Композитные ткани, содержащие распределенные нити Российский патент 2017 года по МПК D01D5/00 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Композиты из армированного волокнами пластика (FRP) подходят для случаев применения в аэрокосмическом строительстве. Они имеют удельную прочность и жесткость выше, чем у металла, что отражается на увеличении грузоподъемности, экономии топлива и снижении эксплуатационных расходов.

Структурные элементы из армированного волокнами пластика, такие как обшивка, усиливающие элементы, шпангоут и лонжероны, могут быть соединены для формирования основных компонентов, таких как крылья, фюзеляж и хвостовое оперение. Нарушения связей между указанными элементами из армированного волокном пластика являются нежелательными.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Согласно варианту реализации, описанному в настоящей заявке, изделие содержит многонаправленную ткань из первых усиливающих прядей волокна, проходящих в первом направлении, и вторых усиливающих прядей волокна, проходящих во втором направлении, причем части нитей в первых прядях волокна проходят за пределы границы ткани и являются распределенными, при этом пряди внедрены в смолу.

Согласно другому варианту реализации, описанному в настоящей заявке, структура содержит первую и вторую части, соединенные вместе, причем первая часть содержит множественные слои усиливающих волокон, при этом наружный из слоев содержит многомерную ткань усиливающих прядей, имеющих распределенные нити, которые соединены с поверхностью второй части.

Согласно другому варианту реализации, описанному в настоящей заявке, способ изготовления композитной структуры включает этапы, согласно которым:

соединяют первую и вторую части, причем первая часть содержит наружный слой, имеющий ткацкое переплетение первых прядей, проходящих в первом направлении, и вторых прядей, проходящих во втором направлении,

распределяют концы прядей на отдельные нити и

соединяют распределенные нити с поверхностью второй части.

Эти особенности и функции могут быть достигнуты независимо согласно различным вариантам реализации или могут быть объединены вместе согласно другим вариантам реализации. С дополнительными подробностями различных вариантов реализации можно ознакомиться в приведенном ниже подробном описании и сопроводительных чертежах.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На фиг. 1А и 1В показаны многонаправленные композитные ткани, содержащие распределенные нити.

На фиг. 2А и 2В показаны нити прядей до и после их распределения.

На фиг. 3 показаны смежные пряди, содержащие распределенные нити.

На фиг. 4 показан пакет слоев, содержащих композитную ткань из прядей, содержащих распределенные нити.

На фиг. 5 показана часть, содержащая пакет слоев, показанный на фиг. 4, соединенная с другой частью.

На фиг. 6 показана заплата для пластиковой панели, усиленной углеродным волокном.

На фиг. 7 и 8 показаны композитные ткани, содержащие распределенные нити.

На фиг. 9 показаны нити с волнистыми концами.

На фиг. 10 показана блок-схема общего способа использования композитной ткани, содержащей распределенные нити.

На фиг. 11 схематично показан самолет.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На фиг. 1А показано изделие 100, содержащее многонаправленную композитную ткань 110, состоящую из первых усиливающих прядей волокна, проходящих в первом направлении, и вторых усиливающих прядей волокна, проходящих во втором направлении. Согласно некоторым вариантам реализации многонаправленная ткань 110 может быть ткацким переплетением прядей, проходящих в x-направлении, и прядей, проходящих в y-направлении. Согласно варианту реализации, показанному на фиг. 1А, x- и y-направления являются ортогональными. Многонаправленная ткань 110 имеет границу 112. В пределах границы 112 ткани 110 пряди обеспечивают структурную прочность вдоль x- и y-направлений.

Типичная прядь волокна может включать тысячи (например, 1000, 3000, 12000, 24000) волокон. Индивидуальные волокна или нити каждой пряди могут быть связаны в (N) рядов. Связанные нити в пряди обычно удерживаются вместе (т.е. поддерживаются) поперечными волокнами. Поперечные волокна обычно являются ортогональными нитям 120.

Нити 120 прядей проходят за пределы границы 112. Эти нити 120 обеспечивают структурную прочность только в направлении, в котором они проходят. Нити 120 не поддерживаются в ортогональном направлении. Поддержка может быть ослаблена, например, путем использования лишь небольшого процента (например, 10-30%) поперечных волокон, которые обычно используются в пряди. В примере, показанном на фиг. 1А, пряди проходят в x-направлении, а их нити 120 проходят за пределы границы 112. Нити 120 обеспечивают структурную прочность в x-направлении. Никакие поперечные волокна не используются для поддерживания нитей 120. Подобным образом, нити 120, проходящие за пределы границы 112 в y-направлении, обеспечивают прочность только в y-направлении. Для поддерживания этих нитей 120 не используются никакие поперечные волокна.

