膜层上撒纳米颗粒(称为树脂膜熔渗)，然后熔融树脂以使其可熔进层合物中、流经层合物并向上通过层合物层得到应用。这对于在层合物内提供纳米颗粒并在一定程度上排列它们是有效的。但其成本非常高，难以在复杂形状的部件上实现，并且当向模具表面施加超过一层凝固的树脂膜时其有效性有限，因为已经证明在树脂膜的层之间截留的空气非常难以移除。为克服这个问题，新近的工业研究和发展已集中在纳米颗粒和树脂熔渗的使用上，由此移动通过层合物的树脂照理应该拖拉纳米颗粒通过层合物并移除空气。这尚未成功，因为层合物滤出纳米颗粒并将其以团块或层的形式留下，并且在部件中从一端到另一端或者在从一侧到另一侧的整个厚度上根本没有排列，也没有均匀分布。在国际申请PCT/US2007/011914、PCT/US2007/011913和PCT/US2008/009996(这些申请均在Massachusetts Institute of Technology名下)中，描述了使用排列的纳米结构的方法，其可在z方向上提供增强。这些申请中所述的方法要求这些排列的纳米结构生长然后定位在相对的基材之间的界面中。因此这些方法难以实际应用。此外，该方法不能解决与从复合材料及从用来形成层合物的固体树脂膜层、模具表面和树脂层移除空气相关的困难。
基于这一点，根据本发明的一个方面，提供一种制造复合材料部件的方法，所述方法包括：向表面上施加液化树脂，所述树脂凝固形成树脂层，沿大体与所述树脂层平行的x方向提供增强手段，沿与所述x方向成一定角度并大体与所述树脂层平行的y方向提供增强手段，和在大体与所述x方向和y方向垂直的z方向上提供增强手段。
树脂可通过向表面上喷射液化树脂而施加到表面，然后所述树脂在表面上凝固。表面可自身由冷却空气或其它手段冷却以及通过模具壳(mould skin)来冷却以促进树脂凝固形成树脂层。
表面自身可由刚性模具的内腔提供。作为替代方案或此外，可在另一刚性表面如垫板或者柔性或可弹性变形的表面如真空袋壁上或者以网格布或柔性载体的形式提供表面以容纳树脂。
沿x方向和y方向的增强手段可由玻璃纤维、碳纤维或其它相似材料的纤维束层来提供。这些纤维束层可如将随后所述在最后的制造工艺之前铺设在树脂层上。在另一优选的方案中，例如在其中层合物需要位于芯的任一侧上的蜂窝芯的制造中，可将树脂层铺设在已经置于模具中的纤维束的上。在此实例中，可将树脂施加到模具面上并在树脂上布置纤维层，然后可在纤维层上布置芯，然后可在芯相对模具表面的相对侧上施加树脂层，优选喷射到表面上并凝固。该表面可以是真空袋、垫板或任何其它适合的容纳树脂的载体，树脂一旦熔融就被释放以提供润湿芯上层合物层的材料。该载体可被支承在冷却工具上并喷射在该工具上，以确保树脂在所需层合物厚度所需要的地点、区域和部分中凝固且树脂的厚度和载体的形状与当其覆盖芯、泡沫、蜂窝等的部分时所形成的部件内壳的近似形状和厚度相当。
沿z方向的增强手段可通过在仍“湿”时在树脂层上分布0.05-1mm短长度的增强纤维形式的纤维针状体来提供。产生所述纤维的切割器可与常规玻璃纤维短切枪相似但在规模上小得多，并可例如用来在树脂层仍热时向树脂层上喷射许多均匀分布的纤维针状体。或者作为替代方案，可以铺设树脂层并凝固，然后向表面施加来由热风枪的热风以重新液化树脂的最外层，使得针状体嵌入其中。热风枪和切割枪可集成在一起以使工艺可以紧密的顺序彼此邻近地进行。针状体至少部分地以大体与树脂层的表面成一定角度的方向嵌入树脂层中，从而在树脂层上形成“蓬松的”表面。然后可采用本申请人的方法施加更多的树脂、润湿和封装针状体和/或纳米颗粒并移除截留在颗粒林内的空气。
