Композитный материал, содержащий волокна, формы которых обеспечивают их сцепление, и способ его изготовления
Изобретение относится к армированным волокнами композитным изделиям и способу их изготовления. Техническим результатом является увеличение прочности изделия. Технический результат достигается в композитном изделии, которое содержит множество волокон, каждое из которых имеет верхнюю, нижнюю и боковые поверхности. При этом одна из верхней и нижней поверхностей волокон имеет пазовую область и пару боковых областей на противоположных сторонах от пазовой области. Множество волокон расположено в слоях, и по меньшей мере одно из волокон одного из слоев входит в пазовую область по меньшей мере одного из волокон одного из соседних слоев. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 11 ил.
Область техники
Настоящее изобретение в целом относится к композитам и, более конкретно, к армированным волокнами композитным изделиям с улучшенными баллистическими свойствами.
Уровень техники
Композитные конструкции обычно включают матрицу, армированную волокнами, при этом волокна уложены в матрице. Композитные конструкции предназначены для передачи нагрузок вдоль длины волокон. Нагрузки могут передаваться от одного волокна другому в одном и том же слое или волокнам в соседнем слое через матричный материал. Однако матрица обычно слабее, чем волокна, поэтому в случае передачи достаточно высоких нагрузок от одного волокна другому через матрицу она не выдерживает. Если матрица не выдерживает нагрузку, волокна могут перемещаться в стороны в композитной конструкции.
При баллистическом событии, когда на композитную панель воздействует летящий объект, способность волокон смещаться в боковом направлении или в стороны обычно отрицательно сказывается на общих баллистических характеристиках композитной панели. Например, способность волокон в матрице перемещаться в боковом направлении позволяет летящему объекту вклиниваться между волокнами. Вклинивание летящего объекта между волокнами позволяет ему проникать в толщу композитной панели, не разрывая волокна. Таким образом, перемещение волокон в стороны и последующее вклинивание летящего объекта снижает баллистические характеристики панели.
Следовательно, в данной области существует потребность в композитной конструкции, которая обеспечивает пониженную восприимчивость к перемещению волокон в боковом направлении и, таким образом, обладает улучшенными баллистическими характеристиками.
Краткое описание изобретения
Настоящее изобретение направлено на решение описанных выше проблем и удовлетворение указанных потребностей в композитных конструкциях для решения баллистических задач и предлагает в качестве варианта осуществления композитное изделие, которое может включать множество волокон, по меньшей мере частично уложенных в матрице. Каждое из этих волокон может иметь верхнюю, нижнюю и боковые поверхности. По меньшей мере одна из верхней и нижней поверхностей по меньшей мере одного из волокон может включать пазовую область и пару боковых областей на противоположных сторонах пазовой области. Множество волокон могут быть расположены в слоях. По меньшей мере одно из волокон одного из слоев может входить в пазовую область по меньшей мере одного из волокон другого слоя.
Также раскрыто волокно, имеющее верхнюю, нижнюю и боковые поверхности. По меньшей мере одна из верхней и нижней поверхностей может иметь пазовую область и пару боковых областей на противоположных сторонах пазовой области. Пазовая область может быть выполнена таким образом, чтобы в нее входила боковая область соседнего волокна.
Настоящее изобретение также включает способ изготовления композитного изделия. Способ может включать этапы формирования множества волокон, имеющих верхнюю, нижнюю и боковые поверхности. Пазовая область может быть выполнена в волокне по меньшей мере в одной из верхней и нижней поверхностей волокон и проходить в осевом направлении вдоль длины волокна. Пара боковых областей может быть сформирована на противоположных сторонах пазовой области. Пазовая область может быть выполнена таким образом, чтобы в нее входила боковая область другого волокна.
В еще одном варианте осуществления раскрыт способ изготовления композитного изделия, включающий этап формирования множества волокон, имеющих верхнюю, нижнюю и боковые поверхности. Способ может дополнительно включать формирование пазовой области и пары боковых областей на противоположных боковых сторонах пазовой области, по меньшей мере в одной из верхней и нижней поверхностей волокон. Способ может дополнительно включать ввод пары боковых областей соответствующей пары волокон в пазовую область одного из волокон. Множество волокон может располагаться рядом друг с другом, таким образом, что боковая поверхность по меньшей мере одного из волокон по существу параллельна боковой поверхности непосредственно примыкающего к нему волокна. Способ может включать по меньшей мере частичную укладку волокон в матрицу и отверждение или застывание матрицы с образованием композитного изделия.
