удлиненная композитная структура

Формула изобретения

УДЛИНЕННАЯ КОМПОЗИТНАЯ СТРУКТУРА, состоящая из полимерной матрицы, армированной волокнами с различной ориентацией, отличающаяся тем, что полимерная матрица выполнена из полиэфиркетонкетона, в качестве армирующего волокна полимерная матрица содержит хаотично порванные углеродные волокна, которые ориентированы по отношению к продольной оси удлиненной композитной структуры в поперечном и непоперечном направлениях, при этом углеродные волокна, ориентированные в непоперечных направлениях криволинейного участка, изогнуты по отношению к центру в направлении, определяемом радиусом этого криволинейного участка, а углеродные волокна, ориентированные в поперечном направлении криволинейного участка, направлены к центру радиуса кривизны указанного криволинейного участка.

Описание изобретения к патенту

Изобретение касается формованных материалов с полимерной матрицей, армированной волокнами, более конкретно формованного материала, сохраняющего ориентацию волокон в материале относительно друг друга.

Известно, что многие термопластичные полимерные материалы могут формоваться разными способами формования металлов, как, например, глубокая вытяжка, гибка с вытяжкой, штамповка, связывание и т.д. Также известно армирование полимерных материалов волокнами, полученными из стекла, углерода, арамида для получения более высокой прочности, сопротивления удару и стабильности размеров. Однако известные способы формования полимерных материалов, содержащих волокна, ориентированные во многих направлениях, не позволяют сохранить ориентирование волокон относительно друг друга во время формования структуры. Во многих случаях это ведет к пониженной механической прочности. Один из способов решения проблемы состоит в проведении ручной укладки формуемой структуры из дискретных сегментов полимерного материала, армированного волокнами, затем в отверждении ориентированного уложенного материала в конечной форме при управлении тем самым ориентацией волокон. Получение известной композитной структуры, состоящей из полимерной матрицы, армированной волокнами с различной ориентацией, является трудоемким и дорогостоящим процессом.

Технической задачей, решаемой изобретением, является снижение трудоемкости получения композиционного материала.

Поставленная задача решается тем, что полимерная матрица состоит из полиэфиркетонкетона (РЕКК), в качестве армирующего волокна полимерная матрица содержит хаотично порванные углеродные волокна, которые ориентированы по отношению к продольной оси удлиненной композитной структуры в поперечном и непоперечном направлениях, при этом углеродные волокна, ориентированные в непоперечных направлениях криволинейного участка, изогнуты по отношению к центру в направлении, определяемом радиусом этого криволинейного участка, а углеродные волокна, ориентированные в поперечном направлении криволинейного участка, направлены к центру радиуса кривизны указанного криволинейного участка.

Продукт (изделие) определяется как удлиненная составная структура, сформованная по заданному пути, который (путь) имеет криволинейные участки, причем каждый из этих участков определяется радиусом кривизны относительно центра, и названная структура включает в себя полимерную матрицу, армированную волокнами, причем волокна ориентированы относительно продольной оси структуры в поперечном и непоперечном направлениях, волокна, ориентированные в непоперечных направлениях криволинейного участка, изогнуты относительно центра радиуса криволинейного участка, а волокна, ориентированные в поперечном направлении криволинейного участка, направлены к центру радиуса кривизны этого криволинейного участка.

Продукт может включать в себя несколько форм разных поперечных сечений, которые могут быть классифицированы по числу слоистых поверхностей и соединений этих поверхностей. Например, секции L, C, O, Z или цилиндра могут рассматриваться как имеющие две слоистые поверхности без соединений, тогда как Т или секции могут рассматриваться как имеющие три слоистые поверхности с одним соединением. Секция I или H имеет четыре слоистые поверхности с двумя соединениями.

Соответствующие термопластичные полимерные материалы, которые могут использоваться в качестве полимерной матрицы, включают в себя полиэфиркетонкетоны. Выбранный полимер армируется углеродными волокнами.

Для формования определенных поперечных сечений внутренний участок формы поперечного сечения должен поддерживаться формующимся элементом, который должен быть гибким в продольном направлении или направлении формования, но оставаться жестким в опорных направлениях, которые перпендикулярны к продольному направлению и могут выдерживать условия процесса. В предпочитаемом варианте реализации этим формующимся элементом является набор стальных полос.

