专利名称：多种不同纤维材料的未固结复合缆绳的制作方法
技术领域：
本发明涉及纤维加强的复合材料。
背景技术：
特殊的一类纤维加强的复合材料包括狭窄的平整带材，所述带材包括多条基本上 平行的结构化纤维，这些纤维以未固结的聚合树脂浸渍，这种带材也称为“预浸渍带材”。这 种带材通常利用自动化的纤维布置过程组装或“铺设”成料层，以形成未固结的复合组件， 所述复合组件随后通常利用热量和压力强化并固结，形成纤维加强的复合工件。这种带材 通常呈现宽高比较大的矩形截面。通常期望在复合工件中具有不同类型的结构化纤维。例如，在工件中包括石墨纤 维和玻璃纤维通常具有优势，以便工件既坚固又具有足够的断裂韧性。传统上，这种工件通 过铺设包含石墨纤维的复合料层以及包含玻璃纤维的额外料层或局部料层来实现。但是， 在采用自动化的纤维布置设备时，任一时刻仅能铺设一种类型的纤维，即石墨纤维或者玻 璃纤维。为了改变纤维类型，馈送给自动化纤维布置设备的全部复合预浸渍材料必须换掉， 这既耗费时间又加重负担。作为替代，一种类型的材料保留装载在自动化纤维布置设备中， 而包含另一种材料的材料手工铺设在纤维布置工件上，这样阻碍了完全利用昂贵的自动化 纤维布置设备。本领域存在树脂浸渍的结构化纤维型材的众多设计方案，但是仍然存在显著的缺 陷。
被认为是本发明新颖特征的特征在附带的权利要求书中论述。但是本发明本身以 及优选使用模式以及本发明的进一步目标和优势，在结合附图阅读以下详细描述时，将得 到最好的理解，在附图中，附图标记最左侧的有效数字指代首次出现该附图标记的附图，在 附图中图1描绘了包括多种不同纤维材料的未固结复合缆绳的第一例述性实施方式的 类型化横截面视图；图2描绘了包括多种不同纤维材料的未固结复合缆绳的第二例述性实施方式的 类型化横截面视图；图3描绘了包括多种不同纤维材料的未固结复合缆绳的第三例述性实施方式的 类型化横截面视图；图4描绘了包括多种不同纤维材料的未固结复合缆绳的第四例述性实施方式的 类型化横截面视图；图5描绘了包括多种不同纤维材料的未固结复合缆绳的第五例述性实施方式的 类型化横截面视图；图6描绘了包括多种不同纤维材料的扭绞的、未固结复合缆绳的例述性实施方式的类型化侧视立面图；图7描绘了包括多种不同纤维材料的编织的、未固结复合缆绳的例述性实施方式 的类型化侧视立面图；和图8描绘了包括多种不同纤维材料的编辫的、未固结复合缆绳的例述性实施方式 的类型化侧视立面图。
具体实施例方式虽然本发明容易构造各种改型方案和替代形式，但是在附图中作为示例示出了本 发明的具体实施方式
，并在以下详细描述。但是，应该理解，具体实施方式
的描述的目的并 不是将本发明限制于所公开的特定形式，而是相反，本发明将覆盖落入附带的权利要求书 所限定的本发明的精神和范围内的全部改型方案、等同方案和替代方案。以下描述本发明的例述性实施方式。为了清晰，并非实际实施方案的全部特征都 在说明书中描述当然应该理解，随着任何这些实际实施方案的发展，必须针对具体实施方 案做出各种决策，以实现开发者的具体目标，诸如符合与系统相关和与商业相关的约束，这 些约束从一种实施方案到另一种实施方案并不相同。此外，应该理解，任何这种开发工作可 能复杂且耗费时间，但是仍然是从本公开内容受益的本领域技术人员所从事的常规工作。在本说明书中，由于在附图中描绘了设备，所以可能针对各种部件之间的空间关 系以及部件各个方面的空间取向进行讨论。但是，在完整阅读本申请之后，本领域技术人员 应该理解，文中描述的设备、构件、装置等可以定位成任何期望的取向。因此，使用术语诸如 “上方”、“下方”、“上部”、“下部”或类似术语来描述各种部件之间的空间关系或者描述这些 部件的各个方面的空间取向，应该理解为分别描述部件之间的相对关系，或者所述部件各 个方面的空间取向，因为文中所述设备可以取向为任何期望的取向。