ВОЛОКОННАЯ СТРУКТУРА ТРЕХМЕРНОГО ПЛЕТЕНИЯ, ВОЛОКОННАЯ ЗАГОТОВКА, ПОЛУЧЕННАЯ ИЗ ЭТОЙ ВОЛОКОННОЙ СТРУКТУРЫ, И ДЕТАЛЬ ИЗ ВОЛОКОННОГО МАТЕРИАЛА, СОДЕРЖАЩАЯ ЭТУ ЗАГОТОВКУ Российский патент 2017 года по МПК D03D25/00 

Область техники

Изобретение относится к изготовлению волоконной структуры, сплетенной в виде единой части путем трехмерного плетения, в частности для изготовления детали из композитного материала. В частности, изобретение относится к изготовлению волоконных структур для заготовок деталей из композитного материала для летательных аппаратов или турбомашин, в частности для авиационных турбинных двигателей.

Известно, что деталь из композитного материала может быть получена путем изготовления волоконной заготовки и уплотнения заготовки матрицей. В зависимости от предполагаемого применения заготовка может быть изготовлена из стеклянных, углеродных или керамических волокон, и матрица может быть изготовлена из органического материала (полимерного), углерода или керамики.

Для деталей, которые имеют относительно сложную форму, известно изготовление волоконной структуру или заготовки в виде единой части путем трехмерного (или многослойного) плетения и придание формы заготовке таким образом, чтобы получить волоконную заготовку, имеющую форму, близкую к форме изготавливаемой детали. Придание формы часто включает в себя операцию сгибания, чтобы сформировать угол между двумя частями структуры трехмерного плетения.

В результате нити волоконной структуры будут иметь чрезмерные механические напряжения в области сгиба, в частности на внутренней стороне угла, которые образуются, когда этот угол является острым.

Сущность изобретения

Задачей изобретения является устранение этого недостатка.

Согласно первому аспекту изобретения эта задача решается волоконной структурой, сплетенной путем трехмерного плетения, имеющей множество слоев нитей основы, связанных между собой посредством уточных нитей множества слоев уточных нитей, причем волоконная структура имеет первый участок и второй участок, которые продолжают один другой в направлении утка и выполнены с возможностью сгибания относительно друг друга в области сгиба, в которой в области сгиба и в каждой плоскости утка нити двух слоев уточных нитей, расположенные в области, смежной наружной поверхности волоконной структуры, имеют траектории, которые пересекаются.

Как поясняется ниже, это взаимное расположение обеспечивает ограничение величины кривизны, образуемой в нитях в области сгиба при сгибании.

Согласно другому аспекту изобретения предлагается волоконная заготовка, образованная из волоконной структуры, сплетенной путем трехмерного плетения, имеющей множество слоев нитей основы, связанных между собой посредством уточных нитей множества слоев уточных нитей, причем волоконная структура имеет первый участок и второй участок, которые продолжают один другой в направлении утка, причем между ними формируется угол путем сгибания в области сгиба, в которой в области сгиба и в каждой плоскости утка волоконной структуры нити двух слоев уточных нитей, расположенные в области, смежной наружной поверхности волоконной структуры, расположенной на внутренней стороне угла, имеют траектории, которые пересекаются.

Предпочтительно одна из двух уточных нитей является нитью, которая на первом участке или на втором участке является самой ближней к наружной поверхности.

В одном варианте воплощения волоконной структуры или волоконной заготовки в области сгиба нити двух слоев уточных нитей, которые являются самыми ближними к наружной поверхности волоконной структуры, имеют траектории, которые пересекаются.

В другом варианте воплощения волоконной структуры или волоконной заготовки в области сгиба нити первого и третьего, относительно наружной поверхности, слоев уточных нитей волоконной структуры имеют траектории, которые пересекаются, и аналогичным образом нити второго и четвертого слоев уточных нитей.

Согласно еще одному аспекту изобретения предлагается описанная выше волоконная структура или волоконная заготовка, в которой термины «уточная» («утка») и «основы» заменены один на другой.

Согласно еще одному аспекту изобретения предлагается деталь из композитного материала, содержащая описанную выше волоконную заготовку, которая уплотнена матрицей.