На фиг. 1 схематично изображено устройство для формования армированного волокнами полимерного материала; на фиг.2 схематично изображен формат вычисления пути траектории кулачка устройства, показанного на фиг.1; на фиг.3 представлена схема системы, управляемой компьютером, для регулирования работы устройства для формования структур полимерных матриц, армированных волокнами; на фиг.4-11 показаны стадий работы устройства по фиг.1 при формовании структуры; на фиг.12 представлен вид в перспективе с частичным вырывом для показа индивидуальных сгибов прямой исходной структуры перед формованием; на фиг.13-16 схематично изображены в плане индивидуальные сгибы на фиг. 12 с ориентированием волокон; на фиг.17 представлен вид в перспективе с частичным вырывом для показа индивидуальных сгибов формуемой структуры; на фиг. 18-21 схематично показаны ориентирования волокон в разных сгибах формуемого изделия на фиг. 17; на фиг.23, 25-27 сечения А-А на фиг.1, представляющие формование соответственно частей в поперечном сечении Т, Н, С, J или O, а также полых сформованных частей; на фиг.24 изображен вид в плане с вырывом, соответствующий фиг.23, иллюстрирующий структуру используемого опорного элемента.

Предпочитаемый вариант реализации изобретения обеспечивает способ формования структуры полимерной матрицы, армированной волокнами, как показано на фиг. 1, при этом устройство для осуществления способа обычно включает в себя раму 1, два концевых зажима 2 и 3 в противоположных местах на раме, две пары направляющих для кулачков, расположенные в противоположных местах (показана только одна пара 4, 5), два гидравлических цилиндра, 6 и 7, шарнирно соединенных между рамой и зажимами, множество инструментов 8-12 удерживания, прикрепленных к раме. Каждый удерживающий инструмент имеет конфигурацию, соответствующую форме отрезка компонента формуемой структуры. Гидравлические цилиндры 13-17 прикреплены к верхней поверхности удерживающих инструментов 8-12. Фасонная матрица, содержащая базовый инструмент 18, нагреваемый электрическими секционными нагревателями 19 (фиг.3) (фирма "Ватлоу электрик мануфекчуринг ко", нагреватель с запальным патроном 10А62), прикрепленный к раме 1, и колпачковый инструмент 20, соединенный с гидравлическим цилиндром 21, который установлен на раме 1 для перемещения в сторону от и к базовому инструменту, расположены между концевыми зажимами 2 и 3. Исходный отрезок 22 зажимается каждым своим концом в зажимах 2 и 3 и помещается между удерживающими инструментами 8-12 и базовым инструментом 18.

На фиг. 2 показано, что траектория направляющих 4, 5 кулачка исходит из геометрии конечной криволинейной формы, которая необходима, как это определяется нижней кромкой 23 конечного сформованного компонентного отрезка. Более конкретно, когда формуется формуемое изделие по заданному направлению пути множества компонентных отрезков, каждый компонентный отрезок определяется зависимыми переменными S, x, y и независимыми переменными L, R, D и O, где х, у являются координатами точек, которые образуют траектории направляющих 4, 5 кулачка, L является длиной несформованного материала, S представляет промежуточную длину дуги одного из компонентных отрезков, R есть радиус кривизны дуги S, D является расстоянием смещений координат х, y от линии, касательной к дуге S в ее концевой точке Т, и есть угловое положение координаты тангенциальной точки Т. Остальная часть прямой длины равна L минус S. Чтобы правильно определить форму направляющих кулачка, необходимо определить длину дуги S как имеющую нулевое расстояние, отстоящую на однородное расстояние А от нижней кромки 23.

Координаты х, у выражаются как функция независимых переменных L, R, D и O, так что когда S R (90-0)/ (150), то х R cos() + (L S)sin(0) + D cos();

y R sin() (L S) cos(0) + D sin().

На фиг.3 компьютер 24 (программируемый логический контроллер серии 515, модель 1785-LT, фирмы "Аллен Бредли") соединен на своих выходных клеммах с гидравлическим контроллером 25 и контроллером 26 нагревателя. Гидравлический контроллер 25, в свою очередь, соединен с цилиндрами 6, 7, 13-17 и 21. Контроллер 26 нагревателя соединен с электрическим секционным нагревателем 19, расположенным в базовом инструменте 18. Входы на компьютер содержат датчики 27 и 28 положения, расположенные на концевых зажимах 2 и 3 для подачи сигналов, когда гидравлические цилиндры 6 и 7 растягивают исходную длину 22 до промежуточных положений, соответствующих тангенциальным точкам индивидуальных компонентных отрезков (длин). Дополнительные входы на компьютер составляют датчики 29-32 давления для определения, когда достигнуто достаточное давление для удерживания и уплотнения. Термопара 33 в базе 18 соединена с входом контроллера 26 нагревателя для детектирования температуры и сигнализирования контроллера.

