一种制造编织纤维预制件和复合材料部件的方法与流程

本发明涉及制造包括由基质致密化的纤维增强件的复合材料部件和编织纤维预制件的方法的一般领域。

现在，在航空领域中使用复合材料是为了减少部件的重量以提高发动机的整体效率的常见措施。例如，当前，航空涡轮发动机的风扇的叶片或壳体由有机基质复合材料制成。

为了制造复杂形状的部件，例如上面提到的那些，特别已知的是通过注入树脂来模塑的方法，称为树脂传递模塑(rtm)。已知的方法包括：取先前-编织的干纤维预制件，在模具中成形，然后将树脂注入所述预制件的孔中，从而在所述树脂经过聚合热处理后获得复合材料部件。

然而，rtm方法存在缺陷。为了使以这种方式制造的部件具有良好的机械强度，通常需要通过向其中加入添加剂来增加树脂的韧性，这也增加了其粘度。这种更粘稠的树脂难以在rtm方法中使用，因为它需要大的注射压力。另外，在注射期间，预制件内的树脂形成优选的路径，从而在最终部件中留下难以消除的孔。同样，当使用加捻纤维股线时，注入的树脂通常更难以堵塞存在于纤维之间和股线之间的微孔。最后，上述问题在树脂固化时降低了聚合反应的均匀性，并且从长远来看，这可能导致在最终部件中产生内应力，从而降低其寿命。

还已知使用预先浸渍有树脂的层片的方法，也称为“预浸料”。预浸料的使用可以使用比rtm方法中更粘稠的树脂，并且可以使基质具有改善的韧性。然而，预浸料通常是二维织物的形式，其不适于制造复杂的三维部件。

因此存在对用于制造呈现改善的机械强度，并且不存在上述缺点的复合材料部件的方法的需要。

发明目的和概述

因此，本发明的主要目的是减轻这些缺点，通过提出以下方法实现：在第一方面，一种制造浸渍有基质前体树脂的编织纤维预制件的方法，所述树脂在原料状态下呈现玻璃化转变温度tg⁰，该方法包括：

-用树脂浸渍纱线或股线；

-用温度保持在tg⁰至tg⁰+10℃范围内的浸渍的纱线或股线进料织机；和

-在织机中编织纱线或股线以获得树脂浸渍的编织纤维预制件。

术语“原料状态的树脂”或“原料树脂”用于表示尚未固化或暴露于其聚合或固化可开始的温度的树脂。换句话说，tg⁰对应于树脂的玻璃化转变温度，其呈现基本为零的聚合度。因此可以区分tg⁰和tg^∞，后者对应于固化树脂的玻璃化转变温度，即其中聚合已经完全或几乎完全完成。在通常的方式中，原料玻璃化转变温度tg⁰小于聚合树脂的玻璃化转变温度tg^∞。

用于制造纤维预制件的本发明方法用于获得树脂浸渍的编织预制件，例如通过三维或多层编织获得。因此，所得纤维预制件可构成具有复杂形状的复合材料部件的纤维增强件。另外，预制件可以用比rtm方法中通常使用的树脂更粘稠的树脂浸渍，因为不需要注入来浸渍和致密化预制件。举例来说，这种树脂是用于预浸料的已知树脂。因此，可以从具有通过三维编织获得的纤维增强件的部件中的那些树脂的高韧性中受益。下面详细描述制造这种部件的方法。

本文所用的术语“三维编织”或“3d编织”或“多层编织”是指一种编织技术，其中，至少部分经纱与多个纬层上的纬纱互连。以已知的方式，这种编织可以在提花型(jacquardtype)织机中进行。

原料状态的树脂的玻璃化转变温度可以是通过在原料状态的树脂上进行的差示扫描量热法(dsc)所测的玻璃化转变温度。

通常，应根据所用树脂的类型选择用于保持纱线以供给织机的温度。更确切地说，该温度必须不低于原料树脂的tg⁰，从而确保树脂不会太脆并且避免纱线或股线在通过织机时损坏。此外，温度不应超过tg⁰+10℃，以避免树脂变得太液态和粘稠，这将使得难以在织机中编织预浸渍的纱线或股线并且将导致织机变得堵塞。

在一种实施方式中，纱线或股线可以由碳或碳化硅制成。

在一种实施方式中，树脂可以是热固性环氧树脂。例如，所使用的树脂可以是商业树脂，例如，以“8552”由供应商hexcel出售的树脂，或者实际上是来自供应商cytec的树脂“934”。所用的树脂也可以是双马来酰亚胺(bmi)家族的树脂，或者实际上是热塑性树脂。

