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CN106393737B - 由不连续纤丝基质构成的条状物 - Google Patents

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CN106393737B CN201610605799.6A CN201610605799A CN106393737B CN 106393737 B CN106393737 B CN 106393737B CN 201610605799 A CN201610605799 A CN 201610605799A CN 106393737 B CN106393737 B CN 106393737B
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Abstract

本发明的名称是由不连续纤丝基质构成的条状物。一种制造复合材料结构的填料的方法和装置。所述装置可包括填料。所述填料可包括在各个方向上均匀的纤维基质。所述纤维基质可包括第一多个不连续纤丝和第二多个不连续纤丝。所述第一多个不连续纤丝的每个纤丝可以由硬化材料组成。所述第二多个不连续纤丝的每个纤丝可以由粘结材料组成。所述第一多个不连续纤丝和所述第二多个不连续纤丝二者的不连续纤丝均可以被随机定向和彼此缠结。

Description

由不连续纤丝基质构成的条状物
技术领域
本公开内容一般地涉及复合材料结构，并且具体地涉及用于填充复合材料结构中的孔隙的填料。仍更具体地，本公开涉及由随机定向的不连续纤丝构成的填料和用于制造这些类型的填料的方法和装置。
背景技术
复合材料结构越来越多地被用于各种平台，比如但不限于航空器、无人飞行器和其他类型的航天飞行器。复合材料结构可以由至少一个复合材料零件构成，该复合材料零件由复合材料制造。在一些情况下，当两个或更多个复合材料零件被连接在一起时，沿着这些复合材料零件之间的粘合层可形成通道或孔隙。可能需要填充这些孔隙以便增加粘结强度。填料可用于填充该类型的孔隙。
作为一个实例，在航空器工业中，当复合材料加强杆与复合材料蒙皮板啮合时，填料可用于填充在复合材料加强杆和复合材料蒙皮板之间的半径粘合层处形成的孔隙。该类型的填料可有时称为“复合材料填料”、“条状物(noodle)”或“复合材料条状物”。
当前使用的填料通常由比如粘合剂、预浸带、织物或其他类型的复合材料的材料制造。此外，填料被制造为具有期望水平的硬度。例如，在复合材料加强杆和复合材料蒙皮板之间使用的填料可能需要具有一定水平的厚度以将负载从复合材料加强杆传递至复合材料蒙皮板。
在航空器制造和操作期间，航空器中的复合材料填料可遭受各种力。这些力可能引起在这些复合材料填料内形成非期望的不一致。例如，裂纹、分层和其他非期望的不一致可能在复合材料内显现。这些类型的非期望的不一致可阻止复合材料填料以期望的方式传递负载。所以，具有考虑以上讨论的至少一些问题比如但不限于预防复合材料填料中的裂纹以及其他可能的问题的方法和装置将是期望的。
发明内容
在一个示意性实施方式中，装置可包括填料。填料可包括在各个方向上均匀的纤维基质。纤维基质可包括第一多个不连续纤丝和第二多个不连续纤丝。第一多个不连续纤丝的每个纤丝可以由硬化材料组成。第二多个不连续纤丝的每个纤丝可以由粘结材料组成。第一多个不连续纤丝和第二多个不连续纤丝二者的不连续纤丝均可以被随机定向和彼此缠结。
在另一示意性实施方式中，可以提供一种制造复合材料结构的填料的方法。第一多个不连续纤丝可以与第二多个不连续纤丝混合以形成混合物。可以使用混合物形成原料材料。可以压缩原料材料以形成原料。原料内第一多个不连续纤丝和第二多个不连续纤丝的不连续纤丝可以被随机定向和彼此缠结以形成在各个方向上均匀的纤维基质。可以使原料成形以形成用于形成填料的填料结构。
在又另一示意性实例中，纤维基质可包括第一多个不连续纤丝和第二多个不连续纤丝。第一多个不连续纤丝的每个纤丝可以由硬化材料组成。第二多个不连续纤丝的每个纤丝可以由粘结材料组成。第一多个不连续纤丝和第二多个不连续纤丝二者的不连续纤丝均可以被随机定向和彼此缠结，使得纤维基质在各个方向是均匀的。
所述特征和功能可以在本公开内容的各种实施方式中独立地实现或可在又其他实施方式中结合，其中参考以下描述和附图可理解进一步细节。
附图说明
在所附权利要求中阐释了被认为是示意性实施方式中特性的新特征。但是，当结合附图阅读时，通过参考本公开内容的示意性实施方式的以下详细描述，将最佳地理解示意性实施方式、以及优选的使用方式、进一步目标和其特征，其中：
图1是根据示意性实施方式以方框图形式的制造环境图解；
图2是根据示意性实施方式以方框图形式的复合材料制造系统的更详细图解；
图3是根据示意性实施方式的复合材料结构的等轴视图图解；
图4是根据示意性实施方式的一部分纤维基质的放大视图图解；
图5是根据示意性实施方式的原料和可由原料制造的不同类型的填料的图解；
图6是根据示意性实施方式的可以形成填料的一种方式的图解；
图7是根据示意性实施方式的可以形成原料的选定部分的一种方式的图解；
图8是根据示意性实施方式的用于使原料的选定部分的边缘成形的辊的图解；
图9是根据示意性实施方式的用于使原料的选定部分的边缘成形的辊的图解；
图10是根据示意性实施方式的用于使原料的选定部分的边缘成形的辊的图解；
图11是根据示意性实施方式以流程图形式的形成用于复合材料结构中孔隙的填料的方法的图解；