Описанные признаки, функции и преимущества могут обеспечиваться по отдельности в различных вариантах осуществления данного изобретения или могут быть объединены в других вариантах осуществления, которые подробно описаны далее со ссылкой на прилагаемые чертежи.
Краткое описание чертежей
Эти и другие признаки настоящего изобретения станут более понятными из чертежей, на которых одинаковые номера позиций относятся к одной и той же детали и где:
на Фиг. 1 приведен вид в перспективе композитного изделия в варианте осуществления, включающем матричный материал и множество волокон, уложенных в матрице;
на Фиг. 2 приведен покомпонентный вид в перспективе композитного изделия, изображенного на Фиг. 1, иллюстрирующий множество волокон, расположенных в слоях и взаимосвязанных друг с другом посредством пазовых областей, выполненных в волокнах;
на Фиг. 3 приведено увеличенное изображение в перспективе части композитного изделия по линии 3 на Фиг. 1, иллюстрирующее взаимную фиксацию волокон;
на Фиг. 4 приведен вид в разрезе композитного изделия по линии 4 на Фиг. 3, иллюстрирующий множество волокон, каждое из которых имеет пазовая область и пару боковых областей на противоположных сторонах пазовой области;
на Фиг. 5 приведен покомпонентный вид в перспективе волокон согласно Фиг. 4, дополнительно иллюстрирующие пазовые области, выполненные в волокнах;
на Фиг. 6 приведен вид в разрезе еще одного варианта осуществления волокон, отличающегося тем, что пазовые области включают скошенные боковые стенки паза для сцепления друг с другом и создания сопротивления перемещениям волокон друг относительно друга в плоскости и вне плоскости;
на Фиг. 7 изображен вид в разрезе множества волокон, каждое из которых имеет пазовые области, выполненные в верхней и нижней поверхностях;
на Фиг. 8 изображен вид в разрезе множества волокон, имеющих боковые поверхности, ориентированные не перпендикулярно верхней и нижней поверхностям волокон;
на Фиг. 9 изображен вид в разрезе множества волокон, иллюстрирующий пазовые области, выполненные в верхней и нижней поверхностях каждого волокна, и дополнительно иллюстрирующий скошенные боковые стенки паза и скошенные боковые поверхности волокон;
на Фиг. 10 приведена иллюстрация множества слоев композитного изделия в перекрестной конфигурации, изображающей соединенные пары слоев волокон, ориентированных перпендикулярно соседним соединенным парам слоев волокон; и
на Фиг. 11 приведена схема последовательности операций, иллюстрирующая одну или несколько операций, которые могут быть включены в способ изготовления композитного изделия.
Подробное описание
Далее рассматриваются чертежи, на которых с иллюстративной целью изображены предпочтительные и различные варианты осуществления изобретения, где на Фиг. 1 изображено композитное изделие 10. Композитное изделие 10 может быть изготовлено в виде армированной волокнами композитной панели 14, содержащей матрицу 18 и множество волокон 22, уложенных в матрице 18. Определенное преимущество обеспечивается тем, что матрица 18 может быть выполнена по существу из оптически прозрачного материала. Аналогично, волокна 22 могут быть выполнены по существу из оптически прозрачного материала волокон 22. Хотя композитное изделие 10 изображено на Фиг. 1 в виде панели 14, имеющей по существу плоские поверхности панели 16, композитное изделие 10 может изготавливаться с самыми различными размерами, формами и конфигурациями, без ограничения, и может включать плоские поверхности и/или сложные кривые поверхности.
