具有二维和三维纤维结构的制品的制作方法

具有二维和三维纤维结构的制品

背景技术：

1.推力喷嘴(诸如与高速载具中的反作用发动机一起使用的推力喷嘴)可由相对坚固、轻质的复合材料形成。作为示例，纤维层布置在心轴周围以形成喷嘴的设计形状。然后利用围绕纤维的陶瓷或碳基体将纤维层致密化。

技术实现要素：

2.根据本公开的示例的制品包括具有纤维增强织物的多个层片的完整织物结构。织物结构的第一部分具有三向纤维增强构造，通过该三向纤维增强构造，多个层片经由基体和法向穿过所述多个层片的多个纤维结合在一起。该织物结构的第二部分具有双向纤维增强构造，通过该双向纤维增强构造，多个层片经由基体而不经由法向穿过所述多个层片的纤维结合到彼此。
3.在前述实施例中的任一个的进一步的实施例中，基体是碳基体。
4.在前述实施例中的任一个的进一步的实施例中，第一部分是用于相对高承载的附接部分。
5.在前述实施例中的任一个的进一步的实施例中，完整织物结构是轴对称的。
6.在前述实施例中的任一个的进一步的实施例中，完整织物结构是圆锥形的。
7.在前述实施例中的任一个的进一步的实施例中，附接部分是完整织物结构的环形端部部分。
8.在前述实施例中的任一个的进一步的实施例中，在三向纤维增强构造中，多个层片和法向穿过所述多个层片的纤维一起限定总纤维体积，并且总纤维体积的10%至25%是法向穿过所述多个层片的纤维。
9.在前述实施例中的任一个的进一步的实施例中，多个层片连续穿过第一部分和第二部分。
10.在前述实施例中的任一个的进一步的实施例中，多个层片是碳化硅纤维。
11.根据本公开的示例的载具包括发动机和附接到该发动机的喷嘴。喷嘴具有由纤维增强复合物形成的轴对称本体。该轴对称本体具有相对高承载的至少一个附接部分，以及邻近该至少一个附接部分的相对低承载的非附接部分。纤维增强复合物具有在至少一个附接部分中的三向纤维增强构造和在非附接部分中的双向纤维增强构造。
12.在前述实施例中的任一个的进一步的实施例中，双向纤维增强构造和三向纤维增强构造都包括面内纤维(in-plane fiber)，三向纤维增强构造额外包括法向穿过面内纤维的纤维，并且法向穿过面内纤维的z纤维是经偏转的纤维。
13.在前述实施例中的任一个的进一步的实施例中，在三向纤维增强构造中，面内纤维和法向穿过所述面内纤维的纤维一起限定总纤维体积，并且总纤维体积的10%至25%是法向穿过面内纤维的纤维。
14.在前述实施例中的任一个的进一步的实施例中，纤维增强复合物连续穿过至少一个附接部分和非附接部分，并且纤维增强复合物选自由碳基体/碳纤维复合物和碳基体/碳
化硅纤维复合物组成的组。
15.在前述实施例中的任一个的进一步的实施例中，非附接部分包围附接部分。
附图说明
16.根据以下详细描述，本公开的各种特征和优点对于本领域技术人员来说将变得显而易见。伴随详细描述的附图可被简要地描述如下。
17.图1示出示例性制品，该示例性制品由具有双向纤维增强构造和三向纤维增强构造两者的多层纤维增强复合物形成。
18.图2示出示例性三向纤维增强构造。
19.图3示出示例性双向纤维增强纤维构造。
20.图4示出在相邻的双向纤维增强构造和三向纤维增强构造之间的连续纤维层。
21.图5示出示例性载具，该示例性载具具有由具有双向纤维增强构造和三向纤维增强构造两者的多层纤维增强复合物形成的喷嘴。
22.图6示出另一个示例性制品，该示例性制品由具有双向纤维增强构造和三向纤维增强构造两者的多层纤维增强复合物形成。
23.图7示出为载具本体部件的示例性制品。
具体实施方式