图12是根据示意性实施方式以流程图形式的形成原料的方法的图解；
图13是根据示意性实施方式以流程图形式的形成用于复合材料结构中孔隙的填料的更详细方法的图解；
图14是根据示意性实施方式以方框图形式的航空器制造和检修方法的图解；和
图15是以方框图形式的可实施示意性实施方式的航空器的图解。
具体实施方式
示意性实施方式认识并且进行不同的考虑。例如，示意性实施方式认识和考虑，拥有制造复合材料填料的方法和装置可以是期望的，该方法和装置产生对非期望的不一致比如裂化具有期望的抗性的复合材料填料。示意性实施方式认识和考虑，由随机定向的由硬化材料组成的不连续纤丝和由粘结材料组成的不连续纤丝构成的复合材料填料可帮助改善复合材料填料的硬度、韧性和稳定性。
因此，示意性实施方式提供用于制造复合材料填料的方法和装置，该复合材料填料包括在三维的各个方向上均匀的纤维基质。在一个示意性实例中，纤维基质可包括第一多个不连续纤丝和第二多个不连续纤丝。第一多个不连续纤丝的每个纤丝可以由硬化材料组成并且第二多个不连续纤丝的每个纤丝可以由粘结材料组成。第一多个不连续纤丝和第二多个不连续纤丝二者的纤丝均可以被随机定向和彼此缠结。
现在参考附图和具体地参考图1，根据示意性实施方式以方框图形式描述了制造环境的图解。制造环境100可以是在其中可制造复合材料结构102的一种环境的实例。
复合材料结构102可用于各种不同类型的平台。在一个示意性实例中，复合材料结构102可用于航天飞行器104。航天飞行器104可采取航空器、直升飞机、无人飞行器、航天飞机、航空飞行器或一些其他类型航天飞行器的形式。在其他示意性实例中，复合材料结构102可用于地面交通工具、水中交通工具、建筑或一些其他类型的平台。
复合材料结构102可以由至少两个复合材料零件组成。例如，但不限于，复合材料结构102可包括第一复合材料零件105和第二复合材料零件106。复合材料零件可以由板层、树脂浸渍的板层、干燥预成形件、树脂浸渍的预成形件或一些其他类型或预加工的物品的至少一种组成。
如本文所使用，当用于一系列项目时，短语“至少一个”意思是可以使用一个或多个所列项目的不同组合并且可能仅需要列表中的一个项目。该项目可以是具体的物体、东西、步骤、操作、方法或类别。换句话说，“至少一种”意思是可以使用来自列表的项目或项目数目的任何组合，但是可能不需要列表中的所有项目。
例如，但不限于，“项目A、项目B或项目C的至少一个”或“项目A、项目B和项目C的至少一个”意思可以是项目A；项目A和项目B；项目B；项目A、项目B和项目C；或项目B和项目C。在一些情况下，“项目A、项目B或项目C的至少一个”或“项目A、项目B和项目C的至少一个”意思可以是，但不限于两个项目A，一个项目B和十个项目C；四个项目B和七个项目C；或一些其他适当的组合。
在一个示意性实例中，第一复合材料零件105和第二复合材料零件106可以由预浸渍的纤维预成形件制造。在另一个示意性实例中，第一复合材料零件105和第二复合材料零件106可以由干燥纤维预成形件或粘合在一起的干燥预成形件制造，其稍后可注入树脂并且固化以形成完全固化的复合材料结构。
当第一复合材料零件105和第二复合材料零件106啮合在一起时，孔隙107可以在这两个复合材料零件之间形成。填料108可用于基本上填充孔隙107。在一些情况下，填料108也可以被称为复合材料填料、条状物或复合材料条状物。
在这些示意性实例中，可以形成填料108，使得填料108具有填料特性组109，其基本上匹配复合材料结构102的特性组110。例如但不限于，特性组110可包括热膨胀系数111和硬度112。可以形成填料108，使得填料特性组109包括填料的热膨胀系数111和填料硬度114，其基本上分别匹配复合材料结构102的热膨胀系数111和硬度112。在这些示意性实例中，可以形成填料108，使得填料108还具有匹配复合材料结构102的特性组110的特性。例如但不限于，特性组110可包括韧性、密度或一些其他材料特性的至少一种。
如所描绘，填料108可以由纤维基质115组成。在一些情况下，在填料108与第一复合材料零件105和第二复合材料零件106搭配之前或之后可以将树脂116注入填料108中。树脂116可有助于使填料108韧化和强化。纤维基质115可采用三维纤维基质117的形式。纤维基质115可以由纤丝118组成。在该示意性实例中，纤丝118是不连续纤丝120。在一些情况下，不连续纤丝120也可以被称为短纤维。
不连续纤丝120可以是不延伸填料108的整个长度或宽度的纤维。不连续纤丝120可包括不同尺寸、不同直径、不同横截面形状、不同类型或其一些组合的纤丝。在一个示意性实例中，不连续纤丝120中的每个可具有至少约1毫米的长度。
此外，不连续纤丝120可以相对于彼此被随机定向和彼此缠结使得纤维基质115是基本上各向同性121。基本上各向同性121意思是纤维基质115在选定的容差内在各个方向是均匀的。换句话说，纤维基质115关于方向可以是基本上不变的。
在一个示意性实例中，不连续纤丝120可包括第一多个不连续纤丝122和第二多个不连续纤丝124。第一多个不连续纤丝122的每个纤丝可以由硬化材料126组成。因此，在一些情况下，第一多个不连续纤丝122也可以被称为多个不连续的硬化纤丝。第二多个不连续纤丝124的每个纤丝可以由粘结材料128组成。因此，在一些情况下，第二多个不连续纤丝124也可以被称为多个不连续的粘结纤丝。