Преимущество также обеспечивается тем, что описанное здесь композитное изделие 10 включает пазовые области 40 (Фиг. 2), проходящие в осевом направлении вдоль длины волокон 22 и обеспечивающие сцепление волокон 22 в боковом направлении или направлению в плоскости 46 (Фиг. 4-10) и, необязательно, обеспечивающие сцепление в направлении вне плоскости 48 (Фиг. 6, 8-10), как описано ниже. Сцепление в плоскости 46 волокон 22 может ограничить или предотвратить относительное перемещение по меньшей мере одного из волокон 22 из одного слоя 20 и по меньшей мере одного из волокон 22 из соседнего слоя 20. Сцепленные волокна 22 из двух различных слоев 20 составляют соединенную пару слоев 21. Сцепление волокон 22 может улучшить баллистические характеристики композитного изделия 10, предотвращая вклинивание летящего объекта между волокнами 22. Кроме того, сцепление волокон 22 может улучшить оптическое качество композитного изделия 10 путем сведения к минимуму зазоров между соседними волокнами 22. Кроме того, определенное преимущество обеспечивается тем, что добавление пазовых областей 40 может привести к улучшению и/или управлению механическими свойствами композитного изделия 10, включая улучшение таких свойств, как межслойная прочность на сдвиг, жесткость, прочность на сжатие, вязкость разрушения и устойчивость к повреждению композитного изделия 10. Кроме того, оптические характеристики композитного изделия 10 могут быть улучшены путем ориентации боковых поверхностей 30 (Фиг. 4) волокон 22 не перпендикулярно по отношению к верхней и нижней поверхностям 26, 28 (Фиг. 4) волокон 22, чтобы свести к минимуму количество света, проходящего через матрицу 18 и между волокнами 22, что в противном случае приводит к возникновению разности фаз света, проходящего через матрицу 18 и волокна 22, приводящей к оптическим искажениям.
Рассмотрим Фиг. 1, на которой изображено композитное изделие 10 в виде панели 14, включающее в себя множество волокон 22, уложенных в матрице 18. Волокна 22 могут функционировать как усиление конструкции для матрицы 18 и могут улучшать механические и баллистические характеристики композитного изделия 10. Например, волокна 22 обеспечивают усиление конструкции для улучшения удельной жесткости композитного изделия 10 (т.е. жесткости композитного изделия 10, деленной на его плотность) в результате повышенной прочности на разрыв и модуля упругости волокон 22. В этой связи следует отметить, что в контексте настоящего описания свойства, такие как прочность, деформация и жесткость, служат для описания динамических и/или квазистатических свойств.
Баллистические характеристики могут быть улучшены за счет сцепления волокон 22, обеспечиваемого пазовыми областями 40 (Фиг. 2), выполненными в одном или нескольких волокнах 22. Конкретнее, пазовые области 40 соединяют волокна 22 из одного слоя 20 с волокнами 22 из соседнего слоя 20, ограничивая для сцепленных волокон 22 возможность перемещения в поперечном направлении друг относительно друга и относительно матрицы 18. Технический результат сцепления, обеспечиваемого пазовыми областями 40, состоит в уменьшении или предотвращении вклинивания летящего объекта между волокнами 22. При вклинивании летящий объект может нежелательным образом сдвинуть волокна 22 в сторону, так что летящий объект сможет пройти между волокнами 22, проникая в композитную панель 14, не разрывая волокна 22. Настоящее изобретение направлено на уменьшение или сведение к минимуму бокового смещения волокон 22 посредством сцепления волокон 22 с помощью пазовых областей 40, выполненных в волокнах 22.
Кроме того, пазовые области 40 (Фиг. 2) приводят к увеличению энергии, необходимой летящему объекту для того, чтобы разорвать сцепление в плоскости 46 (Фиг. 4-10), которая в противном случае способствовала бы разделению волокон 22 в поперечном направлении. Кроме того, пазовые области 40 могут быть выполнены таким образом, чтобы обеспечить сцепление как в плоскости, так и вне плоскости 46, 48 (Фиг. 6, 8-10), поддерживая в некоторых конфигурациях волокна 22 в непосредственной близости друг от друга, что придает композитной панели 14 повышенное сопротивление проникновению, например, летящего объекта. Пазовые области 40 могут также обеспечивать улучшенную стойкость к повреждениям, так что композитное изделие 10 может продолжать выдерживать нагрузки на конструкцию после удара летящего объекта.
Рассмотрим Фиг. 2, на которой приведено покомпонентное изображение композитного изделия 10 или панели 14 согласно Фиг. 1, иллюстрирующее множество волокон 22, сформированных в виде полос и расположенных в слоях 20 в матрице 18. Как показано на Фиг. 2, волокна 22 расположены в виде полос и обязательно выровнены друг относительно друга с помощью пазовых областей 40, расположенных по длине каждого из волокон 22. Каждое из волокон 22 может иметь удлиненную форму поперечного сечения, которая может включать пару противоположных, по существу плоских поверхностей волокон 24, как лучше всего видно на Фиг. 4. В одном варианте осуществления, подобном изображенному на Фиг. 2, поверхности волокон 24, такие как верхняя и нижняя поверхности 26, 28 (Фиг. 4), могут быть ориентированы по существу параллельно поверхности изделия 12 композитного изделия 10 для улучшения оптических свойств композитного изделия 10.
