CN1101751C - 复合蜂窝夹层结构及制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明利用复合叠层(102)和芯(106)之间的一个非支撑胶粘层(108)，一个阻挡层(110)和一个交织支撑的胶粘层(112)，来避免夹层结构中的树脂流入蜂窝的蜂室内，本发明通过将树脂保持在叠层内，而不让它流失到蜂窝芯室来产生重量轻且机械性能改进的和可预示结构特征的优质面板。通过阻止系紧胶合层相对于型芯的滑动，以及压热固化时互相的滑动来减少复合蜂窝结构的内芯的破碎和胶合层起皱。本发明生产重量轻，改进机械性能的，可预示结构性能的优质面板。制造方法包括，在完全整平轮廓外侧的部件边缘将胶粘层加到系紧胶合层上，在压热加热时，在加高压到复合结构之前，胶粘层固化，在胶合层之间形成对型芯的粘结，在加压时系紧胶合层一起系紧到型芯，以阻止面板内任何层之间的滑动。

Description

复合蜂窝夹层结构及制造方法
技术领域
本发明涉及复合蜂窝夹层结构及制造方法，尤其是受树脂浸渍的织物片层，它所形成的外表层粘结在具有中间阻挡层的蜂窝芯的相对表面上，以此不让树脂从表层流到蜂窝芯。
背景技术
当今航天蜂窝芯夹层面板(具有复合叠层表层，通过压热处理(autoclaveprocessing)用胶粘剂固化至芯)得到广泛使用，因为这种面板提供高韧度-重量比(即，比韧性)和强度-重量比(即，比强度)。典型的蜂窝芯夹层面板已在美国专利第5,284,702，4,622,091和4,353,947号中作出描述。在Alteneder等人的“蜂窝状复合结构的加工和特性研究”一文中(第38届国际SAMPE研讨会，1993年5月10-13日(PCL Internal No.200-1/93-AWA))对这些面板的共同问题进行了讨论，这些问题包括窝芯损坏(即芯的破坏)，表面叠层孔隙度以及差的机械表面光洁度。
美国专利第5,455,861号描述用于声吸收(声隔离)和其它用途的复合叠层结构。这种叠层结构有七层，它们如下：
(1)一层外表层；
(2)一个小蜂室的蜂窝或多孔芯；
(3)一层前侧的内中隔层；
(4)一个大蜂室中等的蜂窝芯；
(5)一层后侧的内中隔层；
(6)一个后侧，小蜂室蜂窝或多孔芯；
(7)一层内表层。
中间蜂窝芯内的调谐腔吸收体吸声。这种结构的性能，基于已讨论过的理由，其在加工时受到树脂流至蜂窝芯的蜂室的影响，因为这种流动将改变结构的共振特性。
发明概述
用一种高流动的树脂***，在压热处理期间大量的树脂可能流入芯内。这种流动使树脂从叠层中失去，使树脂在面板中导致重量的损失，从而不能取得所需的性能，并且对整个叠层层片的设计均需要考虑到这种流动损失。树脂从叠层层片的流失也会降低固化层片的厚度，这种降低对机械性能有影响。为了取得所需的性能和相应的叠层厚度，就需要附加层片，导致成本和重量的增加。因为在现代飞机中重量的增加直接危及飞行器的性能和成本。由于这种流动是一种相对来说不可预见的和不可控的过程。所以航天设计和制造要求消除这种流入芯内的流动或者非常地少。除了树脂流入芯的重量损失外，我们发现由流动的树脂引起的微观裂纹有可能传播到粘结的轮廓线，有损其机械性能。这种微观裂纹的势能对面板的完整性具有灾难性的威胁。因此，要求消除这种流动或者至少能予以控制。
