使用纤维转向的复合层压板的热膨胀调节系数的制作方法
【专利说明】使用纤维转向的复合层压板的热膨胀调节系数
【背景技术】
[0001] 不同类型的材料经常被结合，W完成某种装配。例如，复合零件和结构经常与金属 结构结合。然而，复合零件和结构可能具有与结合的金属结构的热膨胀系数（CTC)显著不 同的热膨胀系数，有时在不同的数量级上。在许多应用中，因为溫度变化极小，所W运可能 不重要。然而，在其他应用中，材料可能在宽泛的溫度范围内经历快速加热和/或冷却。例 如，由于直接暴露于UV福射或由于缺乏UV福射，所W航天器应用将各种组件暴露于加热和 冷却。使由具有显著不同的CTE的两种结构形成的装配件处于经历重大溫度变化的环境中 可能导致有害的影响。
[0002] 可W在复合结构和结合的金属结构之间使用额外的联接/界面结构（interhce structure)来减小由变化的热膨胀诱发的应力。运些额外的联接件可W包括接合器和间隔 器，其允许一些CTE失配。然而，热膨胀接合器可W增加显著的重量到整体装配件，并且增 加成本。运些热膨胀接合器可能难W制造且易于损坏。
[0003] 因此，期望提供用于使复合结构与其他具有不同CTE的结构结合的新的且改进的 解决方案，使得运些解决方案W克服现有机构的缺点的方式解决不同的热膨胀系数。
【发明内容】
[0004] 提供装配件，每个装配件包括具有一致的热膨胀系数（CTC)的第一结构和具有可 变的CTE的第二复合结构。还提供形成此类装配件的方法。第二结构具有重叠区、过渡区和 基线区。重叠区直接与第一结构联接，并且具有与第一结构的CTE相差无几的CTE。基线区 远离第一结构，并且具有不同的CTE。运些CTE中的每一者在其各自的区内是一致的。过渡 区可W与基线区和重叠区互连，并且可W具有从一端到另一端的渐进的CTE变化。第二复 合结构的CTE变化可W通过改变延伸通过所有Ξ个区的至少一个层片的纤维角度来实现。 例如，至少一个层片可W经受纤维转向。被纤维转向的层片可W是复合结构内的任意层片， 诸如最靠近第一结构的层片。 阳0化]在一些实施例中，装配件包括第一结构和第二结构。第一结构具有第一 CTE，该第 一 CTE在整个第一结构的全部体积中基本上一致。第一结构可W由金属、复合材料或适合 于给定应用的一些其他材料形成。第二结构由包括第一层片和第二层片的复合材料形成。 第一纤维层片和第二纤维层片连续地延伸通过第二结构的重叠区、过渡区和基线区。重叠 区与第一结构联接。基线区远离第一结构而设置。过渡区与重叠区和基线区互连。在一些 实施例中，在第一纤维层片内的重叠区内的纤维角度不同于在第一纤维层片内的基线区内 的纤维角度，使得第二结构的重叠区具有与第一结构的CTE(即，第一 CTC)基本上匹配的 CTE (即，第二 CTC)。
[0006] 应当注意的是，如果形成第二结构的材料是各向异性材料，那么第二结构可W在 不同方向上具有不同的CTE值。在运种情形下，在一个方向（即，匹配方向）上的第二结 构的CTE可W匹配第一结构的CTE，而在另一个方向（即，非匹配方向）上的第二结构上的 CTE可W不匹配第一结构的CTE。匹配方向可W位于最长重叠的方向。例如，第一结构和第 二结构之间的重叠可w具有圆柱形形状，其中圆柱的圆周长于圆柱的高度。在运种情况下， 匹配方向可W是圆周方向，而非匹配方向可W是轴向方向。可替换地，该圆柱形重叠可W具 有短于圆柱形重叠的高度的圆周。在运种情况下，匹配方向可W是轴向方向，而非匹配方向 可W是圆周方向。在一些实施例中，在不同方向上的CTE值可W是不同的数量级。而且，在 不同方向上的CTE值可W具有相反的符号。例如，在轴向方向上的CTE可W为正，而在圆周 方向上的CTE可W为负，反之亦然。