Рассмотрим Фиг. 3, на которой приведено увеличенное перспективное изображение композитного изделия 10, в котором волокна 22 расположены в слоях 20 в матрице 18. Слои 20 могут быть расположены в любой ориентации друг относительно друга в композитном изделии 10 и не ограничиваются перекрестной конфигурацией, изображенной на Фиг. 3. Кроме того, хотя композитное изделие 10 изображено на Фиг. 3 с шестью слоями 20 волокон 22, образующими три соединенные пары слоев 21 (Фиг. 1-2), слоев 20 в конструкции с взаимосвязями может быть любое количество. Например, композитное изделие 10 может содержать один слой 20 волокон 22, которые могут включать пазовые области 40, но которые могут быть не соединены с волокнами 22 другого слоя 20. Кроме того, композитное изделие 10 может включать волокна 22, образующие любое количество соединенных пар слоев 21. Одна или несколько соединенных пар слоев 21 может быть связана с одной или несколькими другими соединенными парами слоев 21 посредством пазовых областей 40, выполненных в верхней и/или нижней поверхностях 26, 28 (Фиг. 4) одного или нескольких волокон 22. В связи с этим композитное изделие 10 может состоять из одного слоя 20 волокон 22 или десятков или более слоев 20 волокон 22. Слои 20 могут быть ориентированы в любом направлении друг относительно друга. Конкретнее, волокна 22 в любом слое 20 могут быть ориентированы под любым углом относительно волокон 22 соседних слоев 20.
На Фиг. 3 изображены несколько слоев 20, каждый из которых содержит волокна 22, сцепленные с волокнами 22 соседних слоев 20 с помощью пазовых областей 40. Слои 20 могут содержать волокна 22, ориентированные в любом направлении относительно волокон 22 в расположенном в непосредственной близости слое 20. Например, на Фиг.3 показана перекрестная конфигурация, в которой волокна 22 из одного слоя 20 соединенной пары слоев 21 ориентированы перпендикулярно волокнам 22 соседнего слоя 20 соединенной пары слоев 21. Следует отметить, что на Фиг. 3 приведена иллюстрация неограничительного варианта осуществления композитного изделия 10, и его не следует рассматривать как ограничивающий альтернативные конфигурации композитного изделия 10 или альтернативные расположения слоев 20 волокон 22 в матрице 18. Например, слои 20 могут быть ориентированы перпендикулярно друг другу, как показано на Фиг. 3, или иметь любую другую, не перпендикулярную ориентацию (например, 15°, 22,5°, 45°, 60°, 75° и т.д.) относительно соседних слоев 20.
Теперь рассмотрим Фиг. 4, на которой приведено увеличенное изображение поперечного сечения части композитного изделия 10 по линии 4 на Фиг. 3, иллюстрирующее пару слоев 20 волокон 22, сцепленных между собой. Как видно на Фиг. 4, предпочтительно, чтобы каждое из волокон 22 имело удлиненную форму поперечного сечения с относительно ровными или по существу плоскими гранями волокна 22, чтобы минимизировать отклонение или преломление света, которое может происходить в противном случае при прохождении света через кривую поверхность. Таким образом, по существу плоская конфигурация волокна 22 улучшает оптические характеристики композитного изделия 10.
Как показано на фиг 4-5, в целом продолговатая форма волокон 22 имеет предпочтительное, относительно высокое соотношение сторон. Соотношение сторон может быть определено как отношение ширины волокна 34 (Фиг. 4) к его толщине 32 (Фиг. 4). В одном варианте осуществления соотношение может быть в диапазоне от около 3 до около 500, хотя поперечное сечение волокна 22 может иметь любое соотношение сторон. В одном варианте осуществления толщина волокна 32 может быть в диапазоне от около 5 микрон до около 5000 микрон (т.е. от 0,002 до 0,20 дюйма). Тем не менее, волокно 22 может иметь любую толщину 32, без ограничений.