24.经受高温最终使用环境的制品可由纤维增强复合物形成，诸如碳/碳或碳/碳化硅复合物。该制品形状可由纤维片或纤维带制成，所述纤维片或纤维带缠绕在心轴周围或铺叠在模具(moldform)中，并且然后利用碳基体致密化。这形成多层的二维纤维增强结构。备选地，该制品可由三维纤维增强织物制成，并且然后利用碳基体来致密化以形成多层的三维纤维增强结构。该三维纤维增强结构可提高强度，但比二维纤维增强结构制造起来更加昂贵。相反，二维纤维增强结构制造起来较不昂贵，但通常具有较低的强度。图1示意性地示出示例性制品20。如将在本文中进一步详细描述的那样，该制品20由具有三维纤维增强部分和二维纤维增强部分两者的多层纤维增强复合物22形成。
25.参考图1，制品20包括由多层纤维增强复合物22形成的本体24。在该示例中，本体24关于中心轴线a轴对称。在所示出的示例中，本体24是圆锥形的，并且大体上包括第一轴向端部部分24a、第二轴向端部部分24b和从第一端部24a向第二端部24b发散的中间部分24c。本体24的内部区域是中空的。应当意识到，尽管描绘了圆锥形的形状，但本体24可备选地具有圆柱形的形状，或具有特定轮廓或部分地具有特定轮廓的形状。
26.本体24包括至少两个不同的部分，即第一部分26和除了第一部分26之外的第二部分28。在该示例中，部分26是负载相对重的附接部分，并且部分28是负载相对轻的非附接部分。部分26是本体24的区域，配合部件30诸如通过螺栓连接、夹紧等方式附接在该区域处。在这方面，部分26可为但不限于部件30所附接到并支撑本体24的唇缘、凸缘、内凹(inset)、外凸(outset)、凸台等。当本体24的负载被支撑在附接部处时，部分26负载得重，并且因此比负载得轻的非附接部分28承受显著更高的机械应力。然而，应当意识到，部分26/28不限于附接区域或非附接区域，并且部分26/28可基于操作结构要求和温度来构造。如将意识到的那样，尽管示出了单个附接部分26，但制品20的进一步的示例包括一个、两个、三个或多
于三个的额外附接部分26。
27.由于部分28负载得轻，部分28不需要像部分26那样坚固。相反，由于部分26负载相对重，部分26需要比部分28更高的强度。同样，部分26/28不需要与加载水平相关联，并且可备选地基于操作结构要求和温度。在这方面，如在剖视图中所示出的那样，多层纤维增强复合物22具有在部分26中的三向纤维增强构造32和在部分28中的双向纤维增强构造34。
28.图2示出设置在基体33中(位于纤维之间)的三向纤维增强构造32的示例的截面图。构造32由多个纤维层片或层36a/36b/36c形成，所述多个纤维层片或层36a/36b/36c由面内纤维增强织物38(以下称为“纤维38”)构成。面内纤维38大体上位于相应纤维层36a/36b/36c的x-y平面中。每个纤维层36a/36b/36c本身可具有不同的纤维构造。一个示例性构造是单向纤维构造(所有纤维都被定向在x方向或y方向上)，但是可额外地或备选地使用其他构造，诸如但不限于二维织物和织造构造，只要它们允许被转换为三向纤维构造32，如下文稍后所论述的那样。纤维38是高强度纤维，诸如碳纤维或陶瓷纤维(例如碳化硅纤维)。
29.三向纤维增强构造32额外包括z方向纤维40，所述z方向纤维40被定向成法向于层36a/36b/36c的面内纤维38并延伸穿过层36a/36b/36c的面内纤维38。z方向纤维40与基体33一起将层36a/36b/36c结合在一起，并且在约10
°
的锥度内大体上垂直于面内纤维38。在制造期间的处理操作中，z方向纤维40横向地定向。示例性处理操作包括针刺、缝纫或栽植。在一个示例中，z方向纤维40是最初在面内并且然后在处理操作中偏转以重新定向的纤维。如上所指示的那样，第二部分28不包括第一部分26。术语“不包括”指包含成组的z方向纤维40中的所有z方向纤维40的空间区域。例如，z方向纤维40可以图案提供。该图案指示作为该图案的部分的所有z方向纤维40的关联。作为示例，作为矩形的四个角均匀地间隔开的四个z方向纤维40是相同组的部分，并且矩形图案的外形或轮廓构成部分28的范围。如将意识到的那样，部分28包含呈图案的相邻z方向纤维40之间的局部区域，并且这些局部区域因此是部分28的部分而不是部分26的部分。