因此，一旦层合物层/预组装体(prepack)就位、空气被移除且树脂熔融并流进层合物中，针状体就在铺设在树脂层顶部上的纤维束的纤维之间渗透。纤维束内的纤维通常如前所述在x方向和y方向上延伸，而针状体通常在z方向上延伸。因此，针状体起到将最终的先进复合材料部件中的纤维束的增强纤维捆绑在一起的作用，从而通过在z方向上提供增强而改善耐分层性。
作为替代方案，沿z方向的增强手段可呈分布到当仍处于液态时的树脂内或树脂层表面上的纳米颗粒的形式。这些纳米颗粒可由尺寸为纳米级的碳纳米管形成。可提供振动装置以振动树脂层，从而使得纳米颗粒更均匀地分布和分散在树脂层上或树脂层内以及破碎任何纳米颗粒团块。由于纳米管的尺寸为纳米级，因此在后续制造工艺中当树脂层再次液化时，其可以以流的形式向上行进通过树脂以及纤维束的纤维之间。这些纳米管也可经过位于树脂层上或纤维束之间的任何树脂控制遮蔽物，从而使其自身大体沿z方向排列。因此，这些纳米管在树脂固化后在最终复合材料部件中起到在z方向上提供增强的作用。但行进距离越大，纳米颗粒越被打乱、阻塞、过滤、分散和排列越不整齐。因此，如MIT专利中所述一开始即排列颗粒的好处随纳米颗粒为润湿部件而必须行进的距离而减小。
在一个优选实施方案中，可使用不同尺寸的纳米管。因此，纳米管的移动可通过使用一个或多个树脂流率控制膜来控制，所述膜仅允许特定尺寸的纳米管在其间通过。因此，较大的纳米管不能通过而保留在膜后的区域中。这可更精确地控制最终复合材料部件中纳米管的分布。
此外，树脂控制层还可包含或有助于部件中纳米颗粒的含量；随着树脂被向上拉动和/或流动通过树脂控制层，树脂可使控制层中所含纳米颗粒移出控制层而进入邻近的层合物中。这样，树脂可用来将纳米颗粒或纤维针状体从树脂控制层分散到层合物中。
优选可施加超过一个树脂层，各个层具有不同的物理性质。这可通过在下面的先前施加的树脂层上依次沉积不同类型并具有不同添加剂的树脂来实现。例如，可以如下顺序沉积不同的树脂层。第一沉积层可包含抗UV和颜色的添加剂，或者可以是为该层提供更高的抗划性的树脂类型。下一沉积层可包含增韧添加剂，下一层可以是增强添加剂，再下一层是高温添加剂，最后的沉积层可包含例如阻燃化学添加剂。树脂层还可包含雷击(lightning strike)添加剂如炭黑，对于用在飞行器结构中来说，其在导电性方面有利。根据本发明制造的最终复合材料部件可在部件的厚度上和/或沿部件的长度具有不同的物理性质。
与采用常规方法制造的复合材料部件相比，预期根据本发明制造的先进复合材料部件改善层间剪切和韧性，从而改善层合强度。还预期其适应特定区域中特定部件的化学、电学或力学要求。
在本申请人的国际申请PCT/AU02/00078中，用来压实和固化复合材料叠层的***包括用以将模具支承在相对的压力室之间的装置。各个压力室包括可弹性变形的室壁，高温高压流体循环通过各个压力室。该***特别适用于制造其中向模具表面施加液化树脂以形成固体树脂层的先进复合材料部件。但根据本发明的方法涵盖在其它表面上施加树脂。
因此，根据本发明的另一方面，提供一种制造复合材料部件的方法，所述方法包括：在模具的模具表面上施加液化树脂，所述树脂凝固以在其上形成树脂层；在树脂层上安置复合材料叠层；将模具安置在第一和第二压力室之间，各个压力室具有可弹性变形的室壁，室壁以与安置在其间的模具组件相对的关系安置；另外在面向模具的相对表面上施加液化树脂，相对表面上的树脂凝固形成相对树脂层，使得复合材料叠层可安置在所述树脂层之间；和使高压高温流体循环通过各个压力室，使得树脂层液化且复合材料叠层被压缩、为树脂所浸渍(可被振动)和固化。
液化树脂可被施加到所述压力室的可弹性变形室壁上。作为替代方案，当使用真空袋来从复合材料叠层抽吸空气以加固复合材料叠层时，可将树脂施加到面向复合材料叠层的真空袋一侧。