После помещения исходного отрезка (заготовки) 22, зажатого в зажимах 2 и 3, начинается последовательность операций. Тепло подается на электрические секционные нагреватели 19 через контроллер 26 нагревателя. Термопара 33 детектирует уровень температуры и подает сигнал, когда рабочая температура достигнута. Компьютер подает сигнал на гидравлический контроллер 25 начинать операцию растягивания, и зажимы 2 и 3 перемещаются в направляющих 4, 5 посредством гидравлических цилиндров 6, 7, которые соединены с соответствующими зажимами для формирования первого компонентного отрезка. Когда положение первого компонентного отрезка достигнуто, как это детектировано датчиком 27, 28, сигналы подаются на компьютер 24, который посылает сигнал контроллеру 25, чтобы привести в действие цилиндр 15, который перемещает удерживающий инструмент 10 относительно исходного отрезка 22, чтобы удерживать на месте сформованный компонентный отрезок. На следующей стадии в программе компьютер посылает сигнал гидравлическому контроллеру 25 продолжать растягивание, пока не будут сформованы два смежных компонентных отрезка. Когда два смежных компонентных отрезка сформованы при вторых положениях растягивания, как снова об этом говорят датчики 27, 28, сигналы подаются на компьютер 24, который посылает сигнал контроллеру 25 для возбуждения цилиндров 14, 16. Они перемещают свои соответствующие удерживающие инструменты относительно исходного отрезка, чтобы удерживать на месте эти сформованные компонентные отрезки. На следующей стадии в программе компьютер 24 посылает сигнал гидравлическому контроллеру 25, чтобы продолжать растягивание, пока не будут сформованы два конечных компонентных отрезка. Когда два конечных компонентных отрезка достигают своего конечного положения, как сообщают об этом датчики 27, 28, сигналы подаются на компьютер 24, который посылает сигналы контроллеру 25 для возбуждения цилиндров 13, 17. Они перемещают свои соответствующие удерживающие инструменты относительно исходного отрезка, чтобы удерживали сформованные компонентные отрезки на месте. При возбуждении конечных удерживающих цилиндров компьютер посылает сигнал гидравлическому контроллеру для возбуждения цилиндра 21 колпачкового инструмента, чтобы уплотнить конечную часть, выключить нагреватели и возбудить циркуляцию охлаждающего потока через базовый инструмент 18.

Стадии формования лучше показаны на фиг.4-11. На фиг.4 показана исходная установка исходного отрезка 22, помещенного в формующее устройство без приложения усилий. Исходный отрезок 22 зажимается, и затем подается тепло через базу 18. Когда исходный отрезок 22 достигает рабочей температуры для данного используемого полимера, исходная часть растягивается для образования центрального компонентного отрезка (фиг.5) с помощью расширяющих цилиндров 6, 7, пока прямой отрезок не станет касательным к дуге на конце центрального компонентного отрезка. После того, как этот центральный компонент образован, цилиндр 15 удерживающего инструмента расширяется, чтобы передвинуть удерживающий инструмент 10 для удерживания на месте компонентного отрезка (фиг.6), когда одновременно формуются смежные компонентные отрезки (фиг.7) и удерживаются (фиг. 8). Конечное растягивание происходит в отношении оставшихся компонентных отрезков (фиг.9), и затем сформованная часть (деталь) уплотняется оставшимися удерживающими инструментами 8, 12 (фиг.10) и колпачковым инструментом 20 (фиг.11).

Из фиг.12-16 видно, что исходный отрезок 22 состоит из колпачкового участка 34, участка перегородки 35 и наполнителя 36. Это конкретное изделие может считаться имеющим три слоистые поверхности с одним соединением и одним наполнителем 36. Более конкретно эти трехслойные участки обозначены под позициями 37, 38 и 34. Наполнитель 36 окружен соединением 39. Хотя это описано специально в отношении секции Т, оно также применяется к слоистым поверхностям, соединениям и наполнителям других сформованных структур, таких как L, C, O, Z, J, I и цилиндрических секций. Сгибы, которые образуют перегородку, также образуют нижнюю часть колпачка. Верхняя часть колпачка образована с помощью дополнительных сгибов. Участок колпачка и участок перегородки составлены из множества сгибов, каждый из которых (сгибов) состоит из материала полимерной матрицы, армированной волокнами, где волокна в таком сгибе ориентированы относительно продольной оси в поперечном и непоперечном направлениях. Волокна в непоперечном направлении хаотично порваны, тогда как волокна в поперечном направлении непорванные или хаотично порванные. Более конкретно волокна 40 в сгибе 41 ориентированы под углом 45^о к продольной оси, волокна 42 в сгибе 43 ориентированы под углом 45^о относительно продольной оси, волокна 44 в сгибе 45 ориентированы под углом 0^о относительно продольной оси и волокна 46 в сгибе 47 ориентированы под углом 90^о относительно продольной оси. Таким образом, волокна в сгибах 41, 43 и 45 ориентированы в непоперечных направлениях, тогда как волокна в сгибах 47 ориентированы поперек относительно продольной оси. Это можно более четко видеть на фиг.13-16. Наполнитель 36, состоящий из волокон, ориентированных под углом 0^о в направлении относительно продольной оси в материале полимерной матрицы, используется для наполнения образовавшейся пустоты, где перегородка встречается с колпачком.