在一种实施方式中，树脂浸渍的纱线或股线可以存在于冷藏外壳中，该外壳将树脂浸渍的纱线或股线进料入织机。纱线或股线可以储存在冷藏外壳中，或者在一种变型中，它们可以仅在编织之前通过它。

在一种实施方式中，纱线或股线可以通过三维编织法来编织。

在第二方面，本发明还提供一种制造复合材料部件的方法，该复合材料部件包括通过基质致密化的纤维增强件，该方法包括以下步骤：

-通过上述方法制造浸渍有基质前体树脂的编织纤维预制件；

-将纤维预制件放置在具有待制造部件形状的模具腔室中；

-将纤维预制件加热至树脂的软化温度以使树脂液化；

-消除纤维预制件中存在的空气；

-在模具中压实纤维预制件；

-对存在于纤维预制件的孔中的树脂进行聚合热处理，以获得复合材料部件；和

-对复合材料部件脱膜。

存在于纤维预制件中的空气可以通过抽空模具腔室来消除，或者通过在模具所处的封闭外壳中建立真空来消除。优选地，存在于纤维预制件中的空气在将纤维预制件加热到树脂的软化温度的同时或之后使得空气气泡更好地从预制件逸出而被消除。以已知的方式，树脂的软化温度可以是树脂的粘度达到最小值的温度，或者实际上是使得预制件中存在的空气气泡能够排出的温度。将纤维预制件压实在模具中使得可以排出预制件中存在的任何多余树脂，并且这可以伴随着保持模具上的压实压力的阶段和/或将多余树脂再注入模具中以维持模具腔室内的均匀压力的阶段。

通过进行这样的方法，预制件中的孔均匀地填充有树脂，从而确保不存在残留的孔。因此，树脂可以以在整个浸渍的预制件中均匀分布的方式聚合或固化，从而减少最终部件中内应力的存在。因此，本发明的方法可制备具有(例如通过三维编织获得的)纤维增强件的复合材料部件，连同从比rtm方法中使用的树脂更粘稠并且具有更大韧性的树脂中获得的基质，这在以前是无法想象的。

在一种实施方式中，制造的部件可以是用于航空涡轮发动机的风扇叶片或风扇壳体。

在一种实施方式中，在模具中压实纤维预制件的步骤可包括：取已从预制件中排出的多余树脂并将其重新注入模具中，以便在模具腔室内保持均匀的压力。

最后，在第三方面，本发明提供了一种用于制造浸渍有基质前体树脂的编织纤维预制件的装置，该装置包括：织机，存储树脂浸渍的纱线或股线的外壳，该外壳被配置成用纱线或股线进料织机。根据本发明，外壳内的温度在原料状态的树脂的玻璃化转变温度tg⁰至tg⁰+10℃的范围内。

在一个实施方式中，织机可以在外壳中。

附图说明

通过以下描述并参照附图，本发明的其它特征和优势将更加明晰，附图示出了没有限制性质的实施方式。在附图中：

-图1是用于进行本发明方法以制造树脂浸渍的编织纤维预制件的示例性装置的高度示意图。

-图2a至2d示出了用于制造复合材料部件的本发明的示例性方法中的各步骤；和

-图3a至3c示出了用于制造复合材料部件的本发明的变型方法中的各步骤。

具体实施方式

图1是用于制造树脂浸渍的纤维预制件10的装置1的高度示意图。装置1包括织机20，例如提花型织机，和位于织机上游的外壳30(沿着纱线的行进方向朝向织机用于编织)。用树脂预浸渍的纱线或股线41的卷40存储在外壳30内。外壳30具有开口31，允许辊40上的纱线或股线进料至织机20。根据本发明，外壳30内的温度处于原料状态的树脂的玻璃化转变温度tg⁰至tg⁰+10℃的范围内，使得进料至织机20的纱线或股线41处于外壳30的温度。

在未示出的变型中，装置可包括织机20、辊40和冷却到tg⁰至tg⁰+10℃的温度的外壳，其中织机20和辊40位于外壳中。

仍然在未示出的变型中，纱线或股线41可以在辊40上干燥并且可以在它们被输送到织机时通过树脂浴，以便在它们被编织之前经树脂浸渍。在这种情况下，应注意浸渍的纱线或股线在编织之前处于合适的温度。