从叠层到芯的流动，其出现是由于在提高的处理温度时，树脂的粘度下降(即变稀)所致。所以现有技术解决流动问题的努力通常集中于使固化温度时树脂保持在环境温度时的粘度。例如，一种办法是改变处理周期，在慢升温的低压步骤过程中使树脂固化，在高温高压完成之前使树脂链增长，在该阶段的固化期间，有可能通过低温的条件增长分子量来保持树脂的粘度。较高分子量的树脂也具有较高的粘度，所以使他们保持更粘稠，可以阻止树脂至芯的有害流动。采用分阶段的固化周期，仍会出现较多的流动，而且潜在的微观裂纹问题仍然存在。同样，面层片的孔隙可能会增加，超出可接受的限度。还有，一种变动的固化周期会增加压热处理的时间，使加工成本明显增加，并具有在完全不受控制和不充分了解具体情况下加工高价值部件的危险。
我们利用高流动树脂消除树脂(基质)流入叠层结构的蜂窝芯内，并在夹层面板加工中取得再现性和可预示性，从而对最终面板的结构性能具有信心。我们采用交织物支撑的阻挡层，它设置在加强纤维树脂复合叠层和蜂窝芯之间，这种夹层结构相比于已有的面板在相同特性下是比较轻的。因为树脂保持在提供结构强度的叠层(表层)内，而不是流到对结构强度无意义的芯内，同时不会使面板过重和失效。通常，我们也使用位于阻挡层和叠层之间的一层未支撑的胶粘层，以把叠层粘结到阻挡层上，采用上述这些层(它们可以结合形成一种产品)，可以取得改进的性能，使树脂保留在叠层内，由此减少过量的树脂，设计者也不需设计面板时考虑树脂流入芯内，并可靠地加工具有满意结构的面板。
在固化具有交织物支撑的阻挡层(scrim-supported barrier film)的面板时，尤其在试用较轻重量芯材料时，在蜂窝芯的斜棱面区经常会出现芯破碎。对此，我们可以利用与位于阻挡层(和胶粘层)下面的芯相接触的系紧胶合层(tiedown ply)来减少芯的破碎。因为，在固化时系紧胶合层可减少阻挡层相对于芯的滑动。
本发明控制芯的滑动，允许我们利用较轻密度的蜂窝芯制作芯结构，不致于由于芯的压碎而使昂贵的材料成废料。我们通过节省时间，材料和再加工或碎料利用，以及通过提高生产具有特殊强度的韧度的航天质量面板的制造过程可靠性来降低制造成本。
附加的系紧胶合层意味着最终预制的面板中包括三个或多个系紧胶合层。在通常的实际操作中，在面板的外表面上，也可能在叠层和胶粘阻挡层之间存在系紧胶合层。每层系紧胶合层自部件向外伸出超过成品的完全平整的轮廓。通常，系紧胶合层单独固牢，并且经常利用纤维带敷设型心。尤其在使用低密度芯时，将松驰的胶合层彼此固定，并固定到型心，这一点很重要。纤维带的失效会导致面板内胶合层起皱或芯破碎，芯的破碎也偶然出现在与芯接触的系紧胶合层与固连到型心的纤维带拉离时，此时系紧胶合层相对于其它的系紧胶合层滑动。单独纤维带的粘结强度不足以克服受到外加压热处理加压时作用在面板内芯上的力。我们发现，怎样使系紧胶合层粘结互相可靠，容易和价廉。通过将胶合层互相粘结，将力沿着整个系紧胶合层均匀地作用到单独的系紧层上，减少由系紧胶合层粘结到芯时纤维带所带来的最大力。在对复合蜂窝夹层结构描述时，粘结层常用包括用在复合结构中系紧胶合层的各种应用。
由此，一方面本发明涉及一种制造复合结构，尤其复合蜂窝夹层结构的改进，在夹层结构中，系紧胶合层用于在高温高压下进行热压固化时固连部件，为使系紧胶合层固定在一起，使一层胶合层相对于另一层不产生运动，我们利用一种较低温度固化的胶粘剂进行固化，并在加压之前压热固化的最初阶段将几层胶合剂连接在一起。我们将胶粘剂加到部件的完全整平的轮廓的外侧，从而在精加工部件时，可除去胶粘剂。