第一多个不连续纤丝122和第二多个不连续纤丝124的纤丝可以被随机定向和彼此缠结，使得纤维基质115基本上各向同性121。换句话说，第一多个不连续纤丝122和第二多个不连续纤丝124的纤丝可以被随机定向和彼此缠结，使得纤维基质115在选定的容差内在各个方向是均匀的。
硬化材料126可以由有助于填料硬度114的一种或多种材料组成。例如，硬化材料126可包括但不限于以下至少一种：碳、二氧化硅、玻璃、硼、对芳族聚酰胺合成纤维、聚酰亚胺、陶瓷材料、金属材料或一些其他类型的硬化材料。
粘结材料128可以由帮助将填料108的不连续纤丝120粘合在一起的一种或多种材料组成。例如，粘结材料128可响应于施加至粘结材料128的热、压力或化学反应的至少一种将不连续纤丝120束缚在一起。粘结材料128也可在操作期间将不连续纤丝120束缚在一起。另外地，粘结材料128可用于粘合填料108至复合材料结构102。此外，粘结材料128可帮助韧化、硬化和稳定化填料108。
例如，粘结材料128可包括但不限于热塑性材料、热固性材料或一些其他类型的粘结材料的至少一种。例如，热塑性材料可包括但不限于丙烯酸材料、碳氟化合物、聚酰胺、聚烯烃比如聚乙烯或聚丙烯、聚酯、聚碳酸酯、聚氨酯、聚芳基醚酮或一些其他类型的热塑性材料。例如，热固性材料可包括但不限于聚氨酯、酚醛材料、聚酰胺、磺化聚合物、导电聚合物、苯并
Figure BSA0000132917270000061
嗪、双马来酰亚胺、氰酸酯、聚酯、环氧树脂、倍半硅氧烷或一些其他类型的热固性材料。
在这些示意性实例中，在将树脂116注入纤维基质115内之前纤维基质115可用作填料108。在这些实例中，填料108可以被称为干燥填料125。干燥填料108可以被插入孔隙107内。
在一些情况下，第一复合材料零件105和第二复合材料零件106可以是干燥预成形件。在干燥填料125插入孔隙107之前，可以将树脂116注入第一复合材料零件105、第二复合材料零件106和干燥填料125中以形成复合材料结构102，该复合材料结构102然后可以被固化。在一些示意性实例中，可以将相同或不同类型的树脂注入第一复合材料零件105、第二复合材料零件106和干燥填料125的每一个中。
在其他情况下，第一复合材料零件105和第二复合材料零件106可以用树脂116预浸渍但是未固化。在将干燥填料125插入孔隙107内之后，可以将树脂116注入位于孔隙107内的干燥填料125以形成复合材料结构102，复合材料结构102然后可以被固化。树脂116可以与浸渍在第一复合材料零件105和第二复合材料零件106内的树脂相同或不同。
在其他示意性实例中，在将填料108插入孔隙107内之前可以将树脂116注入纤维基质115中以形成填料108。在这些实例中，填料108可以被称为湿填料127。作为一个示意性实例，树脂116可以浸渍在纤维基质115内。树脂116可帮助进一步韧化和强化填料108。一旦树脂116被注入纤维基质115中形成湿填料127，湿填料127可以相对于第一复合材料零件105和第二复合材料零件106放置以填充孔隙107。取决于实施，第一复合材料零件105和第二复合材料零件106可以是干燥预成形件或注入树脂的零件。
以此方式，在制造复合材料结构102期间，可以在填料108与第一复合材料零件105和第二复合材料零件106搭配之前将树脂116注入填料108中。可选地，在制造复合材料结构102期间，也可以在填料108与第一复合材料零件105和第二复合材料零件106搭配之后将树脂116注入填料108中。通过施加热、压力或化学反应的至少一种可进行复合材料结构102的固化。
树脂116可包括热塑性材料、热固性材料或一些其他类型的材料的至少一种。取决于实施，树脂116可以由多种组分组成，比如例如但不限于以下至少一种：稀释剂、催化剂、单体、低聚物、固化剂、颗粒、磨碎纤维、一些其他类型的可溶解或不溶解的添加剂、或一些其他类型的组分。
由硬化材料126和粘结材料128二者组成的不连续纤丝120的组合，以及基本上各向同性121的纤维基质115，可帮助强化填料108和使填料108抵抗非期望的不一致，比如裂化。例如但不限于，填料108可以在固化、热循环或机械循环期间抵抗树脂116的裂化。
在一些示意性实例中，另外的粘合剂130可以先于树脂116被添加至纤维基质115。例如但不限于，在形成三维纤维基质117之前可以将另外的粘合剂130注射至纤维基质115内或直接施加至不连续纤丝120。例如但不限于，另外的粘合剂130可包括以下至少一种：粘合剂材料、胶水、热塑性材料、聚醚酰亚胺、热固性材料、或一些其他类型的粘合剂。
在一个示意性实例中，复合材料制造系统132可用于制造复合材料结构102。填料制造系统134可以是复合材料制造系统132的一部分。具体而言，填料制造系统134可以是用于制造填料108的复合材料制造系统132的一部分。可以使用填料制造系统134以不同的方式制造填料108。在以下图2中更详细描述了复合材料制造系统132。
现在参考图2，根据示意性实施方式以方框图形式更详细描述了图2的复合材料制造系统132的图解。使用第一多个不连续纤丝122和第二多个不连续纤丝124，复合材料制造系统132可用于制造填料108。在一个示意性实例中，复合材料制造系统132可包括混合系统200、原料形成系统202和成形系统204。
混合系统200可用于使第一多个不连续纤丝122和第二多个不连续纤丝124混合在一起以形成混合物206。混合系统200可以使第一多个不连续纤丝122和第二多个不连续纤丝124混合，使得混合物206是由随机定向的不连续纤丝210组成的基本上均一的混合物208。