如上所述，施加树脂的优选方法是向表面上喷射液化树脂。可向各个表面施加超过一个树脂层，各个随后得到的树脂层可具有不同的材料性质。
此外，如上所述在z方向上提供增强的增强手段也可在相对树脂层中提供。
相应地，如果层合物从两个方向得到润湿且树脂从模具面侧和真空袋、载体或垫板侧会合，则施加到模具相对侧的树脂以其在层合物内所需最终位置的顺序沉积在载体上。
复合材料叠层可由夹在相对纤维束层之间的中央芯层来提供。可在中央芯层和纤维束层之间提供树脂流率控制膜以控制或防止树脂浸渍中央芯层。根据该方法制造的复合材料部件将具有在其相对侧上覆盖有纤维增强壳的中央芯层。
作为替代方案，复合材料叠层可由“预组装体”提供，所述“预组装体”由预成形为所需形状的纤维束层制成并包括部件如连接耳及待嵌入最终复合材料部件中的其它机械部件。形成预组装体的纤维束层可具有胶料以使预组装体在固化前保持其预成形形状。由于预组装体的横截面宽度/厚度上可显著变化，一些横截面明显比其它的厚10mm以上，因此单靠在模具表面和内表面上布置树脂不总是能确保固化工艺中充分的树脂浸渍。此外，在纤维束层的“z”方向上可能不能提供足够的增强。因此，本发明的优选特征是直接在复合材料叠层和/或待嵌入复合材料叠层中并形成复合材料叠层的一部分的载体上再施加液化树脂。因此，这在复合材料叠层的较厚区域上提供额外所需的树脂。此外，如果在预组装体被组装时将熔融液体树脂喷射到预组装体上，则树脂凝固时起到像热熔胶一样的作用，而在处理和向模具中放置过程中以及作为固化工艺的一部分当周围的树脂层再次液化时有助于使复合材料叠层的多层预组装体保持在一起。本领域技术人员应理解，此时仅可添加有限量的树脂，以确保在施加真空且热波在部件上移动以从层合物移除最后的空气之前树脂不封闭或填塞通过预组装体的排气通道。
此外，喷射到复合材料叠层上的树脂可包括诸如纳米颗粒或针状体的增强手段。因此，在随后的固化工艺中，纳米颗粒可迁移通过复合材料叠层以在“z”方向上提供必要的增强。
该制造方法可特别用于制造具有中央芯层或连接耳及形成在部件内的其它装置的更复杂的复合材料部件。在航空应用中，由于其重量轻且阻燃性高，Nomex(注册商标)蜂窝层常被用于形成飞行器板内的中央芯。板在中央芯的相对面上具有纤维增强的壳。这样的板可容易地使本发明的方法形成，其中复合材料叠层由芯的相对面上布置有纤维束层的Nomex中央芯形成。也可在中央芯层和纤维束层之间安置树脂控制遮蔽物以控制或防止树脂进入到中央芯层中。
如上所述，当先前凝固的树脂熔融时，任何保留在纤维束中的空气随纤维束沉入树脂中而被抽出。空气的抽出可通过以垂直排列安置树脂层和复合材料叠层并从下到上逐渐液化树脂层来促进。这产生迫使空气向上并离开纤维束的“树脂波”，从而进一步减少保留在最终复合材料部件内的气泡的量。这可通过使用其中液体逐渐填充各个压力室使得所述或各个树脂层从其最低部分向其最高部分被逐渐加热的上述***来实现。这提供沿模具及因此树脂层和复合材料叠层的“热波”。
因此，根据本发明的又一方面，提供一种制造复合材料部件的方法，所述方法包括：在模具的模具表面上施加液化树脂，所述树脂凝固以在其上形成树脂层；在树脂层上安置复合材料叠层；
将模具安置在第一和第二压力室之间，各个压力室具有可弹性变形的室壁，室壁安置为与安置在其间的模具成相对关系并以大体与安置在其间的模具垂直的方向排列；
使高压高温流体循环通过各个压力室，使得树脂层液化，复合材料叠层被压缩、为树脂所浸渍和固化；
其中压力室一开始就逐渐填充有所述流体，使得树脂层从其底部向上逐渐液化。
这种方法促进空气从纤维束抽出。
也可优选将使用上述***制造先进复合材料部件分成高温和低温制造区。