Эта ослабленная или недостаточная структурная поддержка в ортогональном направлении обеспечивает возможность "распределения" нитей 120. В сжатом состоянии нити 120 перераспределяются таким образом, что количество (N) рядов сокращается. В ткани 110, показанной на фиг. 1А, нити 120, проходящие за границу 112, являются распределенными.

На фиг. 2А и 2В показана прядь 210 в ткани до и после распределения ее нитей 220. На фиг. 2А показана прядь 210, имеющая N=5 рядов нитей 220 до распределения нитей 210. При приложении сжимающей силы (F) к неподдержанной или слабо поддержанной части пряди 210 в z-направлении указанная сжимающая сила принуждает нити 220 распределяться в ортогональном (y) направлении. На фиг. 2В показаны нити 220 после распределения. В примере, показанном на фиг. 2В, число рядов распределенных нитей 220 уменьшено от 5 до 2. Ширина распределенных нитей 220 может быть больше, чем ширина полностью поддержанных нитей в пряди 210.

Как показано на фиг. 1А, сокращение числа или устранение поперечных волокон также уменьшает осевую жесткость нитей 120, проходящих за пределы границы 112. Таким образом, ткань 110 является более мягкой с наружной стороны границы 112, чем с внутренней стороны границы 112.

Жесткость нитей 120 с наружной стороны границы 112 может быть дополнительно уменьшена путем придания волнистой формы концам некоторых или всех нитей 122. На фиг. 1А показаны нити 120, имеющие прямые части, которые заканчиваются волнистыми концами 122. Волнистые концы 122 лежат в x-y-плоскости. Поскольку нити 120 также лежат в той же плоскости, волнистость, как говорят, является "плоской".

Таким образом, ткань 110 имеет переменную жесткость. Жесткость является самой высокой с внутренней стороны границы 112 и уменьшенной с наружной стороны границы 112, но может быть дополнительно уменьшена в волнистых концах 122. Нити 120, принимающие нагрузку в своих концах, подвергаются меньшему напряжению, чем нити, расположенные с внутренней стороны границы 112.

Для ткани 110, показанной на фиг. 1А, прямые части нитей, расположенных с наружной стороны границы 112, передают нагрузку. Волнистые концы 122 нитей не будут передавать нагрузку.

На фиг. 1В показан другой пример изделия 150, содержащего композитную ткань 160, изготовленную из прядей. Нити 170 проходят за пределы границы 162 прядей. Передача нагрузки может быть настроена путем изменения длины нитей 170 таким образом, чтобы нити принимали нагрузку в различных местах. Передача нагрузки может быть дополнительно настроена путем формирования некоторых концов 172 нитей 120 волнистыми и некоторых концов 174 прямыми.

Изделия 100 и 150, показанные на фиг. 1А и 1В, дополнительно содержат смолу (не показана). Текстиль 110 и 160 встроен в смолу. В качестве первого примера, пряди и распределенные нити пропитаны матрицей смолы непосредственно перед отверждением. В качестве второго примера, пряди предварительно пропитывают матрицей смолы до укладки. В качестве третьего примера, пряди соединяют вместе с использованием частично поперечной связанной смолы для облегчения хранения и транспортировки перед окончательной обработкой.

На фиг. 3 показан пример первой и второй прядей 310 и 320, которые отдалены друг от друга на расстояние d. Поскольку нити 312 в первой пряди 310 являются распределенными, ширина распределенных волокон может превышать ширину первой пряди 310. То же самое может относиться к нитям 322 второй пряди 320. Следовательно, некоторые нити 312, проходящие из первой пряди 310, могут быть смешаны с некоторыми нитями 322, проходящими из второй пряди 320 (на фиг. 3 показаны только две смешанные нити 312 и 322 для иллюстрации указанного аспекта).

На фиг. 4 показан пакет 410 слоев. Пакет 410 слоев включает множественные слои 420. Один или большее количество наиболее удаленных слоев 420 в пакете 410 могут включать многомерную ткань, описанную в настоящей заявке (на фиг. 4 показана ткань, описанная в настоящей заявке, только в одном наружном слое). Остальные слои 410 могут включать обычные пряди.

Пакет слоев 410 не ограничивается какой-либо конкретной частью или структурой. Ниже описаны два примера.