原料形成系统202可使用混合物206形成原料212。原料形成系统202可以以不同的方式实施。在一个示意性实例中，原料形成系统202可包括压紧装置214、切割机216、搅拌器218和压缩装置220。
压紧装置214可使用混合物206形成薄片222。例如但不限于，压紧装置214可施加压力至混合物206以使混合物206拉平形成薄片222。薄片222可以是随机定向的不连续纤丝210的薄纱。
切割机216可用于将薄片222切割成多个长条224。在一个示意性实例中，多个长条224中的长条可具有基本上均匀的形状和尺寸。但是，在其他示意性实例中，多个长条224可以是不同的形状、不同的尺寸或二者。
搅拌器218可用于使多个长条224混合在一起以形成原料材料226。作为一个示意性实例，搅拌器218可以以高速混合多个长条224，使得形成一块原料材料226。原料材料226可以是基本上各向同性的。
压缩装置220然后可用于压缩原料材料226以形成最终原料212。例如但不限于，压缩装置220可关于三维228以基本上恒定的速率230压缩原料材料226以形成原料212。具体而言，可以关于三维228以基本上恒定的速率230压缩原料材料226以形成具有选定的纤维体积分数232的原料212。在一个示意性实例中，原料材料226的压缩可以各向同性(isotatically)地进行，其意思可以是将相等的压力施加至原料材料226的各个面。
例如但不限于，选定的纤维体积分数232可以在约5％和80％之间。在一些情况下，选定的纤维体积分数232可以优选地在约20％和约60％之间。
一旦原料212完全形成，成形系统204可用于使用原料212形成填料结构233。在一个示意性实例中，成形系统204包括切割装置234。切割装置234可用于切去原料212的选定部分236。
例如但不限于，切割装置234可用于切掉一部分原料212，使得仅保留具有选定形状238的选定部分236。选定形状238可以是三维形状，比如例如，但不限于三角形棱柱、六边形棱柱、圆柱形形状、一些其他类型的多面形状或一些其他类型的三维形状。
在一些示意性实例中，具有选定形状238的原料212的选定部分236形成填料结构233。但是，在其他示意性实例中，原料212的选定部分236的许多边缘240可能需要被进一步成形以便形成填料结构233。例如，使用边缘成形系统242可以使许多边缘240成形。
在一个示意性实例中，边缘成形系统242可包括许多辊244。许多辊244可以沿着许多边缘240滚动以使许多边缘240成形。许多辊244可包括球形辊246、圆柱形辊248或一些其他类型的辊的至少一种。作为一个示意性实例，许多辊244可以沿着许多边缘240滚动，同时通过加热装置252将热250施加至许多边缘240以使许多边缘240成形。
在另一示意性实例中，边缘成形系统242可包括模具254。模具254可以由一个或多个模块组成。可以将原料212的选定部分236放置在模具254内，该模具254可以使许多边缘240成形。例如，可以使模具254成形为迫使原料212的选定部分236进入模具254使许多边缘240成形。当选定部分236在模具254中时，施加热250至原料212的选定部分236可固定许多边缘240的每一个的形状。
以此方式，可以以许多不同的方式形成填料结构233。在一些示意性实例中，一旦形成填料结构233，可以将另外的粘合剂130注射至填料结构233内。在其他示意性实例中，在混合多个长条224之前可以将另外的粘合剂130添加至搅拌器218以形成原料材料226。
树脂116然后可以被浸渍在填料结构233内以形成填料108。如图1所描述，可以形成填料108，使得填料108具有基本上匹配复合材料结构102的特性组110的填料特性组109。此外，形成填料108以降低或防止填料108内非期望的不一致的形成。
在其他示意性实例中，在使许多边缘240成形之前，可以将树脂116浸渍在原料212的选定部分236内。以此方式，填料结构233可以或可以不包括树脂116。
以此方式，复合材料制造系统132可用于制造具有填充孔隙107的填料108的复合材料结构102。不连续纤丝120可用于形成具有关于三维在各个方向上发散的连通性的填料108。由不连续纤丝120组成的三维纤维基质117可以是纤丝的三维网络，其可减少支撑填料108需要的纤维总量。纤维的该减少量可以反过来降低微裂化的出现并且实现更快的制造过程。例如，可以更加容易用具有较低纤维密度的填料108填充第一复合材料零件105和第二复合材料零件106——其可以是干燥预成形件——之间的孔隙107。
另外地，三维纤维基质117可增加填料108的强度和降低填料108的重量。此外，可以降低填料的热膨胀系数113，并且填料的热膨胀系数113可以关于三维在各个方向同样地出现。
填料108在各个方向可以是均匀的。因此，填料108能够按需要在各个方向运送负载。
图1中的制造环境100和图1-2中的填料108和复合材料制造系统132的图解并不意指暗示对可实施示意性实施方式的物理或结构限制。可以使用除图解的那些以外的或替代图解的那些的其他组件。一些组件可以是任选的。此外，提供方框以图解一些功能组件。当在示意性实施方式中实施时，这些方框中的一个或多个可以被结合、分开或结合并分开为不同的方框。
现在参考图3，根据示意性实施方式描述了复合材料结构的等轴视图的图解。在该示意性实例中，复合材料结构300可以是图1中复合材料结构102的一个实施的实例。