为此，根据本发明的又一方面，提供一种制造复合材料部件的方法，所述方法包括：在模具的模具表面上施加液化树脂，所述树脂凝固以在其上形成树脂层；将模具安置在第一和第二压力室之间，各个压力室具有可弹性变形的室壁，室壁安置为与安置在其间的模具成相对关系；使高压高温流体循环通过各个压力室，使得树脂层液化，复合材料叠层被压缩、为树脂所浸渍和固化；其中第一和第二压力室连续地保持在高温下，并且在外部远离所述压力室冷却模具。
可使制造装置内的温度保持在较高温度下，使得在各个固化操作之间不必再加热制造装置而只有模具经历需要加热和冷却的固化循环，这仅在支承树脂层和复合材料叠层的模具被***装置中并被压缩和加热时需要施加最少的能量以加热和冷却模具。因此，固化循环在压力室内被分开，其管道保持为热的而只有包含部件的模具被加热和冷却；因此可以从装置中取出模具并在单独的区中冷却，使得不必使较低温度的流体在装置中循环以冷却整个装置和已固化的复合材料部件。模具可以例如由机器手从热的压力室中取出并放置在冷却液体在其中循环的冷却囊上，从而实现模具的受控冷却。这具有额外的优点，因为因不均匀冷却而导致的高应力水平及复合材料部件的固化树脂内发生的微裂即“龟裂”的可能性较低。因此，不再需要为下一模具而再加热制造装置压力室，从而促进制造工艺中较快的循环时间和较低的能量损耗。使用模具载体作为冷却区以通过在冷却周期过程中使模具从一个位置移动到另一位置而节省时间可能有利。可能没必要为第一制造部件冷却模具，但对于连续制造，这是工艺不可分割的一部分，否则模具将长时间是热的，使得树脂在与模具接触时不能凝固而降低制造速度。
可方便地参照附图进一步描述本发明，附图示出了根据本发明的制造先进复合材料部件的方法的一个优选实施方案。本发明可以有其它实施方案，因此附图的特殊性不应理解为替代本发明的前述描述的一般性。
在附图中：
图1为根据本发明的模具和树脂层的部分横截面侧视图；
图2为图1的模具的部分横截面侧视图，其中树脂层上安置有纤维束和流动控制遮蔽物以形成复合材料叠层；
图3为图2的模具和复合材料叠层的部分横截面侧视图，示出了根据本发明的固化工艺中纳米颗粒的转移方向；
图4为根据本发明的制造装置的模具、复合材料叠层和相对的压力室壁的部分横截面侧视图；
图5(a)到(g)示出了根据本发明的制造工艺中的各个阶段；和
图6示出了被组装的预组装体，其中经加热的树脂被喷射到层之间以稳定各层并随着树脂冷却和凝固而将各层粘附在一起。
首先参照图1，示出了具有模具表面2的模具1截面。凝固的树脂层3已被施加到模具表面2上。树脂层3自身由具有不同物理特性的不同树脂层5、7、9、11形成。例如，与模具表面2紧邻的层5可由固化时可具有高抗划性的树脂层提供。与第一层5相邻的下一层7可以是树脂和炭黑的混合物以为复合材料部件提供抗雷击性。下一层9可包含增韧剂以帮助提高最终复合材料部件的强度。最后的最外层11可包含阻燃添加剂。根据复合材料部件的应用还预期树脂层的不同组合。
根据本发明方法的一个优选实施方案，可将增强纤维针状体喷射到仍然湿的树脂层3上，使得针状体至少部分地嵌入树脂层中。这为树脂层3提供蓬松的上表面，该蓬松表面由纤维针状体沿大体与模具表面2垂直的方向(称为z方向)向上并远离树脂层3延伸形成。
根据本发明方法的另一优选实施方案，可向树脂层3中混入碳纳米管形式的纳米颗粒。可提供振动装置以振动模具1，从而帮助纳米管在树脂层3内更均匀分布以及破碎纳米管的团块。也预期可将纳米颗粒分布在树脂层3的最上表面15上。