30.图3示出了也设置在基体33中(位于纤维之间)的双向纤维增强构造34的示例的截面图。构造34还由包括面内纤维38的层36a/36b/36c形成。也就是说，层36a/36b/36c连续跨过部分26/28。在双向纤维增强构造34中的层36a/36b/36c由基体33定界，但是双向纤维增强构造34排除任何z方向纤维，即没有法向穿过双向纤维增强构造34的纤维。如在图4中所描绘的那样，多层纤维增强复合物22连续跨过部分26/28，因为层36a/36b/36c在部分26和部分28之间延伸而不终止。
31.面内纤维38在x-y平面中提供良好的强度。然而，在没有在z方向上的增强的情况下，在最终固结制品20中的双向纤维增强构造34具有沿着纤维层36a/36b/36c的界面相对低的剪切强度和在z方向上相对低的拉伸强度。然而，由于在负载相对轻的非附接部分28中不需要高强度，双向纤维增强构造34可提供最小的结构要求。
32.三维纤维构造32的z方向纤维40提供在最终固结制品20中沿着纤维层36a/36b/36c的界面的相对较高的剪切强度和在z方向上的相对较高的拉伸强度。因此，在负载相对重的附接部分26中使用三维纤维构造32。制品20由此提供了三向纤维构造32和双向纤维构造34的组合，以获得三维纤维构造32的局部强度并且在不需要高强度的部分上获得二维纤维构造34的相对低的成本。
33.可在纤维层组装过程中制造制品20，以产生制品20的期望几何形状。这样的过程
可采用已知的技术来制造多层二维构造。作为示例，对于轴对称制品，可通过将纤维带螺旋缠绕到心轴上、将纤维增强片布置到心轴上或以渐开线方式围绕心轴布置纤维增强片来组装纤维增强层。对于非中空制品，诸如平板或成形板，可通过在对应于制品的几何形状的模具中的铺叠过程来组装纤维带或片。
34.在完成将纤维片堆积成期望厚度时，所有纤维增强片都具有双向增强构造。此后，将对应于部分26的区域中的双向纤维增强构造转换为三向纤维增强构造。用于转换的过程可包括针刺、缝纫或栽植，这些通常是很好理解的过程。针刺是相对快速和低成本的。在针刺过程中，多个带倒钩的针沿着z方向被推动穿过纤维层。倒钩在穿过的途中钩住纤维中的一些。随着针继续穿过，该针利用其来拉动被捕捉的纤维，从而使这些纤维偏转，以在z方向上使它们重新定向。三向纤维构造32和双向纤维构造34的所有纤维构成完整的织物结构，其中不会产生额外的z方向纤维。也就是说，完整织物结构具有将在最终制品20中的纤维结构。
35.对于制品20，仅在区域26中进行针刺或其他转换过程，以将初始的双向纤维增强构造转换为三向纤维增强构造。如将意识到的那样，可调节在z方向纤维40的针刺位置之间的间隔和在针位置处的z方向纤维40的体积分数，以便增加或减少z方向纤维40的总体积，并且从而调节强度。在制品20的一个示例中，面内纤维38和z方向纤维40一起限定总纤维体积，并且典型地，总纤维体积的10%至25%为z方向纤维40。
36.针刺或其他转换过程也可在制造过程中的进程的不同点处相对于基体33的致密化来进行。例如，在一些过程中，最初被组装成制品20的期望几何形状的纤维增强层被利用树脂预浸渍，诸如酚醛树脂。组装好的预浸渍纤维增强层然后在相对低的温度和压力下固化。这种结构然后在较高的温度下热解，以驱除挥发物并使树脂碳化。最典型地，这之后是一个或多个循环的利用额外的树脂浸渍、固化和热解，以添加碳基体并实现更高的密度。在一个示例中，针刺在第一次固化之前进行。在另一个示例中，针刺在第一次热解之后进行。后一点是有用的，因为树脂/碳结构可为略微刚性的，这便于在加热装备和针刺或其他处理装备之间移动时保持结构完整而不损坏。