[0007] 在一些实施例中，在匹配方向和不匹配方向之间的CTE值的差小于100%，或者更 具体地，小于50%。除非该说明书中另有陈述，否则两个组件之间的CTE值的比较沿着匹 配方向进行。还应当注意的是，复合结构的CTE值沿着匹配方向改变。例如，在重叠区内的 匹配方向上的CTE值（即，第二CTC)不同于在基线区内的匹配方向上的CTE值（即，第Ξ CTC)。
[0008] 在一些实施例中，第一纤维层片具有通过过渡区的纤维转向。通过过渡区的纤维 转向可W使用线性角度变换之一。可替换地，通过过渡区的纤维转向可W沿着具有恒定转 向半径的路径。而且，纤维路径可W是样条线表示（spline r巧resentation)。
[0009] 在一些实施例中，第二纤维层片在重叠区内具有第Ξ纤维角度，该第Ξ纤维角度 不同于在基线区内的第四纤维角度。在重叠区内的第一纤维层片内的第一纤维角度的绝对 值不同于在重叠区内的第二纤维层片内的第Ξ纤维角度的绝对值。
[0010] 在一些实施例中，第二纤维层片在重叠区和基线区内具有相同的纤维角度。该装 配件可W包括第Ξ纤维层片和第四纤维层片。第一纤维角度可W被选择来平衡与第二结构 和第二CTE与第一 CTE的匹配相关的泊松比的值。例如，第二CTE到第一 CTE的精确匹配 可W造成第二结构的重叠区内的泊松比大于1。允许在第二CTE和第一 CTE之间的一些失 配可W将第二结构的重叠区内的泊松比减小至低于0. 5的某一值，运对于第二结构的完整 性可能是更可取的。
[0011] 在一些实施例中，用于设计复合结构的方法包括，确定第一层压板铺层（layup) 和第二层压板铺层、确定纤维角度、调整纤维角度，W及实施第一层压板铺层。在第一复 合物内的第一层压板铺层具有重叠区CTE，W便连接到接触结构。具有集合特性（set characteristic)的第二层压板铺层可W基于结构需求（例如，层压板强度或结构刚度）来 确定。在第一层压板铺层内的第一纤维层片内的重叠区与基线区处的纤维角度被确定。在 重叠区处的纤维角度被调整，W允许CTE失配，从而平衡泊松比使。使用纤维转向实施第一 和第二层压板铺层，和从第一到第二层压板铺层的过渡。
[0012] 在一些实施例中，第一纤维层片具有通过过渡区的纤维转向。通过过渡区的纤维 转向可W使用线性角度变换之一。可替换地，通过过渡区的纤维转向可W沿着具有恒定转 向半径的路径。而且，纤维路径可W是样条线表示。
[0013] 在一些实施例中，第二结构的圆周方向上的第二CTE对应于第一结构的第一 CTE。 第一结构可W包括金属。
[0014] 在一些实施例中，第二纤维层片在重叠区内具有第Ξ纤维角度，该第Ξ纤维角度 不同于在基线区内的第四纤维角度。在重叠区内的第一纤维层片内的第一纤维角度的绝对 值可W不同于在重叠区内的第二纤维层片内的第Ξ纤维角度的绝对值。
[0015] 在一些实施例中，第二纤维层片在重叠区和基线区内具有相同的纤维角度。该装 配件可W包括第Ξ纤维层片和第四纤维层片。第一纤维角度可W被选择来平衡与第二结构 和第二CTE与第一 CTE的匹配相关的泊松比的值。
[0016] 在一些实施例中，第二结构的重叠区内的层片的数量可W不同于基线区内的层片 的数量。第二结构具有从重叠区到基线区的至少一个连续的纤维层片。
[0017] 下面将参考附图进一步描述运些实施例和其他实施例。
【附图说明】
[0018] 图1根据一些实施例图示说明包括复合结构的装配件的一个示例，其中复合结构 具有不同的区，不同的区具有不同的CTE。
[0019] 图2A是根据一些实施例的示出用于形成恒定的CTE的平衡的对称层压参数的所 有可能的组合的示例。
[0020] 图2B是根据一些实施例的图示说明穿过复合结构的不同区的不同纤维角度的示 例的图表。
[0021] 图3是根据一些实施例的图示说明穿过复合结构的不同区的不同CTE的示例的图 表。
[0022] 图4根据一些实施例示出平衡失配的圆周CTE和泊松比的示例。
[0023] 图5根据一些实施例图示说明用于匹配复合结构的CTE与结合的结构的CTE的