Как показано на Фиг. 4-5, верхняя и нижняя поверхности 26, 28 волокон 22 предпочтительно ориентированы по существу параллельно друг другу. Однако волокна 22 могут иметь другие формы, при которых верхняя и нижняя поверхности 26, 28 не параллельны друг другу. Как уже упоминалось ранее, каждое из волокон 22 имеет предпочтительную пазовую область 40, проходящую в осевом направлении вдоль длины волокна 22. Хотя на Фиг. 4 изображена пазовая область 40, выполненная в одной из поверхностей 26, 28 - верхней или нижней - каждого волокна 22, в другом варианте осуществления волокна 22 пазовой области 40 могут быть выполнены и в верхней, и в нижней поверхностях 26, 28 каждого волокна 22, как показано на Фиг.7 и 9 и более подробно описано ниже.
Как показано на Фиг 4-5, пазовая область 40 волокон 22 может быть в целом центрирована по ширине волокна 22. Тем не менее, предполагается, что волокна 22 могут быть выполнены в конфигурации, при которой пазовая область 40 смещена к одной из боковых поверхностей 30 волокон 22. Для конфигураций волокон 22, имеющих пазовые области 40 как в верхней, так и в нижней поверхностях 26, 28, как показано на Фиг. 7 и 9, пазовая область 40 на верхней поверхности 26 может быть в целом совмещена с пазовой областью 40 в нижней поверхности 28 волокна 22, что будет более подробно описано ниже. Тем не менее, пазовые области 40 в верхней и нижней поверхностях 26, 28 могут быть смещены друг относительно друга.
Пазовая область 40 может привести к тому, что волокна 22 будут иметь толщину в пазовой области 40 меньшую, чем толщина волокна 32 в боковых областях 42. Как можно видеть на Фиг. 4-5, каждая из пазовых областей 40 имеет боковые области 42, расположенные на противоположных боковых сторонах пазовой области 40, по одной с каждой стороны. На приведенных иллюстрациях толщина волокна 22 в пазовой области 40, как правило, меньше, чем толщина волокна 22 в боковых областях 42. Тем не менее, волокно 22 может иметь конфигурацию, в которой пазовая область 40 и боковые области 42 имеют по существу сходную толщину. В такой конфигурации (не изображена) волокно 22 может иметь относительно невысокий выступ в форме шляпы по сравнению с относительно мелкими U-образными частями в конфигурации, изображенной на Фиг. 4-5. Пазовая область 40 может быть ограничена на противоположных боковых сторонах боковыми стенками 44 паза. На Фиг. 4 и 5 изображены боковые стенки 44 паза, ориентированные перпендикулярно верхней и нижней поверхностям 26, 28. В то же время, на Фиг. 6, 8 и 9 изображены боковые стенки 44 паза, выполненными под углами и не перпендикулярные верхней и нижней поверхностям 26, 28. Следует отметить, что хотя пазовые области 40, боковые области 42, боковые стенки 44 паза и боковые поверхности 30 изображены с относительно плоскими поверхностями и относительно острыми углами, волокна 22 могут быть выполнены таким образом, что пазовые области 40, включающие боковые области 42, боковые поверхности 30 и боковые стенки 44 паза будут иметь криволинейные поверхности или сочетание плоских и криволинейных поверхностей. Кроме того, углы боковых стенок 44 паза и боковые поверхности 30 могут быть скруглены, скошены, сточены или могут иметь другую форму, отличную от острого угла.
Как указано выше, боковые области 42 одного волокна 22 могут входить в пазовую область 40 одного из соседних волокон 22 слоя 20 с образованием соединенной пары слоев 21. Например, как показано на Фиг. 4, в каждую пазовую область 40 может входить пара боковых областей 42 соседней пары волокон 22 соседнего слоя 20 (см. Фиг. 4). Таким образом, волокна 22 расположены бок о бок и удерживаются рядом друг с другом благодаря сцеплению в пазовых областях 40. Волокна 22 могут быть расположены так, что боковые поверхности 30 волокон 22 расположены в предпочтительной ориентации, по существу параллельно друг другу. Например, на Фиг. 4 боковые поверхности 30 каждого из волокон 22 ориентированы параллельно друг другу и по существу перпендикулярно верхней и нижней поверхностям 26, 28.
Аналогично, на Фиг. 6 и 7 изображены боковые поверхности 30, ориентированные по существу перпендикулярно верхней и нижней поверхностям 26, 28. Кроме того, на Фиг. 6 боковые стенки 44 паза каждой из пазовых областей 40 ориентированы не перпендикулярно верхней и нижней поверхностям 26, 28. В этом отношении Фиг. 6 иллюстрирует соединенную пару слоев 21 и конфигурацию волокон 22, обеспечивающую сцепление в плоскости 46 и вне плоскости 48 благодаря ориентации боковых стенок 44 паза.