如所描绘，复合材料结构300可包括底座302、零件304和零件306。孔隙308在底座302、零件304和零件306之间产生。孔隙308可以是图1中孔隙107的一个实施的实例。在该示意性实例中，填料310被用于基本上填充孔隙308。填料310可以是图1-2中填料108的一个实施的实例。填料108可以由纤维基质312组成。纤维基质312可以由不连续纤丝314组成，该不连续纤丝314被随机定向和彼此缠结，使得纤维基质312是基本上各向同性的，并且因而填料310是基本上各向同性的。纤维基质312和不连续纤丝314可以分别是图1中纤维基质115和不连续纤丝120的实施的实例。
现在参考图4，根据示意性实施方式描述了一部分纤维基质的放大视图的图解。纤维基质400可以是图1中纤维基质115的一个实施的实例。如所描绘，纤维基质400可包括不连续纤丝402，其可以是图1中不连续纤丝120的一个实施的实例。
不连续纤丝402可包括第一多个不连续纤丝404和第二多个不连续纤丝406。第一多个不连续纤丝404和第二多个不连续纤丝406可以分别是图1-2中第一多个不连续纤丝122和第二多个不连续纤丝124的实施的实例。
现在参考图5，根据示意性实施方式描述了原料和可由原料制造的不同类型的填料的图解。在该示意性实例中，原料500可以是图2中原料212的一个实施的实例。原料500可以是基本上各向同性的并且由随机定向的不连续纤丝502组成。
在一个示意性实例中，通过从原料500切去选定部分并且用树脂浸渍该选定部分可以形成具有选定形状505的填料504。如所描绘，填料504可用于填充复合材料结构506内的孔隙。
作为另一示意性实例，可以由原料500形成具有选定形状509的填料508，该填料508用于填充复合材料结构510内的孔隙。在又另一示意性实例中，可以由原料500形成具有选定形状513的填料512，该填料512用于填充复合材料结构514内的孔隙。此外，可以由原料500形成具有选定形状517的填料516，该填料516用于填充复合材料结构518内的孔隙。填料504、填料508、填料512和填料516的每个可以是图1-2中填料108的一个实施的实例。
现在参考图6，根据示意性实施方式描述了可以形成填料的一种方式的图解。在该示意性实例中，原料600可以是图2中原料212的一个实施的实例。
使用切割装置，比如例如，但不限于图2中的切割装置234，可以从原料600切去选定部分602。选定部分602可以是图2中选定部分236的一个实施的实例。
如所描绘，选定部分602可包括边缘603、边缘605和边缘607。树脂(未显示)然后可以被浸渍在选定部分602内。
通过施加力608至选定部分602的边缘607可以将选定部分602压入模具604的腔606。可以使腔606成形为迫使选定部分602进入腔606使边缘603和边缘605成形。施加至边缘607的力608也可使边缘607成形。
模具604可包括放置在边缘607上以维持边缘607的期望的形状的板610。热612然后可被施加至模具604内的选定部分602。随着树脂(未显示)注入选定部分602内，热612可固化选定部分602以形成填料614。填料614可具有最终形状616。
现在参考图7，根据示意性实施方式描述了可以形成原料的选定部分的一种方式的图解。在该示意性实例中，原料700可以是图2中原料212的一个实施的实例。电动刀702可用于由原料700切去具有选定形状706的选定部分704。电动刀702可以是图2中切割装置234的一个实施的实例。
现在参考图8，根据示意性实施方式描述了用于使原料的选定部分的边缘成形的辊的图解。在该示意性实例中，选定部分800可以是图2中原料212的选定部分236的一个实施的实例。
辊802可以是图2中许多辊244的一个实施的实例。辊802包括球形辊804、球形辊806和球形辊808。在一个示意性实例中，辊802可以是轧辊压缩系统的零件。球形辊804可以按照箭头812的方向围绕轴810旋转以使选定部分800的边缘814成形，使得边缘814基本上符合球形辊804的曲率半径。
类似地，球形辊806可以按照箭头818的方向围绕轴816旋转以使选定部分800的边缘820成形，使得边缘820基本上符合球形辊806的曲率半径。此外，球形辊808可以按照箭头824的方向围绕轴822旋转以使选定部分800的边缘826成形，使得边缘826基本上符合球形辊808的曲率半径。
现在参考图9，根据示意性实施方式描述了用于使原料的选定部分的边缘成形的辊的图解。在该示意性实例中，选定部分900可以是图2中原料212的选定部分236的一个实施的实例。
辊902可以是图2中许多辊244的一个实施的实例。在一个示意性实例中，辊902可以是轧辊压缩系统的零件。辊902包括圆柱形辊904、球形辊906和球形辊908。圆柱形辊904可以按照箭头912的方向围绕轴910旋转以使选定部分900的边缘914成形，使得边缘914基本上符合圆柱形辊904的曲率半径。
此外，球形辊906可以按照箭头916的方向围绕轴915旋转以使选定部分900的边缘918成形，使得边缘918基本上符合球形辊906的曲率半径。球形辊908可以按照箭头924的方向围绕轴922旋转以使选定部分900的边缘926成形，使得边缘926基本上符合球形辊908的曲率半径。
现在参考图10，根据示意性实施方式描述了用于使原料的选定部分的边缘成形的辊的图解。在该示意性实例中，选定部分1000可以是图2中原料212的选定部分236的一个实施的实例。