На фиг. 5 показан первый пример, в котором первая часть 510 соединена со второй частью 520. Как и в предпоследнем примере, первая часть 510 может быть балкой, а вторая часть 520 может быть панелью. Первая часть 510 содержит пакет 410 слоев. Нити 412, проходящие от наружного слоя пакета 410, расположены на поверхности второй части 520. Части 510 и 520 могут быть соединены связыванием, совместным связыванием или совместным отверждением. Совместное отверждение представляет собой соединение частей 510 и 520, пока обе части 510 и 520 остаются несхватившимися (т.е. неотвержденными). Совместное связывание представляет собой соединение частей 510 и 520, пока одна из частей остается несхватившейся, а другая является уже отвержденной или сформированной иным способом. Соединение представляет собой соединение указанных двух частей 510 и 520 после отверждения указанных двух частей 510 и 520.

Нити 412 улучшают соединение указанных двух частей 510 и 520. Индивидуально соединение тысяч нитей 412 со второй частью 520 значительно уменьшает опасность нарушения связей. Поскольку каждая нить 412 является независимой от других нитей, должно произойти нарушения связей сотен или тысяч нитей для существенного нарушения соединения.

Плоскостная волнистость концов нити обеспечивает дополнительные преимущества. Волнистость принимает на себя небольшую нагрузку.

На фиг. 6 показан второй пример: наложение заплаты на панель 610, содержащую множественные слои углеродных усиливающих волокон, внедренных в пластиковую матрицу. В каждом слое углеродные волокна проходят однонаправлено под заданным углом (составляющим, например, 0°, +45°, -45° и 90°).

Поврежденную область панели 610 вырезают. В примере, показанном на фиг. 6, вырезанная область 612 представляет выемку в семь слоев глубиной и со скошенными краями.

Заплата 620 для панели 610 содержит пакет слоев. Слои пакета соответствуют удаленным слоям панели 610. Таким образом, каждый слой заплаты 620 имеет размер и форму, подходящие для замены удаленного слоя панели. Кроме того, каждый слой может иметь ту же ориентацию волокон, что и удаленный слой панели. Граница верхнего слоя примерно совпадает с отверстием в верхнем слое панели 610.

В заплате 620, показанной на фиг. 6, верхний слой содержит многонаправленное ткацкое переплетение прядей. Распределенные нити (не показаны) проходят за пределы границы ткацкого переплетения. Например, распределенные нити проходят поперек четырех краев. Концы нитей могут иметь плоскостную волнистость. Остальные слои заплаты 620 могут содержать обычные ткацкие переплетения или однонаправленные пряди волокон.

Слой 630 адгезива может быть нанесен на скошенную область 612 панели 610. Заплату 620 укладывают в скошенную область 612. Нити, проходящие за пределы границы ткацкого переплетения, расположены на верхней поверхности панели 610 и соединены с ней.

Тысячи распределенных нитей проходят от заплаты 620 поперек соединения, сформированного между заплатой 620 и панелью 610, на панель 610. Распределенные нити создают тысячи индивидуальных связей с панелью 610, что предотвращает отслаивание заплаты 620 от панели 610. Волнистые концы нитей могут принимать нагрузку, но они не передают нагрузку остальной части заплаты, что дополнительно предотвращает отслаивание заплаты 620 от панели 610.

Ткань, указанная в настоящей заявке, не является ограничением для соединения первой части композита со второй частью композита. Вторая часть может быть выполнена из металла или другого некомпозитного материала. Распределенные нити, проходящие вдоль соединения между указанными двумя частями, могут быть связаны адгезивным способом с металлической частью.

Ткань, указанная в настоящей заявке, даже не является ограничением для соединения одной части композита с некомпозитной частью. В показанном на фиг. 6 примере и панель, и заплата могут быть выполнены из металла вместо усиленного волокном пластика. Металлическая заплата может быть связана внутри поврежденной области металлической панели, а ткань, указанная в настоящей заявке, может покрывать металлическую заплату, причем ее распределенные нити могут проходить вдоль соединения на поверхность металлической панели. В дополнение к удерживанию металлической заплаты в панели указанная ткань может создавать барьер, препятствующий попаданию влаги.

Ткань, описанная в настоящей заявке, не ограничивается шаблонами, показанными на фиг. 1А и 1В. Ткань, описанная в настоящей заявке, не ограничивается нитями, проходящими в первом и втором направлениях, которые являются ортогональными.