На Фиг. 7 изображены пазовые области 40, боковые стенки 44 которых ориентированы по существу перпендикулярно к верхней и нижней поверхностям 26, 28, таким образом, что пазовые области 40 обеспечивают сцепление в плоскости 46 волокон 22. На Фиг. 7 также изображены пазовые области 40, образованные в верхней и нижней поверхностях 26, 28 каждого из волокон 22 для обеспечения более высокой степени сцепления в плоскости 46 соседних волокон 22, чем та, которую обеспечивает единственная пазовая область 40 на волокнах 22, изображенных на Фиг. 4 и 5. На Фиг. 7 также изображены пазовые области 40, образованные в верхней и нижней поверхностях 26, 28 каждого из волокон 22 для содействия сцеплению каждого волокна 22 с волокнами 22 слоев 20, расположенных на каждой из сторон каждого волокна 22. Хотя на Фиг. 7 показаны два из слоев 20, соединенных друг с другом с образованием соединенной пары слоев 21, пазовые области 40 на обеих поверхностях 26, 28 - верхней и нижней - волокна 22 содействуют сцеплению в плоскости дополнительных слоев 20 вне двух слоев 20, изображенных на Фиг. 7.
На Фиг. 8 изображен вариант осуществления волокон 22, отличающийся тем, что боковые стенки 44 паза ориентированы не перпендикулярно верхней и нижней поверхностям 26, 28. Аналогично, боковые поверхности 30 волокон 22 ориентированы не перпендикулярно верхней и нижней поверхностям 26, 28 для обеспечения сцепления вне плоскости 48 волокон 22. В варианте осуществления, изображенном на Фиг.8, боковые поверхности 30 могут быть ориентированы под любым углом к верхней и нижней поверхностям 26, 28. Например, боковые поверхности 30 могут быть ориентированы под углом от около 10° до около 170° к верхней и нижней поверхностям 26, 28, хотя боковые поверхности 30 могут быть ориентированы под углом менее 10 градусов или более 170 градусов к верхней и нижней поверхностям 26, 28. Кроме того, хотя на Фиг.8 изображены волокна 22, у которых боковые поверхности 30 и боковые стенки 44 паза ориентированы не перпендикулярно к верхней и нижней поверхностям 26, 28, волокна 22 могут иметь конфигурацию, в которой только боковые поверхности 30 ориентированы не перпендикулярно верхней и нижней поверхностям 26, 28, а боковые стенки 44 паза ориентированы по существу перпендикулярно верхней и нижней поверхностям 26, 28, или наоборот. Следует также отметить, что хотя боковые поверхности 30 и боковые стенки выемки 44 показаны как ориентированные по существу под одним и тем же углом друг к другу, боковые поверхности 30 могут быть ориентированы под другим углом, чем боковые стенки 44 паза.
На Фиг. 9 изображен альтернативный вариант осуществления волокон 22, в котором пазовые области 40 каждого волокна 22 выполнены с боковыми стенками 44 паза, ориентированными не перпендикулярно верхней и нижней поверхностям 26, 28 (Фиг. 8). Аналогично, боковые поверхности 30 волокон 22 могут быть выполнены неперпендикулярными к верхней и нижней поверхностям 26, 28 для обеспечения лучшего сцепления и сопротивления перемещению волокон 22. На Фиг. 9 также изображены пазовые области 40, образованные в верхней и нижней поверхностях 26, 28 каждого из волокон 22, способствующих сцеплению каждого волокна 22 с волокнами 22 слоев 20, расположенных на каждой стороне каждого волокна 22, аналогично иллюстрации на Фиг. 7 и приведенному выше описанию. В этом отношении Фиг. 9 иллюстрирует три слоя из слоев 20, имеющих пазовые области 40 на обеих поверхностях - верхней и нижней 26, 28, способствующих их сцеплению с образованием соединенных пар слоев 21. Очевидно, что любое количество слоев 20 может быть соединено между собой посредством пазовых областей 40 на верхней и нижней поверхностях 26, 28 каждого из волокон 22.