辊1002可以是图2中许多辊244的一个实施的实例。在一个示意性实例中，辊1002可以是轧辊压缩系统的零件。辊1002包括球形辊1004、球形辊1006、球形辊1008和球形辊1010。球形辊1004、球形辊1006、球形辊1008和球形辊1010可分别用于使选定部分1000的边缘1012、边缘1014、边缘1016和边缘1018成形。
图3-10中的图解不意指暗示对可实施示意性实施方式的物理或结构限制。可以使用除图解的那些以外的或替代图解的那些的其他组件。一些组件可以是任选的。
图3-10中显示的不同组件可以是图1-2中以方框形式显示的组件如何作为物理结构被实施的示意性实例。另外地，图3-10中的一些组件可以与图1-2中的组件结合，与图1-2中的组件一起使用，或二者的组合。
现在参考图11，根据示意性实施方式以流程图形式描述了一种形成用于复合材料结构中的孔隙的填料的方法的图解。图11中图解的方法可用于形成图1-2中的填料108。在一个示意性实例中，可以使用图1-2中的复合材料制造系统132实施图11中图解的方法。
该方法可开始于使第一多个不连续纤丝与第二多个不连续纤丝混合以形成混合物(操作1100)。在一个示意性实例中，在操作1100中形成的混合物可以是均一的混合物。均一的混合物可具有均匀的组成和均匀的特性。具体而言，第一多个不连续纤丝和第二多个不连续纤丝可以遍及该混合物基本上均匀地分布。
接下来，可以使用该混合物形成原料材料(操作1102)。在此之后，关于三维压缩原料材料以形成原料，其中原料内的第一多个不连续纤丝和第二多个不连续纤丝被随机定向和彼此缠结以形成基本上各向同性的纤维基质(操作1104)。
原料可以被成形以形成填料结构(操作1106)。然后可以将树脂注入填料结构的纤维基质内以形成基本上填充复合材料结构的孔隙的填料(操作1108)，在此之后该方法终止。
在一些示意性实例中，不进行操作1108。在这些实例中，在操作1106中形成的填料结构可以形成最终填料。该填料可以被称为干燥填料。该干燥填料可以与第一干燥预成形件和第二干燥预成形件搭配以形成复合材料结构。该干燥填料可以填充第一干燥预成形件和第二干燥预成形件之间的孔隙。树脂然后可以被注入复合材料结构中以形成注入树脂的复合材料结构，其然后可以被固化以形成完全固化的和最终的复合材料结构。
现在参考图12，根据示意性实施方式以流程图形式描述了用于形成原料的方法的图解。图12中图解的方法可以是可执行图11中的操作1102和操作1104的一种方式的实例。此外，可以使用例如但不限于图2中的原料形成系统202实施该方法。
该方法可开始于施加力或压力的至少一个至不连续纤丝的混合物以形成随机定向的不连续纤丝的薄片(操作1200)。在操作1200中，混合物可以是在图11的操作1100中形成的混合物。该混合物可以是基本上均一的混合物。
然后可以将薄片切成多个长条(操作1202)。可以重组多个长条以形成原料材料(操作1204)。在一个示意性实例中，可使用搅拌器使多个长条掺混在一起以形成原料材料，执行操作1204。
可以关于三维以基本上恒定的速率压缩原料材料以形成具有选定的纤维体积分数的原料(操作1206)，在此之后该方法终止。在操作1206中，例如但不限于，选定的纤维体积分数可以在约5％和约60％之间。在一些情况下，在操作1206中，可以在对应于三维的方向上以基本上恒定的速率压缩原料材料。
现在参考图13，根据示意性实施方式以流程图形式描述了形成用于复合材料结构中的孔隙的填料的更详细方法的图解。图13中图解的方法可用于形成图1-2中的填料108。在一个示意性实例中，使用图1-2中的复合材料制造系统132可以实施图11中图解的方法。
该方法可开始于使第一多个不连续纤丝与第二多个不连续纤丝混合以形成基本上均一的混合物，其中纤丝被随机定向(操作1300)。接下来，该混合物可用于形成原料材料(操作1302)。
可以关于三维压缩原料材料以形成包括纤维基质的原料，其中第一多个不连续纤丝和第二多个不连续纤丝被随机定向和彼此缠结，使得纤维基质是基本上各向同性的(操作1304)。纤维基质可以是三维纤维基质。
然后可以由原料切去具有选定形状的选定部分(操作1306)。使用切割装置、许多球形辊、许多圆柱形辊、模具、加热装置或一些其他类型的装置的至少一种可以使原料的选定部分的许多边缘成形以形成填料结构(操作1308)。可以将树脂注入填料结构中以形成基本上填充复合材料结构的孔隙的填料(操作1310)，在此之后该方法终止。
在不同的所描述实施方式中的流程图和方框图图解了示意性实施方式中的装置和方法的一些可能实施的结构、功能性和操作。在这点上，流程图或方框图中的每个方框可以表示模块、段、功能、和/或操作或步骤的一部分。
在示意性实施方式的一些可选实施中，方框中注释的一种功能或多种功能可以不以图中注释的顺序发生。例如，在一些情况下，取决于涉及的功能性，连续显示的两个方框可以基本上同时执行，或方框有时可以以相反的顺序执行。此外，还可以添加除流程图或方框图中图解的方框以外的其他方框。
在如图14所显示的航空器制造和检修方法1400和如图15所显示的航空器1500的背景下描述了本公开内容的示意性实施方式。首先转至图14，根据示意性实施方式以方框图形式描述了航空器制造和检修方法的图解。在生产前期间，航空器制造和检修方法1400可包括图15中的航空器1500的规格和设计1402和材料采购1404。