На фиг. 7 показана ткань 710, содержащая трехосное сплетение прядей, проходящих в трех направлениях (w, x и y). Центральная часть 720 ткани 710 сформирована путем перекрывания прядей, проходящих во всех трех направлениях. Периферийные части 730 ткани 710 сформированы из прядей, проходящих в двух из указанных трех направлений. Например, нижняя правая периферийная часть 730 ткани 710 сформирована из прядей, проходящих в направлениях w и y. Нити, проходящие мимо границы ткани 710, являются распределенными.

На фиг. 8 показана ткань 810, имеющая круглую границу 830, и нити 820 проходят за пределы круглой границы 830. Указанная ткань 810 может быть сформирована путем разрезания многонаправленного ткацкого переплетения в круглую форму вытягиванием отдельных нитей в области границы и укладкой указанных индивидуальных нитей ортогонально границе 830.

Многонаправленная ткань, описанная в настоящей заявке, не ограничивается ткацким переплетением или сплетением. Согласно другим вариантам реализации многонаправленная ткань 110 включает ламинат множественных слоев прядей с прядями каждого слоя, который является однонаправленным. Например, первый слой включает пряди, проходящие в x-направлении, а второй слой включает пряди, проходящие в y-направлении. Прочность обеспечивается как в x-направлении, так и в y-направлении перекрывающимися частями слоев.

Ткань, описанная в настоящей заявке, не ограничивается всеми нитями, проходящими мимо границы. Согласно некоторым вариантам реализации только некоторые нити могут проходить мимо границы, в то время как другие нити, проходящие в том же самом направлении, заканчиваются в границе. Преимущество завершения некоторых нитей в границе состоит в том, что такой подход облегчает распределение волокон, проходящих за пределы границы.

В ткани, описанной в настоящей заявке, все нити могут иметь одинаковый модуль и одинаковый коэффициент теплового расширения. Однако ткань, описанная в настоящей заявке, не ограничивается этим.

В ткани, описанной в настоящей заявке, все нити могут иметь одинаковый состав. Например, ткань, описанная в настоящей заявке, может содержать только углеродные нити. Однако ткань, описанная в настоящей заявке, не ограничивается этим и согласно некоторым вариантам реализации нити могут иметь различные составы. Например, ткань, описанная в настоящей заявке, может иметь комбинацию стеклянных нитей и углеродных нитей. Использование стеклянных нитей может привести к повышенной прочности под нагрузкой. Как показано на фиг. 1В, углеродные нити, имеющие волнистые концы, могут быть заменены стекловолокнами, имеющими прямые концы.

Ткань, описанная в настоящей заявке, не ограничивается прядями конкретной ширины или с конкретным количеством нитей. Пряди могут содержать тысячи нитей.

В ткани, описанной в настоящей заявке, нити не ограничиваются волнистыми концами, имеющими синусоидальную форму. Согласно некоторым вариантам реализации нити 920 ткани 910 могут иметь волнистые концы 922, которые изогнуты параллельно границе 912 ткани, как показано на фиг. 9.

На фиг. 10 показан общий способ использования ткани, описанной в настоящей заявке. На этапе 1010 соединяют первую и вторую части. Первая часть содержит наружный слой, сформированный ткацким плетением первых прядей, проходящих в первом направлении, и вторых прядей, проходящих во втором направлении. Концевые части первых прядей проходят на поверхность второй части. Адгезив может быть нанесен на контактные поверхности первой и второй частей.

На этапе 1020 концевые части прядей распределяют на отдельные нити. К концевым частям может быть приложено давление (например, посредством ролика) для распределения нитей. Нити могут быть расчесаны для их дополнительного надежного распределения. На распределенные нити также может быть нанесен адгезив.

На этапе 1030 соединяют первую часть с второй частью, в результате чего контактные поверхности частей соединяются вместе, и распределенные нити соединяются с поверхностью второй части. В зависимости от состава и степени обработки частей соединение может быть осуществлено путем совместного отверждения, совместного связывания или соединения. Во время отверждения или соединения могут быть применены нагрев и давление с использованием автоклава. Если первой частью является заплата, тепло и давление могут быть применены с использованием теплового матраса.