另一方面，本发明涉及在构成复合结构时，尤其对蜂窝夹层结构，在高温和高压进行压热处理时，将系紧胶合层粘结到另一层。常用的将系紧胶合层只粘结到芯的操作不令人满意，因为这种粘贴必需满足可以阻止任何一系紧层，或一层相对于另一层的滑移。我们发现，我们可以有效地将系紧胶合层粘结到另一层，利用只在部件的外露的整平轮廓之外系紧胶合层之间加上一种低温固化胶粘层，以减小作用在胶带上的最大力。在压热过程中，这种膜层粘结剂在低于叠层内的树脂温度不熔化和固化，从而在叠层树脂流动和固化的较高温度在增加压热压力之前，就使系紧胶合层结合在一起。膜层粘结剂消除系紧胶合层相对于另一层作运动，在我们选用双-顺丁烯二酰亚胺(BMI)夹层结构面板的实例中，我们选用一种胶粘剂，它在温度约为250°F(121℃)时固化，对BMI在约375°F(191℃)固化，二次固化约在440°F。
附图的简要说明
图1表示典型的复合蜂窝夹层结构。
图2是表示具有交织物支撑的阻止树脂从表层至芯流动的阻挡层的夹层结构中表层-芯界面的局部剖视图。
图3是表示已有技术蜂窝夹层结构的部分剖视图，利用没有阻挡层的支撑胶粘层，树脂流入芯内。
图4是表示树脂在表层内倒空，但由鼓起的非支撑的阻挡层阻止树脂到达芯的夹层结构的局部剖视图。
图5是表示由于芯和阻挡层滑动引起蜂窝夹层面板的芯破碎的切面图。
图6是另一个表示利用系紧胶合层以降低芯破碎的切面图。
图7是典型的制作复合蜂窝夹层面板的压热固化周期的曲线图，表示在加高压周期之前系紧粘结剂固化的情况。
优选实施方式的详细描述
作为本发明的参照***，我们将先介绍典型的复合夹层结构，然后再回到本发明的可靠地将系紧胶合层粘结在一起的方法。
一种复合的蜂窝夹层面板可减少，消除或明显降低树脂从叠层到芯的流动，只需要一个较简单的加工周期，就能适合航天结构件的制造。这种夹层面板100(图1)，通常有外面板或表层102，被粘结到一个中心蜂窝芯106上。表层102包括多层加强纤维的有机基质树脂的叠层，他们以一种固化的和牢固的复合结构形式出现。芯106可以是纸材，合成纸材，金属，组合物等，根据应用来选择。在本发明的面板中，我们取得较高的比强度和比韧性的面板，因为我们在芯106和表层102之间至少加入一层系紧胶合剂来减少芯和表面之间经常会出现的损害性滑动，以此降低压热固化时芯的破碎。
为了阻止树脂从复合叠层表面至芯的流动，我们在表层102和芯106之间使用一层无支撑的胶粘层108(图2)，一层阻挡层110和一层交织物支撑的胶粘层112，以不使树脂流入芯106的蜂窝室114内。
图3表示树脂进入芯的问题，它是只在使用胶粘层112而没有阻挡层110和胶粘层108时可能出现的问题。蜂窝的蜂室114进入树脂118，树脂118从叠层移动，于是倒空表层102内的树脂，树脂的倒空会影响结构的性能，因为它将降低胶合层厚度。树脂倒空将增加总重量，这是由于蜂室内树脂118完全是无用之物。在所有情况中，非受控的树脂流动和倒空会使面板不能使用。尤其是在热加工期间，蜂室树脂118中开始出现的微裂纹，并移动到纤维加强的表层102，特别是这种裂纹出现在表层102和芯106之间的粘结线处。
如果使用阻挡层110而不用交织物支撑的胶粘层来企图消除蜂室树脂118时，就可能发生如图4所示的不希望的鼓起。无用树脂的鼓起120向下凸起进入蜂室芯106的蜂室114，同时使树脂包容在鼓起120内，表层102内树脂受到倒空。树脂流动鼓起120内影响结构性能，相比于图3所示的不可控的情况，增加承重的负担。
如图2所示，具有胶粘层108，阻挡层110和交织支撑胶粘层112，使树脂流动受阻，没有蜂室树脂118或树脂鼓起120。然而，我们发现阻挡层在叠层表层和芯之间产生一个滑移面，在压热处理期间经常会使芯破碎。事实上，在31个测试面板的22个中，经历芯的破碎。这种失败率从花费和方案的前景来看是不可接受的。我们采用紧系胶合层用于减少或者消除损坏芯的滑动频率，因为芯的破碎是由这种滑动所致。