文中公开了包括多种不同纤维材料的未固结复合缆绳。所述缆绳包括围绕一条或 多条内丝束设置的多条外丝束。至少其中一条外丝束包括不同于至少其中一条内丝束的纤 维材料的纤维材料。在一种实施方式中，缆绳的内丝束包括石墨纤维材料而外丝束包括玻 璃纤维材料。本发明还考虑了其他材料组合。所述缆绳可以利用传统的自动化纤维布置设 备进行铺设。因此，不同材料可以采用精确的方式组合并在单一操作中设置。使用未固结 的复合缆绳产生了较之传统上可以实现的情形更坚固、更轻和更具韧性的复合部件。图1描绘了未固结复合缆绳101的类型化截面图。缆绳101包括围绕一条或多条 内丝束105设置的多条外丝束103a-103f。每条丝束103a_103f和105包括一束扭绞或未 扭绞的结构化纤维。这种结构化纤维的示例包括但不限于碳纤维、石墨纤维、玻璃纤维、聚 芳基酰胺纤维等。在例述实施方式，仅示出了一条内丝束105，但是本发明考虑了多条内丝 束。丝束103a-103f和105以未固结聚合材料浸渍。所述材料的示例包括但不限于热塑 性聚合物、热固性聚合物、液晶聚合物、环氧聚合物、聚酰胺_酰亚胺聚合物、聚芳醚酮聚合 物、聚醚醚酮聚合物、聚酰亚胺聚合物、聚苯硫醚聚合物、聚酯聚合物、乙烯基酯聚合物等。在例述性实施方式中，外丝束103a_103f包括成分与内丝束105的结构化纤维不 同的结构化纤维。例如，在一种特定实施方式中，外丝束103a-103f包括玻璃纤维，而内丝 束105包括石墨纤维。但是，本发明也考虑了其他配置。例如，在替代实施方式中，外丝束 103a-103f包括石墨纤维，而内丝束105包括玻璃纤维。用于丝束103a_103f和105的纤维的特定类型根据实施方案确定。适合特定实施方案的纤维材料的任何组合都可以用在丝束 103a-103f 和 105 中。在特定实施方案中，可能希望一条或多条外丝束包括与内丝束相同的纤维材料。 因此，图2描绘了未固结复合缆绳201的类型化横截面视图。缆绳201包括围绕一条或多 条内丝束205设置的多条外丝束203a-203f。外丝束203a_203c包括与内丝束205相同的 纤维材料，而外丝束203d-203f包括与内丝束205不同的纤维材料。缆绳201的其他方面 大致与缆绳101对应。在其他实施方案中，可能希望一条或多条外丝束包括与其他外丝束或内丝束不同 的纤维材料。因此，图3描绘了未固结复合缆绳301的类型化横截面视图。缆绳301包括 围绕一条或多条内丝束305设置的多条外丝束303a-303f。外丝束303a-303c包括与内丝 束305不同的纤维材料，而外丝束303d-303f包括与外丝束303a_303c或者内丝束305不 同的纤维材料。缆绳301的其他方面大致对应于缆绳101。应该注意，任意数量的不同材料可以组合成未固结复合缆绳。例如，未固结复合缆 绳可以包括具有不同纤维材料的两条内丝束。在另一种示例中，未固结复合缆绳可以在外 丝束中包括两种以上的不同纤维材料。本发明的范围并不受内丝束数目、外丝束数目或者 用于未固结复合缆绳的纤维材料的特定组合以及数目的限制。缆绳101、201和301分别包括外丝束，即丝束103a-103f ；203a_203f和 303a-303f，它们横截面直径基本上与一条或多条内丝束即分别为丝束105、205和305相 同。但是，本发明的范围并不限于此。而是相反，外丝束横截面直径可以大于或小于一条或 多条内丝束。例如，图4描绘了未固结复合缆绳401的类型化横截面视图。缆绳401包括围 绕一条或多条内丝束405设置的多条外丝束403a-403e。在例述性实施方式中，外丝束 403a-403e横截面直径大于内丝束405。缆绳401的其他方面大致对应于缆绳101，除了不 同材料可以用于丝束403a-403e和405之外，正如以上针对缆绳201和301所讨论。