Краткое описание чертежей

Изобретение в дальнейшем поясняется описанием, приведенным в качестве неограничивающего примера, со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг. 1 изображает схематический вид плоскости волоконной структуры трехмерного плетения согласно варианту осуществления изобретения;

фиг. 2 - схематический вид плоскости волоконной заготовки, полученной после придания формы волоконной структуре, показанной на фиг. 1;

фиг. 3 - схематический вид в изометрии детали, изготовленной из заготовки типа, показанной на фиг. 2;

фиг. 4 - схематический вид в изометрии другой детали, которая может быть изготовлена из волоконной заготовки согласно изобретению;

фиг. 5 - очень схематический вид плоскости волоконной структуры трехмерного плетения согласно измененному варианту воплощения, показанному на фиг. 1;

фиг. 6 - очень схематический вид плоскости волоконной заготовки, полученной после придания формы волоконной структуре, показанной на фиг. 5;

фиг. 7 - схематический вид в изометрии детали, изготовленной из заготовки типа, показанной на фиг. 6;

фиг. 8 - очень схематический вид плоскости волоконной структуры трехмерного плетения согласно другому варианту воплощения изобретения;

фиг. 9 - очень схематический вид плоскости волоконной заготовки, полученной после придания формы волоконной структуре, показанной на фиг. 8.

Подробное описание вариантов осуществления изобретения

С целью избежать избыточного насыщения чертежей на фиг. 1, 2, 5, 6, 8 и 9, которые иллюстрируют плоскости утка, траектории уточных нитей показаны в виде прямолинейных сегментов, а нити основы показаны в виде точек. Используемый термин «плоскость утка» означает плоскость, перпендикулярную направлению основы и содержащую столбец уточных нитей. Так как используется трехмерное плетение, понятно, что нити одного из направления основы и направления утка следуют по синусоидальным траекториям, чтобы связать между собой нити другого направления, относящиеся к разным слоям нитей, за исключением любых несвязанных областей и любых уточных нитей, которые могут быть добавлены на поверхности, чтобы выполнить здесь двумерное плетение. Могут использоваться различные типы трехмерного плетения, такие как интерлок-плетение, атласное плетение, многослойное плетение, как описанные, например, в документе WO 2006136755. В частности, возможно использовать трехмерное интерлок-плетение, причем этот термин включает в себя плетение атласного типа на поверхности.

На фиг. 1 показан очень схематический вид плоскости утка волоконной структуры 10, сплетенной путем трехмерного плетения в виде единой части и имеющей противоположные наружные поверхности 10а и 10b. Волоконная структура 10 изготовлена из множества слоев нитей «с» основы, причем нити основы разных слоев связаны между собой посредством уточных нитей во множестве слоев уточных нитей t₁-t₆, тем самым обеспечивается трехмерное плетение. На фиг. 1 ссылочная позиция «t» обозначает направление утка.

Волоконная структура 1 содержит два участка 12 и 14, которые продолжают один другой и которые выполнены с возможностью сгибания относительно друг друга в области 16 сгиба, чтобы образовать волоконную заготовку 20, показанную на фиг. 2, в которой между участками 12 и 14 образован не равный нулю угол α. Волоконная заготовка 20 в показанном примере имеет по существу L-образную форму в сечении.

Траектории уточных нитей t₁ и t₂, которые являются самыми ближними к поверхности 10а, пересекаются в области 16 сгиба, причем поверхность 10а является поверхностью, которая после сгибания располагается на внутренней стороне угла, образованного участками 12 и 14. В результате уточные нити t₁ и t₂ в каждой плоскости волоконной структуры на участке 12 и на участке 14 располагаются относительно друг друга в обратном порядке на противоположных сторонах области 16 сгиба.

Как можно увидеть более конкретно во фрагменте в увеличенном масштабе на фиг. 2, радиус кривизны, образованной в уточных нитях t₁ и t₂, тем самым будет больше, чем радиус кривизны (показанный штриховой линией), которая была бы образована в нити t₁, если бы она не пересекала нить t₂. Риск повреждения уточных нитей или деформации вблизи поверхности 10а снижается за счет уменьшения величины образуемой кривизны при том, что этот риск является особенно высоким при небольшом угле α.