在生产期间，进行图15中的航空器1500的组件和子部件制造1406和系统集成1408。在此之后，图15中的航空器1500可以通过认证和交付1410以便投入运行1412。当由消费者投入运行1412时，图15中的航空器1500被安排日常维护和检修1414，其可包括改进、重新配置、整修和其他维护或检修。
航空器制造和检修方法1400的每个过程可以由系统集成者、第三方和/或操作者执行或进行。在这些实例中，操作者可以是消费者。为了该描述的目的，系统集成者可包括但不限于任何数目的航空器制造商和主系统分包商；第三方可包括但不限于任何数目的厂商、分包商和供应商；和操作者可以是航空公司、租赁公司、军事实体、服务组织等等。
现在参考图15，以方框图形式描述了其中可实施示意性实施方式的航空器的图解。在该实例中，通过图14中的航空器制造和检修方法1400生产航空器1500，并且可包括具有多个系统1504的机身1502和内部1506。系统1504的实例包括一个或多个推进系统1508、电气系统1510、液压系统1512和环境系统1514。可以包括任何数目的其他系统。尽管显示了航空实例，但是不同的示意性实施方式可以被应用至其他工业比如汽车工业中。
在图14中的航空器制造和检修方法1400的至少一个阶段期间可使用本文具体体现的装置和方法。具体而言，在航空器制造和检修方法1400的任何一个阶段期间可以制造和使用图1中的填料108。例如但不限于，在材料采购1404、组件和子部件制造1406、系统集成1408、日常维护和检修1414或航空器制造和检修方法1400的一些其他阶段中的至少一个期间可以制造、使用或制造并使用图1中的填料108。仍进一步，填料，比如图1中的填料108，可用于填充形成航空器1500的机身1502或内部1506的复合材料结构中的孔隙。
在一个示意性实例中，以与当航空器1500在图14中运行1412时产生组件和子部件相似的方式，可以装配或制造图14中的组件和子部件制造1406生产的组件或子部件。作为又另一实例，在生产阶段，比如图14中的组件和子部件制造1406和系统集成1408期间，可以使用一个或多个装置实施方式、方法实施方式或其组合。当航空器1500投入使用1412时和/或在图14中的日常维护和检修1414期间可以使用一个或多个装置实施方式、方法实施方式或其组合。许多不同的示意性实施方式的使用可基本上加快航空器1500的装配和/或降低航空器1500的成本。
因此，总之，根据本发明的第一方面提供了：
A1.一种装置，其包括：
填料(108)，其包括在各个方向均匀的纤维基质(115)，其中该纤维基质(115)包括：
第一多个不连续纤丝(122)，其中第一多个不连续纤丝(122)的每个纤丝由硬化材料(126)组成；和
第二多个不连续纤丝(124)，其中第二多个不连续纤丝(124)的每个纤丝由粘结材料(128)组成，
其中第一多个不连续纤丝(122)和第二多个不连续纤丝(124)二者的不连续纤丝(120)被随机定向和彼此缠结。
A2.还提供了A1段所述的装置，其中所述硬化材料(126)包括碳、二氧化硅、玻璃、硼、对芳族聚酰胺合成纤维、聚酰亚胺、陶瓷材料或金属材料的至少一种。
A3.还提供了A1段所述的装置，其中粘结材料(128)包括热塑性材料或热固性材料的至少一种。
A4.还提供了A1段所述的装置，其中填料(108)用于基本上填充复合材料结构(102)的孔隙(107)，并且其中填料(108)具有基本上匹配复合材料结构(102)的特性组(110)的填料特性组(109)。
A5.还提供了A1段所述的装置，其中填料(108)进一步包括：
注入纤维基质(115)内的树脂(116)。
A6.还提供了A1段所述的装置，其中填料(108)进一步包括：
纤维基质(115)内使填料(108)韧化的另外的粘合剂(130)。
A7.还提供了A1段所述的装置，其中每个不连续纤丝(120)具有至少约1毫米的长度。
B1.一种制造复合材料结构(102)的填料(108)的方法，方法包括：
使第一多个不连续纤丝(122)与第二多个不连续纤丝(124)混合(1100)以形成混合物(206)；
使用混合物(206)形成(1102)原料材料(226)；
压缩(1104)原料材料(226)以形成原料(212)，其中原料(212)内第一多个不连续纤丝(122)和第二多个不连续纤丝(124)的不连续纤丝(120)被随机定向和彼此缠结以形成在各个方向上均匀的纤维基质(115)；和
使原料(212)成形(1106)以形成用于形成填料(108)的填料结构(233)。
B2.还提供了段B1所述的方法，其中使第一多个不连续纤丝(122)与第二多个不连续纤丝(124)混合(1100)包括：
使由硬化材料(126)组成的第一多个不连续纤丝(122)与由粘结材料(128)组成的第二多个不连续纤丝(124)混合。
B3.还提供了段B2所述的方法，其中使由硬化材料(126)组成的第一多个不连续纤丝(122)与由粘结材料(128)组成的第二多个不连续纤丝(124)混合包括：
使第一多个不连续纤丝(122)与第二多个不连续纤丝(124)混合以形成基本上均一的混合物(208)。
B4.还提供了B3段所述的方法，其中形成(1102)原料(212)包括：
施加力或压力的至少一个至混合物(206)以形成随机定向的不连续纤丝(120)的薄片(222)。
B5.还提供了B4段所述的方法，其中形成(1102)原料材料(226)进一步包括：
将薄片(222)切割(1202)成多个长条(224)；和