图5描绘了未固结复合缆绳501的类型化横截面视图。缆绳501包括围绕一条或 多条内丝束505设置的多条外丝束503a-503i。在例述实施方式中，外丝束503a_503i横截 面直径小于内丝束505。缆绳501的其他方面大致对应于缆绳101，除了不同材料可以用于 丝束503a-503i和505之外，正如以上针对缆绳201和301所讨论。如上所述，未固结复合缆绳的外丝束围绕一条或多条内丝束设置。优选，外丝束围 绕一条或多条内丝束扭绞、编织或编辫。例如，图6描绘了未固结复合缆绳601的类型化侧 视立面图。在例述性实施方式中，缆绳601包括多条外丝束603、605、607和609和一条或多 条内丝束611。应该注意，缆绳601的端部613向外扩张，以更好地揭示丝束603、605、607、 607和611。每条丝束603、605、607、609和611包括一束扭绞或未扭绞的结构化纤维。至 少一条外丝束603、605、607、609和611包括与内丝束611不同的纤维材料。在例述性实施 方式中，缆绳601通过围绕内丝束611扭绞外丝束603、605、607和609而形成。在一种实施方式中，至少丝束603、605、607和609分别沿着与缆绳601扭绞方向 相反的方向扭绞，以协助将缆绳601保持在扭绞配置。例如，如果缆绳601为右旋扭绞缆 绳，则在这种实施方式中，丝束603、605、607和609为左旋扭绞丝束。相反，在这种实施方 式中，如果缆绳601是左旋扭绞缆绳，则丝束603、605、607和609为右旋扭绞丝束。浸渍到丝束603、605、607、609和611中的未固结树脂进一步有助于将缆绳601保持在扭绞配置。应该注意，适合特定实施方案的纤维材料的任意组合都可以用在丝束603、605、 607、609和611中。例如，缆绳601可以包括与缆绳101、201、301、401或501任一对应的配置。缆绳601具有扭绞形式。但是，本发明的范围并不限于此。相反，未固结复合缆绳 可以包括具有网纹或编织配置的多条丝束。例如，图7是未固结复合缆绳701的第三例述 性实施方式的类型化侧视立面图。在例述性实施方式中，缆绳701包括多条外丝束，诸如丝 束703 ；和一条或多条内丝束，诸如丝束705。每条丝束包括一束扭绞或未扭绞结构化纤维。 优选，每条丝束包括一束未扭绞的结构化纤维。应该注意，适合特定实施方案的纤维材料的任意组合都可以用在外丝束中，诸如 外丝束703，和一条或多条内丝束中，诸如内丝束705。例如，缆绳701可以包括与缆绳101、 201、301、401或501任一对应的配置。本发明还考虑了除图7中所示之外的网纹或编织形式。例如，图8描绘了未固结 复合缆绳801的第四例述性实施方式的类型化侧视立面图。在例述性实施方式中，缆绳801 包括多条外丝束，诸如外丝束803 ；和一条或多条内丝束，诸如内丝束805。每条丝束包括一 束扭绞或未扭绞的结构化纤维。优选，每条丝束包括一束未扭绞的结构化纤维。缆绳801 通过对丝束编辫而形成。树脂浸渍的结构化纤维缆绳101、201、301、401、501、601、701和801横截面大致为
圆形，当然本发明也考虑了其他横截面形状。例如，树脂浸渍的结构化纤维缆绳可以具有大 致卵形、圆角矩形等横截面形状。在一种特定实施方式中，缆绳101、201、301和401呈现大 致圆形横截面形状，该横截面的直径小于大约2毫米。在另一种实施方式中，缆绳101、201、 301和401呈现大致圆形横截面形状，该横截面的直径范围为大约0. 7毫米到大约1. 6毫米 之间。本发明带来显著优势，包括(1)能在单一自动化纤维布置操作中设置不同材料； 和(2)能制造较之传统可以实现的情形更坚固、更轻和更具韧性的复合部件。以上公开的特定实施方式仅为例述性质，因为本发明可以通过从本发明教导受益 的本领域技术人员容易理解的不同但等同的方式改动和实践。此外，除了以下权利要求书 中所述之外，对于文中显示的构造和设计细节不做限制。因此，显然以上公开的特定实施方 式可以替换或改动，并且所有这些变形应该认为落入本发明的范围和精神之内。因此，本申 请寻求保护的范围在以下的权利要求书中叙述。显然，具备显著优势的发明已经描述和例 示清楚。虽然本发明以有限数量的形式示出，但是并不限于这些形式，而是在不脱离本发明 精神的前提下，容易进行各种变化和改动。