На Фиг. 10 приведен вид в разрезе части композитного изделия 10, содержащего стопку из восьми слоев 20 волокон 22, в котором образовано четыре соединенные пары слоев 21. Как можно видеть, слои 20 соединенных пар слоев 21 ориентированы в целом перпендикулярно по отношению к слоям 20 соседних соединенных пар слоев 21. В этом отношении Фиг. 10 иллюстрирует перекрестную конфигурацию слоев 20, похожую на перекрестную конфигурацию волокон 22, изображенных на Фиг. 2 и 3. В частности, на Фиг. 10 изображены две соединенные пары слоев 21, проходящие перпендикулярно плоскости страницы, и две соединенные пары слоев 21, проходящие вдоль плоскости страницы. Очевидно, что любое количество слоев 20 может быть соединено между собой в любой конфигурации посредством пазовых областей 40 на одной или нескольких из верхней и/или нижней поверхностей 26, 28 волокон 22.
В вариантах осуществления, изображенных на Фиг. 1-10, матричный материал 18 может располагаться между верхней и нижней поверхностями 26, 28 волокон 22, а также между боковыми поверхностями 30 соседних волокон 22 и между пазовой областью 40 и боковыми стенками 44 паза соседних волокон 22. Матричный материал 18 может физически и оптически соединять волокна 22 друг с другом. В вариантах осуществления, изображенных на Фиг. 1-10, расположение волокон 22 противостоит разделению в направлении плоскости. Кроме того, некоторые варианты осуществления волокон 22, в которых боковые стенки 44 паза расположены под углом, как показано на Фиг. 6, 8 и 9, могут обеспечить сопротивление разделению вне плоскости, благодаря неперпендикулярной ориентации боковых стенок 44 паза.
Предпочтительно, чтобы волокна 22 противостояли разделению за счет эффекта сцепления, который обеспечивает средства регулирования величины относительного перемещения волокон 22 в матрице 18 при различных условиях нагрузки. При воздействии летящего объекта на композитное изделие 10, такое как панель 14, изображенная на Фиг. 1, может быть необходимо, чтобы волокна 22 противостояли разделению в плоскости, в то же время позволяя другим несвязанным слоям 20 волокон 22 перемещаться друг относительно друга. Например, в изображенной на Фиг. 10 конфигурации верхние соединенные пары слоев 21 могут оказывать сопротивление разделению волокон 22 в плоскости (т.е. в поперечном направлении), а слои 20, расположенные непосредственно под верхними соединенными парами слоев 21, могут быть не связанными с верхними соединенными парами слоев 21 и поэтому могут перемещаться в поперечном направлении относительно слоев 20 верхних соединенных пар слоев 21.
Относительное движение между парами слоев 20 может регулироваться за счет выбора свойств материала матрицы 18 и клея, который необязательно может применяться для соединения вместе слоев 20. Например, может быть необходимо выбрать клей, который обеспечивает ограниченную степень перемещения слоев 20 друг относительно друга. Относительное перемещение или проскальзывание некоторых волокон 22 в матрице 18 может быть необходимо при баллистическом событии, поскольку большая часть длины некоторых волокон 22 может способствовать замедлению летящего объекта.
Волокна 22 и матрица 18 (Фиг. 1-10) могут быть выполнены из любого подходящего материала, который предпочтительно выполнить по существу оптически прозрачным, хотя волокна 22 и/или матрица 18 могут быть выполнены из непрозрачных материалов. Таким образом, матрица 18 и/или волокна 22 могут быть выполнены из любого материала, имеющего любую степень прозрачности: от по существу прозрачного до по существу непрозрачного. Матрица 18 и/или волокна 22 могут быть изготовлены из термопластичного материала, содержащего по меньшей мере один из следующих компонентов: акриловые волокна, фторуглероды, полиамиды, полиэтилены, полиэфиры, полипропилены, поликарбонаты, полиуретаны, полиэфирэфиркетон, полиэфиркетонкетон, полиэфиримиды, эпоксидная и неорганические смолы. Смолы и масла могут также использоваться для изготовления матрицы 18. Матрица 18 и/или волокна 22 могут быть выполнены из термореактивного материала, содержащего по меньшей мере один из следующих компонентов: полиуретаны, фенольные смолы, полиимиды, бисмалеимиды, полиэфиры, эпоксидные смолы и силсесквиоксаны. Матрица 18 и/или волокна 22 могут быть выполнены из неорганических материалов, включая, без ограничения, углерод, карбид кремния и бор. Матрица 18 и/или волокна 22 также могут быть выполнены из стекла, такого как E-стекло (алюмо-боросиликатное стекло), S-стекло (алюмосиликатное стекло), чистый диоксид кремния, боросиликатное стекло и оптическое стекло. Волокна 22 могут также быть выполнены из металлического материала.