37.备选地，可使用干燥纤维增强层来将层构建成期望的厚度和几何形状。特别是对于干燥碳纤维增强层，在来自织物供应商的“如收到的那样”的状态下，纤维最初可为全碳或部分碳。部分碳化织物有时被称为预氧化纤维，并且典型地是已经部分转化为碳的pan基材料。部分碳化的织物层大体上比完全碳化的织物层更柔韧，并且因此可便于操纵。在一个示例中，其中完全碳化或部分碳化织物的干燥层被用来将纤维层构建成期望的厚度和几何形状，当层被施加到心轴或模具上时进行针刺或其他转换过程。该结构可能不是自支撑的，并且因此可能难以在没有损坏的情况下移动到其他处理装备。无论完全碳化或部分碳化的织物或树脂固化或不固化，一旦产生了所有z方向纤维40，三向纤维构造32和双向纤维构造34的纤维就基本上处于完整织物结构中。
38.还将意识到，可备选地使用通过聚合物热解致密化的备选方案，诸如但不限于气相渗透。另外，初始纤维层可被修改以便于针刺。例如，纤维层可包括不连续的纤维，诸如其中纤维预断裂的拉伸断裂层，该拉伸断裂层减小针刺力并便于捕捉和重新定向纤维。进一步的修改可包括但不限于交替的连续和不连续的纤维层。
39.图5示出制品20的示例性实现方式。在该示例中，制品20是载具60的部分，诸如用
于将人类运送到外层空间的高速载具。载具60包括发动机62，该发动机62经由配合部件30附接到制品20，制品20在这里呈圆锥形或具有特定轮廓的推力喷嘴的形式。额外地或备选地，制品20可呈附接到喷嘴的下游端部的喷嘴延伸部的形式。发动机62可包括一种或多种推进剂，并且取决于设计，发动机62可包括燃烧室、泵、喷射器和其他已知部件。
40.图6示出另一个示例性制品120。取代或除在轴向端部上的附接部分26除外，该制品120与制品20相同，在中间部分24c中存在从第一端部24a向第二端部24b发散的附接部分126。在该示例中，部分126是由非附接部分128包围的“岛”。如上所述，附接部分126由三维纤维构造32形成，并且非附接部分128由二维纤维构造34形成。这里，附接部分126附接有诸如支撑臂的配合部件130。支撑臂可为固定臂或可移动臂，其充当致动器以调节制品120的矢量调节(vectoring)(用于喷嘴实现方式)。
41.图7示出另一个示例性制品220。制品220是载具本体的部件，并且是板型几何形状的示例。在该示例中，第二部分228是基本上平坦的，并且第一部分226是拐角。如上文所论述的那样，第二部分226具有双向纤维增强构造。如上文所论述的那样，第一部分226具有三向纤维增强构造。在该示例中，角是90
°
角，使得两个相对的第二部分228形成对置的侧部，其中第二部分228中的另一个在所述对置的侧部之间。第一部分226的三向纤维增强构造为可能承受较高负载的拐角提供相对较高的强度。平坦的第二部分228可能承受相对较低的负载，并且因此具有双向纤维增强构造。
42.尽管在所示出的示例中示出了特征的组合，但并非所有特征都需要组合以实现本公开的各种实施例的益处。换句话说，根据本公开的实施例设计的系统将不必包括附图中的任一个中所示出的所有特征或附图中示意性地示出的所有部分。此外，一个示例性实施例的选定特征可与其他示例性实施例的选定特征组合。
43.前面的描述本质上是示例性的而不是限制性的。对所公开的示例的变型和修改对于本领域技术人员来说可变得显而易见，这些变型和修改不必脱离本公开。给予本公开的法律保护范围只能通过研究所附权利要求书来确定。