图2示出了根据本发明方法的下一步，其中在树脂层3上铺设多个不同纤维束17、19的层。纤维束17、19以十字形方式铺设，使得各个纤维束层中的纤维大体相对于彼此排列成90度。因此，最靠近树脂层的纤维束17的纤维以垂直纸面向内(看图2时)的方向延伸，而下一纤维束层19的纤维以与第一纤维束17的纤维成90度延伸，因此横跨纸面(看图2时)。接下来的三个纤维束层17、19重复此布置。可在树脂层3和第一纤维束层17之间安置Kevlar遮蔽物21。还可在远离模具表面2的最上面的两个纤维束层17、19之间安置第二Kevlar遮蔽物21。当树脂层3因施加到模具和复合材料叠层的热而开始液化时，这些Kevlar遮蔽物在固化工艺中起到控制树脂通过纤维束层的流率的作用。
图3示出了固化工艺中复合材料叠层6。真空袋(未示出)铺设在复合材料叠层6上。在施加热并使树脂层3液化之前，抽成完全真空以利用纤维束17、19中存在的自由通路移除叠层6的所有空气。如果部件在空气被抽出之前已被润湿，则湿的树脂将以不受控的方式向上移动而封堵空气通路，从而在所有空气被移除之前即阻止整个叠层6的排气。此外，需要将纤维束加热到适当的温度以被树脂润湿。因此，随着热和压力被施加到复合材料叠层6，树脂层3开始液化，纤维束17、19如箭头10所示开始沉入树脂层中并被树脂层润湿。
在其中纤维针状体嵌入树脂层3的上表面中的方法中，当纤维束初始被安置在树脂层3上时，纤维针状体自身嵌入纤维束中。在固化工艺中，这些针状体有助于使各纤维束锁在一起，从而在z方向上提供增强。
在其中纳米颗粒分布在树脂层3中的方法中，随着热和压力被施加到复合材料叠层，纳米颗粒开始与液体树脂一起流过纤维束。这由箭头8示出。Kevlar遮蔽物21起到控制树脂和纳米颗粒迁移速率的作用，并起到控制流动和捕获任何到达最外面遮蔽物的纳米颗粒从而阻止其进一步行进的作用。此外，遮蔽物21可起到过滤各种纳米颗粒的作用，并且需要聚集在各个层例如抗划层、抗雷击层、增韧层和阻燃层处的不同类型和尺寸的纳米颗粒可根据需要分别被分离出来。当复合材料部件完全固化时，纳米颗粒起到在z方向上增强部件和/或根据需要提供特定性质的作用。
可使用本申请人的国际申请PCT/AU02/00078中描述的制造装置(其详细内容通过引用并入本文中)来固化根据本发明制备的复合材料叠层。但应理解，可以使用更常规的制造方法和***来固化该复合材料叠层。本申请人的制造装置采用在制造工艺中高温高压液体在其中循环的相对压力室。模具1可被安置在各个压力室的相对压力室壁之间。图4更详细地示出了在根据本发明复合材料部件的制造中使用该制造装置。在模具1上施加树脂层3。然后可在模具1和树脂层3上铺设复合材料叠层6。然后在叠层6上铺设真空袋23，并从真空袋23下方抽吸空气以提供叠层6的初始压实以及从叠层6抽出空气。根据一个优选方案，可在真空袋23面向复合材料叠层6的表面上预先沉积第二树脂层25。作为替代方案，在其中使用垫板或载体的情况下，可在垫板面向叠层6的表面上预先沉积第二树脂层25。在图4中，在固化工艺开始前复合材料叠层6安置在相对的树脂层3、25之间。复合材料叠层6可包括例如由Nomex蜂窝芯提供的中央芯层27。在中央芯层27的相对侧上提供纤维束层17，在中央芯层27和各个纤维束层17之间提供Kevlar遮蔽物21。
在制造装置内固化工艺中，模具1和垫板或真空袋23上的树脂层液化并分别浸渍相邻的纤维束层17。Kevlar遮蔽物21起到最小化或防止树脂浸渍进Normex芯27中的作用。所得复合材料部件包括相对侧上覆盖有纤维增强壳的中央芯27，在这种情况下为Nomex蜂窝层。这样的板特别适用于航空应用。
为制造高品质复合材料部件，模具1和压力室壁23可以大体竖直的方向排列。在制造工艺的初始阶段中，各个压力室逐渐填充有加热的流体，使得树脂层23、25从其最下部分向最上部分逐渐被加热。因此，树脂层3、25从底部向上逐渐液化，从而产生沿部件向上并通过纤维束层17逐渐前进的熔融树脂波。随着纤维束17逐渐被液化树脂所浸渍，这确保空气向上排出离开纤维束17。这有助于最小化最终复合材料部件的纤维增强壳内任何残留气泡，从而得到改进的物理特性。压力室的这种横跨树脂层并沿部件从下到上产生“热波”的渐进式填充当然可用在仅一个或多个树脂层需要液化之时。