对于用RIGIDITE5250-4-W-IW7-GP-CSW，RIGIDITER5250-4-W-IM7-GP-CSX，和RIGIDITE5250-4-W-IM7-GP-PW制作的双-顺丁烯二酰亚胺(bismaleimide)叠合表层由Cytec Engineered Materials，Inc(Cytec)材料浸渍处理，胶粘层108最好选用0.015psf METLBOND2550U的胶粘剂，也由Cytec提供的。胶粘层提供附加的树脂，以促进叠层和阻挡层110之间的优质结合。阻挡层110选用0.001英寸厚，具有好的可粘度，表面处理的KAPTON聚酰亚胺阻挡层能够经受固化周期，在表层-102和芯106之间提供不渗透的膜层。交织物最好选用玻璃纤维，“Style 104”纤维布，胶粘层112是选用0.06psfMETLBOND2550G胶粘剂，可从Cytec获取。交织支撑胶粘层阻止阻挡层鼓入芯室，于是可将树脂保持在叠层(即表层)内，致使固化的胶粘层厚度最大，因此我们在最少的面板重量下取得最好的性能。
胶粘层108、阻挡层110和胶粘层112可以从Cytec的METLBOND2550-B-.082 36″作为单项物品选购。
表层102的胶合层通常采用双-顺丁烯二酰亚胺(bismaleimide)热固性树脂浸渍碳纤维的半固化片，尽管本发明也应用其它的树脂***。可用来替代半固化片的可以是纤维束。胶粘层108应修整，以使表层102和阻挡层110之间取得足够的粘合。通常，蜂窝芯是可由Hexcel取得的HRP纤维玻璃加强的酚醛树脂蜂窝。
在夹层结构中，支撑的胶粘层和阻挡层，在芯是金属，如铝，表层包括在电化学上不相似的材料，如碳纤维的情况下，还具有抗腐蚀的作用。
有关优选面板的其它性能已在技术文章“Development of aBismaleimide/Carbon Honeycomb Sandwich Structure”(Hartz et al.SAMPE，March，1996)中已提出，在此作为参考。Hartz等人文章介绍阻挡层的改进，系紧胶合层的方法以及本发明的胶粘方法。
Hartz型面板提供等效于实心的BMI/碳叠层(在0.59MPa(85psig)时固化)的机械和物理的边缘区性能。我们试验确信，在我们的面板中，边缘区的固化胶粘层厚度等效于实心的叠层，并且边缘区160(图5和6)满足实心叠层非破坏性检测规定。边缘区和面板机械性能超过我们取得的使用没有交织物支撑胶粘层，阻挡层，胶粘复合层的夹层结构的性能。垂直交层的机械张力性能也满足设计要求。
对芯进行预处理以消除在对芯用约235℃(455°F)加热固化时的挥发物，这种处理是在叠加夹层面板之前进行，尤其是适用于酚醛树脂芯，消除由芯的气体释放所引起的芯一叠层脱粘。
芯的破碎200(图5)出现在斜棱面区155，这种情形发生在加上热压力和树脂熔化时阻挡层110和芯106相对于面板102滑动时，如图5所示。阻挡层110和芯106移向右面，在斜面区155内挤压芯，从而产生芯压碎200。表层102在边缘区160内芯移动的地方出现下陷。
参见图6，改进的蜂窝夹层结构面板至少沿着斜面区155包括一层与芯106接触的系紧胶合层150。这种斜面(即在芯内的一个转角处，常出现在边缘区160处)通常出现在面板的周围，但也可能出现在面板的中间位置，在复合结构中需要加固或经过的连接线或硬点处。