На фиг. 11 показан самолет 1100, содержащий фюзеляж 1110, крылья 1120 и хвостовое оперение 1130. Силовая установка 1140, содержащая один или большее количество двигателей, соединена с фюзеляжем 1110, крыльями 1120 или другими частями самолета 1100. Структурные элементы из армированного волокном пластика, такие как обшивка, усиливающие элементы, шпангоут и лонжероны, могут быть соединены для формирования фюзеляжа 1110, крыльев 1120 и хвостового оперения 1130. В указанных структурных элементах из армированного волокном пластика может быть использован текстиль, описанный в настоящей заявке. Например, балка содержит фланец, выполненный из армированного волокном пластика, связанный с панелью обшивки и/или прикрепленный к ней. Балка может быть использована для крепления панели обшивки. Ткань, описанная в настоящей заявке, используется в наружном слое фланца. Отдельные нити, проходящие из ткани, соединены с панелью обшивки. Нити могут проходить продольно из фланца и/или поперек из фланца.

Текстиль, описанный в настоящей заявке, также может быть использован для ремонта поврежденных частей фюзеляжа 1110, крыльев 1120 и хвостового оперения. Определенные элементы самолета 1100 могут быть подвержены эрозионному повреждению и/или ударному повреждению. Ткань, описанная в настоящей заявке, может быть использована для устранения повреждений, как описано выше. Отдельные нити ткани препятствуют отслаиванию заплаты. Волнистые концы нитей дополнительно препятствуют отслаиванию заплаты.

Заплата также уменьшает степень повреждения после удара. Если по исправленному участку еще раз ударяют обломки, волнистые концы нитей принимают ударные нагрузки, но не передают их к остальной части заплаты.

Предложено изделие, содержащее многонаправленную ткань из первых усиливающих жгутов волокна, проходящих в первом направлении, и вторых усиливающих жгутов волокна, проходящих во втором направлении. Нити в первых жгутах волокна проходят за пределы границы ткани и являются распределенными. Жгуты внедрены в смолу. 4 н. и 15 з.п. ф-лы, 13 ил.

1. Композитное изделие, содержащее многонаправленную ткань из первых усиливающих жгутов волокна, проходящих в первом направлении, и вторых усиливающих жгутов волокна, проходящих во втором направлении, причем концы жгутов распределены на отдельные нити, и распределенные нити в первых жгутах волокна проходят за пределы границы ткани, а жгуты внедрены в смолу,

при этом концы распределенных нитей имеют плоскостную волнистость.

2. Изделие по п. 1, в котором нити во вторых жгутах также проходят за пределы границы ткани и являются распределенными.

3. Изделие по п. 1, в котором нити в пределах границы ткани обеспечивают структурную прочность вдоль первого и второго направлений, причем нити, проходящие за пределы границы, обеспечивают структурную прочность в только первом направлении.

4. Изделие по п. 1, в котором ткань содержит заданное число рядов связанных нитей, причем распределенные нити находятся в меньшем числе рядов.

5. Изделие по п. 1, в котором ткань имеет ткацкое переплетение жгутов.

6. Изделие по п. 5, в котором нити, проходящие за пределы границы, разрежены таким образом, что не поддерживаются поперечными волокнами.

7. Изделие по п. 1, в котором ткань имеет плетение жгутов, проходящих в первом, втором и третьем направлениях.

8. Изделие по п. 1, в котором ткань имеет круглую границу, причем нити, проходящие за пределы границы, являются перпендикулярными по отношению к границе.

9. Изделие по п. 1, в котором нити, проходящие за пределы границы, имеют концы различной длины.

10. Композитная укладка, содержащая множество слоев усиливающих волокон и наружный слой, содержащий изделие по п. 1.

11. Композитная структура, содержащая первую и вторую части, соединенные вместе, причем первая часть содержит множественные слои усиливающих волокон, при этом наружный слой из числа указанных слоев содержит многомерную ткань усиливающих жгутов, имеющих распределенные нити, которые соединены с поверхностью второй части.

12. Структура по п. 11, в которой первая и вторая части являются дискретными.

13. Структура по п. 12, в которой дискретные части являются элементами конструкции самолета.

14. Структура по п. 11, в которой первая часть является заплатой для второй части.

15. Структура по п. 14, в которой вторая часть расположена в области самолета, которая подвержена ударному повреждению.

16. Структура по п. 11, в которой концы нитей являются волнистыми.

17. Способ изготовления композитной структуры, содержащий этапы, согласно которым:

соединяют первую и вторую части, причем первая часть содержит наружный слой, имеющий ткацкое переплетение первых жгутов, проходящих в первом направлении, и вторых жгутов, проходящих во втором направлении,

распределяют концы жгутов на отдельные нити и

соединяют распределенные нити с поверхностью второй части.

18. Способ по п. 17, согласно которому первая и вторая части являются элементами конструкции самолета.

19. Способ по п. 17, согласно которому первая часть является заплатой для второй части, которая в свою очередь является элементом конструкции самолета.