纱线或股线41可以由碳，陶瓷(例如碳化硅sic)，玻璃(或实际上是芳族聚酰胺)制成。树脂可以选自环氧树脂，并且可以包括用于增加其韧性的添加剂。

为了获得树脂浸渍的编织纤维预制件，来自存储在外壳30中的辊40的预浸渍纱线或股线41通过使用织机20来编织。保持所述纱线或股线41的温度使它们能被编织而不会堵塞织机20，因为树脂既不太脆也不太液态或太粘。如上所述，编织可以是三维的，但同样可以是多层或二维的。在所示的示例中，三维编织可以以已知方式用“互锁”编织进行编织。可以使用其他已知类型的多层编织，具体例如文献wo2006/136755中描述的那些。

下面参考附图2a至2d描述用于制造复合材料部件的本发明方法的实例。

在获得如上所述已经编织并且浸渍有树脂的纤维预制件10之后，修整预制件10并切掉从层突出的纱线，然后将预制件10定位在模具50中。在附图中示意性地示出的模具50包括支撑形成部分51和对模52，在它们之间限定腔室43，其中放置有预制件10。腔室53呈现出与待制造的部件相对应的形状和尺寸。在该实例中，形成支撑件51的部件具有垫圈54，以在模具50闭合时为模具50提供密封。在所示的示例中，模具50还具有通气口55。

此后，模具50可以逐渐关闭，如图2b所示。预先，在模具50关闭之后或期间，将预制件10加热到树脂的软化温度。当模具50以密封方式闭合并且存在于预制件10中的树脂已软化或液化时，则可以通过抽真空来消除腔室53中存在的空气。在该实例中，从腔室53中通过通气口55排空空气。在这些步骤之后，获得预制件10，其所有内部孔由树脂浸渍，并且不含空气气泡。

此后，可以在模具50上施加压实压力，以使预制件成形并排出预制件中存在的多余树脂，如图2c所示。可以通过未示出的器件通过通气口55移出该多余树脂。另外，通过重新注入在压实过程中已经移出的树脂部分，可以在腔室53内保持均匀的压力。

最后，加热模具50，优选以均匀的方式加热，以便引发预制件10中存在的树脂的聚合(固化)并使预制件10致密化(图2d)。在固化之后，这产生复合材料部件，该部件随后可以经脱膜并可在其上进行精整操作。

图3a至3c示出了本发明方法的另一实施方式。

在该实施方式中，模具50放置在密封外壳60中，密封外壳60设有通气口61。与图2a至2d中所示的实施方式不同，浸渍的预制件10中存在的空气通过抽空外壳60来消除(图3a)而不是直接通过抽空封闭模具50的内部来消除。因此，在消除预制件10中存在的空气的步骤之后可关闭模具50。如上所述，随后关闭模具，并对模具50施加压实压力(图3b)以使预制件成形并排出多余树脂。最后，加热模具50以使树脂聚合，使预制件10致密化，并获得最终部件(图3c)。然后可以将部件脱模。

用于制造复合材料部件的本发明的方法如上所示，通过一起使用模具以及对模实现，所述模具包括形成支撑件的部分。应注意，在一个变型中，可以使用其他已知的用于使预制件致密化的器件，例如具有布置在高压釜中的真空隔膜的装置。

本文中，术语“在…至…范围内”或“…至...”应理解为包括界限。

实施例

通过本发明的方法由有机基质复合材料制造航空涡轮发动机风扇叶片。顺序执行以下步骤：

-使用供应商hexcel以8552销售的树脂浸渍碳纤维股线，由制造商给定和如通过dsc得到的原料状态下树脂的玻璃化转变温度tg⁰为约-4℃(-3.95℃)；

-将股线以卷的形式放置在冷藏至0℃的箱子中，箱子具有开口，允许用所述股线进料织机；

-通过三维编织在织机中对保持在0℃的股线进行编织，从而获得树脂-浸渍的编织纤维预制件用于叶片；

-任选地使用剪刀来切割编织的预制件；

-将预制件放置在具有待制造的叶片形状的模具的腔室中；

-将模具加热至100℃的温度以软化树脂；

-关闭模具并抽空腔室内部，以除去预制件中存在的空气；

-在模具上施加压实压力以使预制件成形并在模具腔室内施加均匀的压力，如果需要，可重新注入在该步骤中从预制件排出的树脂；

-在温度逐渐升高后将模具加热至110℃保持150分钟，从而聚合树脂；

-将所得叶片脱模；和

-任选进行精整操作。