通常，我们采用在生产具有5或8lb/ft3 HRP芯的双-顺丁二烯二酰亚胺面板中常用的0/90纤维取向的碳纤维或玻璃纤维织物的单层胶合层150，如Hartz等人所介绍的。系紧胶合层150的作用在于阻止或限制表层相对于芯的滑动，从而降低由于滑动引起的芯破碎。系紧胶合层150)在压热处理期间进行加热，使基质树脂软化，熔化并基本上呈高流动液化态树脂时，使芯与一定粗糙度的织物固定。采用这些面板，我们能节省2.5-4lb/ft3的芯，因为我们可使用不使芯压碎的低密度蜂窝芯。将它用在战斗机，对每架飞机可以节省25lb以上的重量。
如图6所示，系紧胶合层是一层窄的，周围的条，它沿着至少一部分斜面155接触至芯106，与芯106约有1英寸重叠，并外伸到边缘区160，超过部件的边线165。系紧胶合层150或者可以位于斜面区的平侧，或者位于带角表面上(见图6)。关键是系紧胶合层150与胶粘层和阻挡层110之下的芯接触，阻挡层用于将叠层的表面与芯结合起来。在主体部分的任何处而不是在斜面区的窄的周围区剖开系紧胶合层150，则在面板的周边缘形成边框。由此，系紧胶合层150可以在面板区内芯106和表面102之间有一个胶粘界面。
传统的作法是，在制作Hartz型面板时，我们使用四个完整的盖片系紧胶合层175，以使层与芯固接，这些胶合层表示于图6中。在介绍Hartz型阻挡层之前，这些传统的胶合层175通常用在夹层面板的生产中。我们也常用它们，尽管我们相信现在我们能完全不用除了外胶合层，周围和芯接触系紧胶合层150之外所有的层。即，我们可使用三层总胶合层而不用五层，如图6所示。
系紧胶合层150和175通过边缘区160伸至完全整平的轮廓之外，以固接至用胶带粘贴到增强材料型心的各个粘接点上。为进一步阻止系紧胶合层的滑动，我们在部件的平整轮廓外侧的系紧胶合层之间加入一层低固化(即对BMI面板是121℃)的胶粘层180。胶粘层180在压热处理周期加压的情况下，可以消除胶合层相对于另一层的运动。在低于叠层树脂的固化温度下，在约100-150°F温度时固化。在我们需要增加压热压力之前系紧胶合层已固化，并且固化的胶粘层使系紧胶合层粘结到另一层。利用这种胶粘方法消除胶合层的相对运动，并消除面板的起皱和可能出现的芯压碎。
本系紧方法节约材料，降低成本，减轻重量，因为它使用“图形框”周围系紧胶合层(与传统的相比不用内片)。正常的系紧步骤是，在表层的外表面以及表层和下设的胶粘层之间(见图5)需要胶合层。传统的系紧***不用“图形框”胶合层就将失败，因为阻挡层110将允许芯滑动。Corbett和Smith方法不用本发明的胶粘方法，偶尔也会失败。
对于采用双-顺丁烯二酰胺浸渍的轻重量的芯(即，5-8lb/ft3)和前面介绍的胶粘***，我们保持斜面角至20±2°。
利用角度斜面，蜂窝芯的切割区(斜面)从最大厚度到零厚度，以稳定的斜度成锥形。在复合蜂窝夹层面板的边缘范围使用斜面，以在具有镶嵌蜂窝的面板结构体与缺乏任何蜂窝芯的边缘区之间提供一个平滑过渡。本发明的方法允许我们使用相比于常规方法不用系紧胶合层来避免芯破碎的面板具有更陡的斜面角。在我们选用20°斜面时，我们相信可能增加角度到任何一个适合于面板设计要求的角度。
“压热处理”是指处理过程中提高加到面板的温度和压力，以硬化或固化叠层的树脂，同时粘合或胶粘固化的叠层到蜂窝芯。图7表示我们选用的周期，我们用于系紧胶合层的粘结剂在约250°F(121℃)时固化，所以在可能引起面板内层之间相对运动的压热压力增加之前叠层就固化。
如果出现芯的破碎，对面板的损伤通常是到难以修复的程度，所以部件报废。今天先进的复合树脂和加强纤维的费用将要求一种实际上可消除芯破碎的方法。否则加工的费用接受不了。使用上述设计的面板尽可能地接近最好的设计，考虑的重点是不使芯破碎。本发明方法可降低芯的破碎和胶合层的运动或起皱。