На фиг. 3 показана деталь 30 из композитного материала того типа, которая может быть получена путем уплотнения матрицей заготовки 20, причем деталь имеет два участка 32 и 34, между которыми образован не равный нулю угол.

На фиг. 2-3 сгибание выполняется относительно оси, которая по существу параллельна направлению основы.

В одном варианте сгибание может выполняться относительно оси l, которая параллельна плоскости, образованной направлением основы и направлением утка, но которая непараллельна любому из этих направлений, таким образом, что после уплотнения волоконной заготовки деталь 40, показанная на фиг. 4, имеет два участка 42 и 44, между которыми образован не равный нулю угол. В этом случае, чтобы соответствовать ориентации области сгиба, нити располагаются таким образом, что места пересечений между уточными нитями вблизи поверхности 10а не все располагаются в одном и том же столбце нитей основы на протяжении ширины заготовки, и их расположение изменятся для разных плоскостей утка. В одном варианте возможно использовать заготовку, подобную используемой в детали, показанной на фиг. 3, но здесь заготовка формуется путем ее размещения на диагонали формы, которая имеет заданную конфигурацию, чтобы места пересечений между уточными нитями располагались в соответствии с осью l.

На фиг. 5 показан очень схематический вид плоскости утка волоконной структуры 50, сплетенной путем трехмерного плетения в виде единой части и имеющей противоположные наружные поверхности 50а и 50b. Волоконная структура 50 изготовлена из множества слоев нитей «с» основы.

Волоконная структура 50 включает в себя участок 52, в котором нити основы во всех слоях уточных нитей связаны между собой путем трехмерного плетения посредством уточных нитей множества слоев уточных нитей t₁-t₈, тем самым обеспечивается трехмерное плетение. Волоконная структура 50 также имеет два участка 54а и 54b, которые располагаются таким образом, что они продолжают участок 52 с каждой стороны несвязанной области 58, которая продолжается от одного края 50с волоконной структуры 50 на часть ее размера в направлении утка. В каждом из участков 54а и 54b нити основы во всех слоях нитей основы связаны между собой путем трехмерного плетения посредством уточных нитей, соответственно t₁-t₄ и t₅-t₈, при этом связь между ними отсутствует в несвязанной области 58 между участками 54а и 54b. В показанном примере количество слоев нитей основы на участках 54а и 54b равно четырем. Конечно, это количество не обязательно должно быть равно четырем, и оно может быть разным на этих участках при условии, что на каждом из них будет обеспечено не меньше двух слоев.

Участки 54а и 54b могут быть согнуты наружу относительно участка 52 в соответствующих областях 56а и 56b сгиба, чтобы образовать волоконную заготовку 60, как показано на фиг. 60, имеющую по существу Т-образную форму в сечении.

Траектории уточных нитей t₁ и t₂, которые являются самыми ближними к поверхности 50а, пересекаются в области 56а сгиба таким образом, что уточные нити t₁ и t₂ в каждой плоскости волоконной структуры 50 на участке 52 и на участке 54а располагаются в обратном порядке. Аналогичным образом траектории уточных нитей t₇ и t₈, которые являются самыми ближними к поверхности 50b, пересекаются в области 56b сгиба таким образом, что уточные нити t₇ и t₈ в каждой плоскости волоконной структуры 50 на участке 52 и на участке 54b располагаются в обратном порядке.

Как и в варианте воплощения на фиг. 1-2, тем самым в уточных нитях, смежных поверхностям 50а и 50b, образуется кривизна, которая меньше в сравнении со случаем, когда уточные нити t₁ и t₂ и t₇ и t₈ не имеют каких-либо взаимных пересечений.

На фиг. 7 показана деталь 70, изготовленная из композитного материала, имеющая по существу Т-образную форму в сечении, которая может быть получена путем уплотнения матрицей заготовки 60, и эта деталь имеет участок 72, который продолжается на одном конце фланцами 74а и 74b.

На фиг. 8 показан очень схематический вид плоскости утка волоконной структуры 80, сплетенной путем трехмерного плетения в виде единой части и имеющей противоположные наружные поверхности 80а и 80b. Волоконная структура 80 изготовлена из множества слоев нитей «с» основы, которые в разных слоях связаны между собой посредством уточных нитей во множестве слоев уточных нитей t₁-t₈, тем самым обеспечивается трехмерное плетение.