На фиг.17-20 показан отрезок с произведенным вытягиванием, где сгибы 41, 43, 45 содержат волокна 40, 42, 44, ориентированные в непоперечных направлениях, которые изогнуты относительно центра с радиусом кривизны, соответствующим этому конкретному участку составной структуры, тогда как волокна 46, ориентированные в поперечном направлении в сгибе 47, направлены к центру радиуса кривизны для этого конкретного участка. Следует отметить, что волокна на фиг. 18-21 после формования остаются ориентированными относительно друг друга и продольной оси структуры и таким образом, находятся в заданном положении для образования оптимальной прочности в конкретном применении. Хотя предпочитаемый вариант реализации описан как составная структура в форме Т, этот способ может использоваться для формования частей, которые имеют другие структурные формы.

На фиг.22, 23, 25-27 показаны в поперечном сечении альтернативные сформованные части вместе с опорными элементами, где необходимо. Более конкретно на фиг.22 показано Т-образное поперечное сечение, покрытое алюминиевой оболочкой 48 и удерживаемое на месте удерживающим инструментом 10 и базовым инструментом 18. Аналогично (на фиг.23 Н-образная составная структура 49 в алюминиевой оболочке 48 удерживается на месте удерживающим инструментом 10 и базовым инструментом 18. Благодаря этой конкретной конфигурации опорные элементы 50 располагаются во внутренних частях Н-образного поперечного сечения. Опорные элементы содержат множество штабелированных стальных полос 51, как показано на фиг. 24. Стальные полосы 51 могут свободно перемещаться в продольном направлении одна относительно другой. Структура опорных элементов такая же на фиг. 25, 26 и 27, которые показывают С-образную, J-образную и О-образную полые конфигурации, удерживаемые на месте удерживающим инструментом 10 и базовым инструментом 18. Опорные элементы 50 не зажаты на своих концах в зажимах 2 и 3 как исходные отрезки 49, 22, 52, 53 и 54.

В предпочитаемом варианте реализации опорный элемент 50 описан как набор (штабель) стальных полос. Хотя стальные полосы предпочтительнее, благодаря их гибкости в направлении формования или продольном направлении в сочетании с жесткостью в опорных направлениях, которые нормально перпендикулярны к продольному направлению, для этой цели может быть использован и другой опорный элемент, отвечающий указанным выше критериям.

Изобретение иллюстрируется следующими примерами.

П р и м е р 1. Прямая плоская полоса AS4 графитового волокна в полиэфирном кетонкетоне (РЕКК термопластичная смола) была сформирована в плоский контур с внутренним радиусом 47 дюймов (1193,8 мм). Объем волокон составлял 60% волокна были прерывистыми и ориентированными в направлениях 0,90 и 45^о. Стальные инструменты выполняли с электрическими патронными нагревательными элементами и каналами воздушного охлаждения. Инструменты имели длину 9 дюймов (228,6 мм) и давали шестидюймовую (152,4 мм) формующую область. Деталь зажималась по месту и нагревалась до 700^оF (371,1^oC). Входная и выходная кромки имели температуру менее 550^оF (287,8^oC). После формирования деталь повторно отверждалась при 500 psi (3447,38 кПа). Были сформированы три соседних сегмента, и окончательная деталь имела ровные переходы между этими сегментами.

П р и м е р 2. Сорокадюймовую часть (1013 мм) пятидесяти пяти дюймовой (1397 мм) ровной Z-секции AS4 графитового волокна в РЕКК термопластичной смоле формировали в деталь с входным углом 20^о с постоянным радиусом 6 футов (1828,8 мм). Объем волокон составлял 60% волокна были прерывистыми и ориентированными в направлениях 0,90 и 45^о. Стальные инструменты детали с электрическими патронными нагревательными элементами и каналами воздушного охлаждения. Инструменты были 17 дюймов длины (431,8 мм), и в каждом цикле формовалось 10^о дуговой секции. Деталь зажимали по месту и нагревали до 700^оF (371,1^оС). Входная и выходная кромки имели температуру менее 500^оF (287,8^oC). После формования деталь повторно отверждали при 600 pSi (4136,856 кПа). Было сформировано три соседних сегмента, и окончательная деталь имела ровные переходы между этими сегментами.