技术特征：

1.一种制品，包括：完整织物结构，其具有纤维增强织物的多个层片；织物结构的第一部分，其具有三向纤维增强构造，通过所述三向纤维增强构造，所述多个层片经由基体和法向穿过所述多个层片的多个纤维结合在一起；和除了所述第一部分之外，所述织物结构的第二部分具有双向纤维增强构造，通过所述双向纤维增强构造，所述多个层片经由所述基体而不经由法向穿过所述多个层片的纤维结合到彼此。2.根据权利要求1所述的制品，其特征在于，所述基体是碳基体。3.根据权利要求1所述的制品，其特征在于，所述第一部分是用于相对高承载的附接部分。4.根据权利要求3所述的制品，其特征在于，所述完整织物结构是轴对称的。5.根据权利要求4所述的制品，其特征在于，所述完整织物结构是圆锥形的。6.根据权利要求5所述的制品，其特征在于，所述附接部分是所述完整织物结构的环形端部部分。7.根据权利要求8所述的制品，其特征在于，在所述三向纤维增强构造中，所述多个层片和法向穿过所述多个层片的纤维一起限定总纤维体积，并且所述总纤维体积的10%至25%是法向穿过所述多个层片的纤维。8.根据权利要求1所述的制品，其特征在于，所述多个层片连续穿过所述第一部分和所述第二部分。9.根据权利要求1所述的制品，其特征在于，所述多个层片是碳化硅纤维。10. 一种载具，包括：发动机；和喷嘴，其附接到所述发动机，所述喷嘴具有由纤维增强复合物形成的轴对称本体，所述轴对称本体包括：至少一个附接部分，其是相对高承载的，和非附接部分，其邻近所述至少一个附接部分且是相对低承载的，所述纤维增强复合物具有在所述至少一个附接部分中的三向纤维增强构造和在非附接部分中的双向纤维增强构造。11.根据权利要求10所述的载具，其特征在于，所述双向纤维增强构造和所述三向纤维增强构造都包括面内纤维，所述三向纤维增强构造额外包括法向穿过所述面内纤维的纤维，并且法向穿过所述面内纤维的z纤维是经偏转的纤维。12.根据权利要求11所述的载具，其特征在于，在所述三向纤维增强构造中，所述面内纤维和法向穿过所述面内纤维的纤维一起限定总纤维体积，并且所述总纤维体积的10%至25%是法向穿过所述面内纤维的纤维。13.根据权利要求12所述的载具，其特征在于，所述纤维增强复合物连续穿过所述至少一个附接部分和所述非附接部分，并且所述纤维增强复合物选自由碳基体/碳纤维复合物和碳基体/碳化硅纤维复合物组成的组。14.根据权利要求13所述的载具，其特征在于，所述非附接部分包围所述附接部分。

技术总结

一种制品包括具有纤维增强织物的多个层片的完整织物结构。织物结构的第一部分具有三向纤维增强构造，并且除了第一部分之外，织物结构的第二部分具有双向纤维增强构造。在三向纤维增强构造中，存在多个层片，所述多个层片经由基体和法向穿过所述多个层片的多个纤维结合在一起。在双向纤维增强构造中，多个层片经由基体而不经由法向穿过所述多个层片的纤维结合到彼此。维结合到彼此。维结合到彼此。