Волоконная структура 80 содержит два участка 82 и 84, которые продолжают один другой и которые выполнены с возможностью сгибания относительно друг друга в области 86 сгиба таким образом, чтобы образовать волоконную заготовку 90, как показано на фиг. 9, в которой между участками 82 и 84 образован не равный нулю угол β. Волоконная заготовка 90 в этом примере имеет по существу L-образную форму в сечении.

Траектории уточных нитей t₁ и t₃, образующих часть первого и третьего слоев уточных нитей t₁-t₈ относительно поверхности 80а, пересекают друг друга в области 86 сгиба, причем поверхность 80а является поверхностью, которая после сгибания располагается на внутренней стороне угла, образованного участками 82 и 84. Дополнительно траектории уточных нитей t₂ и t₄, образующих часть второго и четвертого слоев уточных нитей t₁-t₈ относительно поверхности 80а, аналогичным образом пересекают друг друга в области 86 сгиба.

За счет этого взаимного расположения и как показано на фрагменте в увеличенном масштабе на фиг. 9, радиус кривизны, образованной, в частности, в нитях t₁ и t₂, дополнительно увеличивается в сравнении с вариантом воплощения на фиг. 1-2.

Уплотнение матрицей волоконной заготовки 90 дает возможность получить деталь из композитного материала типа, показанной на фиг. 3.

После придания формы волоконной заготовке она уплотняется путем формирования матрицы, характер которой зависит от предполагаемого назначения, например органическая матрица, которая может быть получена, в частности, из смолы, являющейся прекурсором для полимерной матрицы, такой как эпоксидная, бисмалеимидная или полиимидная смола, или углеродная матрица, или керамическая матрица. При использовании углеродной матрицы или керамической матрицы уплотнение может быть выполнено путем химической инфильтрации из паровой фазы или путем пропитки жидкой смесью, содержащей смолу, а именно прекурсор углерода или керамики, с последующей тепловой обработкой для пиролиза или керамизации прекурсора, причем эти способы хорошо известны. Волокна волоконной заготовки также изготавливают из материала, который выбирается в зависимости от предполагаемого назначения, например стекла, углерода или керамики.

В заключении следует отметить, что в описанных вариантах воплощения волоконных структур и заготовок термины «уточная» («утка») и «основы» могут быть заменены один на другой.

Волоконная заготовка (20) образована из волоконной структуры, сплетенной путем трехмерного плетения, имеющей множество слоев нитей основы, связанных между собой посредством уточных нитей множества слоев уточных нитей, причем волоконная структура имеет первый участок (12) и второй участок (14), которые продолжают один другой в направлении утка и которые располагаются под углом друг к другу. В области сгиба и в каждой плоскости утка волоконной структуры две уточные нити, расположенные в области, смежной наружной поверхности волоконной структуры, расположенной на внутренней стороне угла, имеют траектории, которые пересекаются, так что эти нити имеют меньшую кривизну. 5 н. и 12 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Волоконная структура, сплетенная путем трехмерного плетения, имеющая множество слоев нитей основы, связанных между собой посредством уточных нитей множества слоев уточных нитей, причем волоконная структура имеет первый участок и второй участок, которые продолжают один другой в направлении утка и выполнены с возможностью сгибания относительно друг друга, чтобы образовать угол в области сгиба, в которой в области сгиба и в каждой плоскости утка две уточные нити, расположенные в области, смежной наружной поверхности волоконной структуры, расположенной на внутренней стороне угла, имеют пересекающиеся траектории, так что указанные две уточные нити на первом и втором участках располагаются в обратном направлении.

2. Волоконная структура по п. 1, в которой одна из упомянутых двух уточных нитей является нитью, которая на первом участке или на втором участке является самой ближней к упомянутой наружной поверхности.

3. Волоконная структура по п. 2, в которой в области сгиба нити двух слоев уточных нитей, которые являются самыми ближними к наружной поверхности волоконной структуры, имеют траектории, которые пересекаются.