权利要求
一种未固结复合缆绳，包括以第一材料制成的结构化纤维形成的至少一条内丝束；围绕所述至少一条内丝束设置的以结构化纤维形成的多条外丝束，所述多条外丝束至少其中一条的结构化纤维以不同于所述第一材料的第二材料制成；和浸渍到所述至少一条内丝束和所述多条外丝束中的未固结聚合树脂。
2.如权利要求1所述的未固结复合缆绳，其特征在于，所述内丝束的结构化纤维包括 石墨纤维材料或碳纤维材料。
3.如权利要求1所述的未固结复合缆绳，其特征在于，所述外丝束的结构化纤维包括 玻璃纤维材料。
4.如权利要求1所述的未固结复合缆绳，其特征在于，所述至少一条内丝束的结构化 纤维从以下材料构成的组群中选择碳纤维、石墨纤维、玻璃纤维和聚芳基酰胺纤维。
5.如权利要求1所述的未固结复合缆绳，其特征在于，所述多条外丝束的结构化纤维 从以下材料构成的组群中选择碳纤维、石墨纤维、玻璃纤维和聚芳基酰胺纤维。
6.如权利要求1所述的未固结复合缆绳，其特征在于，所述未固结聚合树脂从以下聚 合物构成的组群中选择热塑性聚合物、热固性聚合物和液晶聚合物。
7.如权利要求1所述的未固结复合缆绳，其特征在于，所述未固结聚合树脂从以下聚 合物构成的组群中选择环氧聚合物、聚酰胺_酰亚胺聚合物、聚芳醚酮聚合物、聚醚醚酮 聚合物、聚酰亚胺聚合物、聚苯硫醚聚合物、聚酯聚合物、乙烯基酯聚合物。
8.如权利要求1所述的未固结复合缆绳，其特征在于，所述外丝束至少其中一条包括 与所述至少一条内丝束相同的材料。
9.如权利要求1所述的未固结复合缆绳，其特征在于，所述至少一条内丝束和所述多 条外丝束每一条呈现基本上相同的横截面直径。
10.如权利要求1所述的未固结复合缆绳，其特征在于，所述多条外丝束至少其中一条 呈现较之所述至少一条内丝束更大的横截面直径。
11.如权利要求1所述的未固结复合缆绳，其特征在于，所述多条外丝束至少其中一条 呈现较之所述至少一条内丝束更小的横截面直径。
12.如权利要求1所述的未固结复合缆绳，其特征在于，所述多条外丝束围绕所述至少 一条内丝束扭绞。
13.如权利要求1所述的未固结复合缆绳，其特征在于，所述多条外丝束围绕所述至少 一条内丝束编织。
14.如权利要求1所述的未固结复合缆绳，其特征在于，所述多条外丝束围绕所述至少 一条内丝束编辫。
15.如权利要求1所述的未固结复合缆绳，其特征在于，所述缆绳呈现圆形横截面。
16.如权利要求1所述的未固结复合缆绳，其特征在于，所述缆绳的直径小于大约2毫米。
17.如权利要求1所述的未固结复合缆绳，其特征在于，所述缆绳的直径范围为大约 0.7毫米到大约1.6毫米。
全文摘要
一种未固结复合缆绳，包括以第一材料制成的结构化纤维形成的至少一条内丝束；围绕所述至少一条内丝束设置的以结构化纤维形成的多条外丝束，所述多条外丝束至少其中一条的结构化纤维以不同于所述第一材料的第二材料制成。所述未固结复合缆绳进一步包括浸渍到所述至少一条内丝束和所述多条外丝束中的未固结聚合树脂。
文档编号D02G3/00GK101960060SQ200880127695
公开日2011年1月26日 申请日期2008年2月28日 优先权日2008年2月28日
发明者帕特·蒂斯戴尔, 弗兰克·B·斯坦普斯, 罗纳德·J·米索姆 申请人:贝尔直升机泰克斯特龙公司