重组(1204)多个长条(224)以形成原料材料(226)。
B6.还提供了B1段所述的方法，其中压缩(1104)原料材料(226)包括：
关于三维以基本上恒定的速率压缩(1206)原料材料(226)以形成原料(212)。
B7.还提供了B1段所述的方法，其中压缩(1104)原料材料(226)包括：
关于三维压缩原料材料(226)以形成具有选定的约5％和约80％之间的纤维体积分数(232)的原料(212)，其中原料(212)在各个方向是均匀的。
B8.还提供了B1段所述的方法，其中使原料(212)成形(1106)包括：
切去(1306)具有选定形状(238)的原料(212)的选定部分(236)。
B9.还提供了B8段所述的方法，其中使原料(212)成形进一步包括：
使原料(212)的选定部分(236)的许多边缘(240)成形以形成填料结构(223)。
B10.还提供了B9段所述的方法，其中使原料(212)的选定部分(236)的许多边缘成形包括：
使用许多辊(244)、模具(254)或加热装置(252)的至少一种使许多边缘(240)成形。
B11.还提供了B9段所述的方法，其中使原料(212)的选定部分(236)的许多边缘(240)成形包括：
将原料(212)的选定部分(236)放置在模具(254)内以使原料(212)的选定部分(236)的许多边缘(240)成形；和
施加热(250)以固定原料(212)的选定部分(236)。
B12.还提供了B1段所述的方法，进一步包括：
将另外的粘合剂(130)添加至填料结构(223)内以形成填料(108)。
B13.还提供了B12段所述的方法，进一步包括：
用树脂(116)浸渍填料结构(223)以形成填料(108)。
C1.一种纤维基质(115)，其包括：
第一多个不连续纤丝(122)，其中第一多个不连续纤丝(122)的每个纤丝由硬化材料(126)组成；和
第二多个不连续纤丝(124)，其中第二多个不连续纤丝(124)的每个纤丝由粘结材料(128)组成，其中第一多个不连续纤丝(122)和第二多个不连续纤丝(124)二者的不连续纤丝(120)被随机定向和彼此缠结使得纤维基质(115)在各个方向是均匀的。
为了图解和描述的目的呈现了不同示意性实施方式的描述，并且不旨在穷尽或限于公开形式的实施方式。许多改进和变化将对本领域技术人员显而易见。此外，不同示意性实施方式可提供与其他期望的实施方式相比不同的特征。为了最佳的解释实施方式的原理、实际应用，并且使本领域技术人员能够理解各种实施方式的公开内容，选择和描述了选定的一个实施方式或多个实施方式，其中考虑适合于具体用途的各种改进。

Claims (14)

1.一种复合材料结构，其包括：
填料，其包括在各个方向上均匀的纤维基质，其中所述纤维基质包括：
第一多个不连续纤丝，其中所述第一多个不连续纤丝的每个纤丝由硬化材料组成；和
第二多个不连续纤丝，其中所述第二多个不连续纤丝的每个纤丝由粘结材料组成，
其中所述第一多个不连续纤丝和所述第二多个不连续纤丝二者的不连续纤丝被随机定向和彼此缠结。
2.根据权利要求1所述的复合材料结构，其中所述硬化材料包括碳、二氧化硅、玻璃、硼、对芳族聚酰胺合成纤维、聚酰亚胺、陶瓷材料或金属材料的至少一种。
3.根据权利要求1所述的复合材料结构，其中所述粘结材料包括热塑性材料或热固性材料的至少一种。
4.根据权利要求1所述的复合材料结构，其中所述填料用于基本上填充复合材料结构的孔隙，并且其中所述填料具有一组填料特性，其基本上匹配所述复合材料结构的一组特性。
5.根据权利要求1所述的复合材料结构，其中所述填料进一步包括：
注入所述纤维基质内的树脂。
6.根据权利要求1所述的复合材料结构，其中所述填料进一步包括：
在所述纤维基质内使所述填料韧化的另外的粘合剂。
7.根据权利要求1所述的复合材料结构，其中每个不连续纤丝具有至少1毫米的长度。
8.一种制造复合材料结构的填料的方法，所述方法包括：
使第一多个不连续纤丝与第二多个不连续纤丝混合以形成混合物；
使用所述混合物形成原料材料；
压缩所述原料材料以形成原料，其中所述原料内第一多个不连续纤丝和第二多个不连续纤丝的不连续纤丝被随机定向和彼此缠结以形成在各个方向上均匀的纤维基质；和
使所述原料成形以形成用于形成所述填料的填料结构，
其中使所述第一多个不连续纤丝与所述第二多个不连续纤丝混合包括：
使由硬化材料组成的所述第一多个不连续纤丝与由粘结材料组成的所述第二多个不连续纤丝混合。
9.根据权利要求8所述的方法，其中使由硬化材料组成的所述第一多个不连续纤丝与由粘结材料组成的所述第二多个不连续纤丝混合包括：
使所述第一多个不连续纤丝与所述第二多个不连续纤丝混合以形成基本上均一的混合物。
10.根据权利要求8所述的方法，其中压缩所述原料材料包括：
以基本上恒定的速率关于三维压缩所述原料材料以形成所述原料。
11.根据权利要求8所述的方法，其中压缩所述原料材料包括：
关于三维压缩所述原料材料以形成具有选定的5％和80％之间的纤维体积分数的所述原料，其中所述原料在各个方向是均匀的。
12.根据权利要求8所述的方法，其中使所述原料成形包括：
切去具有选定形状的所述原料的选定部分。
13.根据权利要求8所述的方法，进一步包括：
添加另外的粘合剂至所述填料结构内以形成所述填料。
14.根据权利要求13所述的方法，进一步包括：
用树脂浸渍所述填料结构以形成所述填料。
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