4. Волоконная структура по п. 2, в которой в области сгиба нити первого и третьего, а также нити второго и четвертого слоев уточных нитей относительно наружной поверхности слоев уточных нитей волоконной структуры имеют траектории, которые пересекаются.

5. Волоконная структура, сплетенная путем трехмерного плетения, имеющая множество слоев уточных нитей, связанных между собой посредством нитей основы множества слоев нитей основы, причем волоконная структура имеет первый участок и второй участок, которые продолжают один другой в направлении основы и выполнены с возможностью сгибания относительно друг друга, чтобы образовать угол в области сгиба, в которой в области сгиба и в каждой плоскости основы две нити основы, расположенные в области, смежной наружной поверхности волоконной структуры, расположенной на внутренней стороне угла, имеют пересекающиеся траектории, так что указанные две нити основы на первом и втором участках располагаются в обратном направлении.

6. Волоконная структура по п. 5, в которой одна из упомянутых двух нитей основы является нитью, которая на первом участке или на втором участке является самой ближней к упомянутой наружной поверхности.

7. Волоконная структура по п. 6, в которой в области сгиба нити двух слоев нитей основы, которые являются самыми ближними к наружной поверхности волоконной структуры, имеют траектории, которые пересекаются.

8. Волоконная структура по п. 6, в которой в области сгиба нити первого и третьего, а также нити второго и четвертого слоев нитей основы относительно наружной поверхности слоев нитей основы волоконной структуры имеют траектории, которые пересекаются.

9. Волоконная заготовка, образованная из волоконной структуры, сплетенной путем трехмерного плетения, имеющей множество слоев нитей основы, связанных между собой посредством уточных нитей множества слоев уточных нитей, причем волоконная структура имеет первый участок и второй участок, которые продолжают один другой в направлении утка, причем между ними формируется угол путем сгибания в области сгиба, в которой в области сгиба и в каждой плоскости утка волоконной структуры две уточные нити, расположенные в области, смежной наружной поверхности волоконной структуры, расположенной на внутренней стороне угла, имеют пересекающиеся траектории, так что указанные две уточные нити на первом и втором участках располагаются в обратном направлении.

10. Волоконная заготовка по п. 9, в которой одна из упомянутых двух уточных нитей является нитью, которая на первом участке или на втором участке является самой ближней к упомянутой наружной поверхности.

11. Волоконная заготовка по п. 9, в которой в области сгиба нити двух слоев уточных нитей, которые являются самыми ближними к наружной поверхности волоконной структуры, имеют пересекающиеся траектории.

12. Волоконная заготовка по п. 9, в которой в области сгиба нити первого и третьего, а также нити второго и четвертого слоев уточных нитей относительно наружной поверхности слоев уточных нитей волоконной структуры имеют траектории, которые пересекаются.

13. Волоконная заготовка, образованная из волоконной структуры, сплетенной путем трехмерного плетения, имеющей множество слоев уточных нитей, связанных между собой посредством нитей основы множества слоев нитей основы, причем волоконная структура имеет первый участок и второй участок, которые продолжают один другой в направлении основы, причем между ними формируется угол путем сгибания в области сгиба, в которой в области сгиба и в каждой плоскости основы волоконной структуры две нити основы, расположенные в области, смежной наружной поверхности волоконной структуры, расположенной на внутренней стороне угла, имеют пересекающиеся траектории, так что указанные две нити основы на первом и втором участках располагаются в обратном направлении.

14. Волоконная заготовка по п. 13, в которой одна из упомянутых двух нитей основы является нитью, которая на первом участке или на втором участке является самой ближней к упомянутой наружной поверхности.

15. Волоконная заготовка по п. 14, в которой в области сгиба нити двух слоев нитей основы, которые являются самыми ближними к наружной поверхности волоконной структуры, имеют пересекающиеся траектории.

16. Волоконная заготовка по п. 14, в которой в области сгиба нити первого и третьего, а также нити второго и четвертого слоев нитей основы относительно наружной поверхности слоев нитей основы волоконной структуры имеют пересекающиеся траектории.

17. Деталь из композитного материала, содержащая волоконную заготовку по любому из пп. 9-16, уплотненную матрицей.