我们介绍了若干选用的实例，但是本领域的技术人员将容易地可想到各种变动，变化和改进，这些变动可以在不偏离本发明构思的情况下作出。所以，完全可以根据说明书由本领域普通技术人员在已知的所有等同技术范围内来解释权利要求书。已提供许多例子来说明本发明，但不限于这些例子。由此，由权利要求书限定本发明，如果需要，可以由相应的已有技术对权利要求进行限制。

Claims (20)

1.一种复合蜂窝夹层结构，包括：
(a)一个蜂窝芯，具有多个蜂室；
(b)至少一个复合叠层，具有粘结到芯的纤维加强基质树脂的胶合层；
(c)一个阻挡层，位于叠层和芯之间，以粘结叠层和芯，并消除树脂从叠层流入芯的蜂室内；
(d)一个在阻挡层和芯之间具有支撑织物的胶粘层，以消除树脂流入或阻挡层下陷到芯的蜂室内。
2.如权利要求1所述的结构，其中叠层包括双-顺丁烯二酰亚胺基质树脂。
3.如权利要求1所述的结构，其中阻挡层是一种可粘结的聚酰亚胺。
4.如权利要求2所述的结构，其中胶合层包括双-顺丁烯二酰亚胺。
5.如权利要求4所述的结构，还包括位于阻挡层和叠层之间非支撑的胶粘层。
6.一种在制作复合结构中将系紧胶合层粘结在一起的方法，包括下述步骤：
(a)将复合结构形状的复合预型件安置在敷设型芯上，预型件至少有一个浸渍树脂的叠层和至少两个系紧胶合层；
(b)将各个系紧胶合层互相粘结，在复合结构的完全整平的轮廓的外侧施加胶合层。
其中胶粘层在低于叠层内树脂的固化温度下固化。
7.如权利要求6所述的方法，其中叠层包括双-顺丁烯酰亚胺基质树脂。
8.如权利要求6所述的方法，其中预型件包括由达到可粘结要求的邻近叠层的聚酰亚胺制成的阻挡层。
9.如权利要求7所述的方法，其中预型件包括蜂窝芯和位于阻挡层和芯之间的胶粘层。
10.如权利要求9所述的方法，还包括位于阻挡胶粘层和芯之间的支撑交织层，以阻止阻挡层下陷入芯室。
11.如权利要求9所述的方法，其中预型件包括阻挡层和叠层之间的胶粘层。
12.如权利要求9所述的方法，其中预型件包括阻挡胶粘层和芯之间的支撑交织物层，以阻止阻挡层下陷入芯的蜂室内。
13.如权利要求11所述的方法，其中预型件包括与胶粘层和芯之间的芯相接触的系紧胶合层。
14.一种减少斜面复合蜂窝夹层面板内蜂窝芯破碎的方法，面板具有胶粘至蜂窝芯的浸渍树脂的叠层，蜂窝芯具有斜面，该方法包括：
(a)在斜面区内系紧胶合层与面板的蜂窝芯相接触，以阻止芯和叠层之间滑动；
(b)将系紧胶合层敷设在叠层的外表面；
(c)将系紧胶合层粘结一起，并在完全整平的面板外侧用加到系紧胶合层的低温固化胶粘剂粘到敷设型心，
其中，胶粘剂在施加压热压力之前，以及在叠层内树脂熔化和流动之前熔化和固化。
15.如权利要求14所述的方法，其中叠层包括用于阻止树脂从叠层的面板流到芯室的阻挡层，并在阻挡层和芯之间有一层系紧胶合层。
16.一种具有改进的抗蜂窝压碎的复合蜂窝夹层结构，包括：
(a)一个蜂窝芯，具有芯室和周围的斜面；
(b)至少一个复合叠层，具有胶粘到芯的纤维加强基质树脂的胶合层；
(c)阻挡胶粘层，位于叠层和芯之间，以粘结叠层和芯，并消除树脂从叠层到芯室的流动；
(d)一个***的系紧胶合层，它与胶粘层下面的芯的斜面相接触，以消除阻挡层相对于芯的滑动，减少芯的破碎。
17.如权利要求16所述的结构，其中叠层包括双-顺丁烯二酰亚胺基质树脂。
18.如权利要求16所述的结构，其中阻挡层是可粘结的聚酰亚胺。
19.如权利要求17所述的结构，其中胶粘剂包括双-顺丁烯二酰亚胺。
20.如权利要求19所述的结构，还包括位于阻挡层和叠层之间的胶粘层。
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