图5(a)到(g)示出了根据本发明制造工艺中所包括的各种步骤。一开始将模具1布置在台车27上，如图5(a)中所示，使模具的模具表面2朝上。台车27包括冷却装置以降低模具表面2的温度，从而促进树脂层3冷却和凝固。该冷却装置可以呈安置在模具1下方的空气冷却鼓风机或冷却囊，或者安置在模具内或台车27自身的台面部分内的冷却管的形式。
将台车27移到喷射间29中，在这里喷嘴30向模具表面2上喷射液化树脂。该树脂在模具表面2上凝固形成树脂层3。如上所述，树脂层3自身可由所喷射的不同树脂层形成，这些树脂层相继喷射在彼此之上并具有不同的物理特性。
在喷射完成且树脂层3已凝固后，安置由纤维束层组件形成的预组装体31，所述纤维束层通过胶料或通过预先喷射在纤维束上的凝固树脂滴(树脂凝固，从而使纤维束保持在一起)保持在一起。当最终固化复合材料部件内需要时，也可向预组装体31之上或之中的区域喷射或以其它方式分布纳米管。
在预组装体31和模具1上铺放真空袋33，如图5(d)中所示。空气从真空袋33下方抽出，以从预组装体31内吸出大部分空气以及提供预组装体31的初步压实。
然后从台车27取下包括预组装体31和真空袋33的模具组件34并如图5(e)中所示置于制造装置35中。该制造装置包括相对的下部和上部压力室37、39，各个压力室具有可弹性变形的压力室壁23。压力室37、39由铰链41相连，以使模具组件34可被安置在相对的压力室壁23之间。制造装置35保持在高操作温度下，使得不必在各个固化循环过程中再加热装置。这与本申请人的国际申请PCT/AU02/00078中描述的制造装置(其还需要在不同的运行温度之间循环，从而导致循环时间长，因此制造周期长且能源成本高)的操作不同。压力室37、39可用氮气加压以对模具和层合物提供压实压力，其后逐渐向压力室中引入热液体，压力室保持倾斜状态，从而利用热波从下到上逐渐使树脂层3液化，从而如上所述促进移除任何残留空气。应指出，通过施加作用于熔融树脂的HTF流体柱压力并使熔融树脂保持其喷射状态，此竖直或半竖直状态操作工艺得到增强。该平衡密度效应在本申请人的专利申请2006265783中描述，如果无此平衡效应，熔融树脂将倾向于向模具面下流动并向下“芯吸”到部件的底部。在另一压力室壁23上提供定位销43，以使模具组件34保持就位于制造装置35内，如图5(f)中所示。然后如图5(g)中所示将上部压力室盖在下部压力室上以实施固化循环。在固化循环结束时，从压力室泵出热流体并从模具回收与模具1接触的囊，从而从模具释放压实压力。一旦收回囊，即可打开压力室37和39并由机器手从制造装置35取走处于热状态的部件并置于台车上以冷却。台车上的冷却装置促进复合材料部件的快速冷却，从而最小化部件中龟裂的可能性。
图6更详细地示出了预组装体31的组装。在开放结构(open form)50或“maule”上铺设相继的纤维束层49。当液化树脂通过树脂枪51喷射到纤维层上时，真空使层保持在开放结构50上。该树脂枪通过混合头52喷射热树脂，树脂管线53和硬化剂管线55分别向混合头52供给加热的树脂和硬化剂。在喷射树脂的前一层上相继铺设其它纤维束层49。
应理解，当形成具有更复杂形状和厚度的复合材料部件时，中央芯层27可用预组装体31替代。预组装体31也可被预先喷射有包含增强手段如纳米颗粒的液化树脂。在后续的固化工艺中，该树脂凝固时将起到将预组装体31结合在一起的作用。此外，预组装体31中额外的树脂将再次液化以帮助预组装体31的浸渍，同时确保有足够的纳米颗粒进入预组装体31的内部以如上所述在z方向上提供必要的增强。
对于本领域技术人员来说显而易见的修改和变化涵盖在由所附权利要求所限定的本发明范围内。
Claims (12)
1.一种制造复合材料部件的方法，所述方法包括：向表面上施加树脂，所述树脂凝固形成树脂层；沿大体与所述树脂层平行的x方向提供增强手段；沿与所述x方向成一定角度并大体与所述树脂层平行的y方向提供增强手段；和在大体与所述x方向和y方向垂直的z方向上提供增强手段。
2.一种制造复合材料部件的方法，所述方法包括：在模具的模具表面上施加液化树脂，所述树脂凝固以在其上形成树脂层；在所述树脂层上安置复合材料叠层；将所述模具安置在第一和第二压力室之间，各个压力室具有可弹性变形的室壁，所述室壁安置为与安置在其间的所述模具成相对关系；另外在面向所述模具的相对表面上施加液化树脂，所述相对表面上的树脂凝固形成相对的树脂层，使得所述复合材料叠层可安置在所述树脂层之间；和使高压高温流体循环通过各个压力室，使得所述树脂层液化且所述复合材料叠层被压缩、为树脂所浸渍和固化。
3.一种制造复合材料部件的方法，所述方法包括：在模具的模具表面上施加液化树脂，所述树脂凝固以在其上形成树脂层；在所述树脂层上安置复合材料叠层；
将所述模具安置在第一和第二压力室之间，各个压力室具有可弹性变形的室壁，所述室壁安置为与安置在其间的所述模具成相对关系并以大体与安置在其间的所述模具垂直的方向排列；
使高压高温流体循环通过各个压力室，使得所述树脂层液化，所述复合材料叠层被压缩、为树脂所浸渍和固化；
其中所述压力室一开始逐渐填充有所述流体，使得所述树脂层从其底部向上逐渐液化。
4.根据权利要求3所述的方法，所述方法还包括在面向所述模具的相对表面上施加液化树脂，所述相对表面上的树脂凝固形成相对的树脂层，使得所述复合材料叠层安置在所述树脂层之间。
5.一种制造复合材料部件的方法，所述方法包括：在模具的模具表面上施加液化树脂，所述树脂凝固以在其上形成树脂层；将所述模具安置在第一和第二压力室之间，各个压力室具有可弹性变形的室壁，所述室壁安置为与安置在其间的所述模具成相对关系；使高压高温流体循环通过各个压力室，使得所述树脂层液化，所述复合材料叠层被压缩、为树脂所浸渍和固化；其中所述第一和第二压力室连续地保持在高温下，并且在外部远离所述压力室冷却所述模具。
6.根据权利要求5所述的方法，其中将所述模具从所述压力室之间取走并置于冷却装置上以冷却固化的复合材料部件。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中将所述树脂喷射到所述表面上。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述增强手段包括分布在所述树脂层上的纤维针状体。
9.根据权利要求1-7中任一项所述的方法，其中所述增强手段包括分布在整个所述树脂层中的碳纳米管形式的纳米颗粒。
10.根据权利要求9所述的方法，所述方法包括振动所述表面和所述树脂层以使所述纳米颗粒分布在整个所述树脂层中。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在所述表面上或已在先前施加的所述树脂层上依次喷射不同类型并具有不同添加剂的树脂。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述不同的树脂层包括抗划层、增韧剂层、雷击层或阻燃层中的至少一种以适合机械要求。
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