Описанное здесь композитное изделие 10 (Фиг. 1-10) может иметь различные варианты применения. Например, композитное изделие 10 может быть реализовано в виде баллистической панели 14 для использования в транспортных средствах, например, в качестве лобового стекла воздушного судна, фонаря или блистера. Кроме того, композитное изделие 10 может использоваться в не связанной с транспортными средствами области, например, в качестве перегородки, несущей панели, архитектурной панели или ненесущей панели 14. Таким образом, композитное изделие 10 может иметь любой размер, форму и конфигурацию и может быть предназначено для использования в транспортных средствах или не связанных с транспортом областях, без ограничений.
Рассмотрим Фиг. 11, где приведена схема последовательности операций, иллюстрирующая одну или несколько операций, которые могут быть включены в способ изготовления композитного изделия 10. На этапе 102 композитное изделие 10 может быть изготовлено путем формирования множества волокон 22 (Фиг. 4) с верхней, нижней и боковыми поверхностями 26, 28, 30 (Фиг. 4). Волокна 22 могут быть получены путем экструзии, получения одноосно ориентированного волокнистого пластика или с использованием другого подходящего производственного процесса. Верхняя и нижняя поверхности 26, 28 могут быть выполнены по существу параллельными друг другу и в целом могут быть плоскими. Волокна 22 могут иметь удлиненную форму поперечного сечения и отношение ширины волокна 34 (Фиг. 4) к его толщине 32 (Фиг. 4) в диапазоне от около 3 до около 500, хотя могут использоваться и другие соотношения, вне диапазона 3-500.
Боковые поверхности 30 (Фиг. 4) волокон 22 могут быть выполнены по существу перпендикулярными к верхней и нижней поверхностям 26, 28 или неперпендикулярными к верхней и нижней поверхностям 26, 28, как показано на Фиг. 6. Таким образом, боковые поверхности 30 могут быть выполнены под любым углом к верхней и нижней поверхностям 26, 28. Например, боковые поверхности 30 могут быть выполнены под углом от около 10° до около 170° к по меньшей мере одной из верхней и нижней поверхностей 26, 28, хотя могут использоваться большие или меньшие углы.
Вновь рассмотрим Фиг. 11. Этап 104 может включать формирование пазовых областей 40 и пары боковых областей 42 на противоположных боковых сторонах пазовых областей 40 в верхней и/или нижней поверхностях 26, 28 каждого из волокон 22, аналогично изображенному на Фиг. 4-9. Как можно видеть на Фиг. 4-9, пазовая область 40 может обуславливать то, что толщина волокна 22 в боковых областях 42 больше, чем толщина волокна 32 в пазовых областях 40.
Для конфигураций, изображенных на Фиг. 7 и 9, пазовые области 40 могут быть выполнены как на верхней, так и на нижней поверхности 26, 28, а пазовые области 40 могут быть по существу вертикально совмещены относительно друг друга, как показано на Фиг. 7 и 9, хотя пазовые области 40 могут быть смещены друг относительно друга. В одной или нескольких конфигурациях пазовая область 40 может быть в целом отцентрирована по ширине волокна 22, как показано на Фиг. 1-10, хотя пазовая область 40 может быть смещена к одной из боковых поверхностей 30 волокон 22. Как показано на Фиг. 4-10, пазовая область 40 может включать боковые стенки 44 паза, которые могут быть выполнены под любым углом к верхней и нижней поверхностям 26, 28. Например, пазовые области 40 могут быть выполнены перпендикулярными верхней и нижней поверхностям 26, 28, как показано на Фиг. 4, 5 и 7. В альтернативном варианте боковые стенки 44 паза могут быть выполнены не под прямым углом к верхней и нижней поверхностям 26, 28, аналогично изображенному на Фиг. 6 и 8-10.
На Фиг. 11 этап 106 может включать помещение пары боковых областей 42 соответствующей пары волокон 22 в пазовые области 40 волокна 22, чтобы соединить волокна 22, как показано на Фиг. 6-10. Как показано на чертежах, каждая из пазовых областей 40 вмещает пару боковых областей 42 соответствующей пары волокон 22. Этап 108 способа согласно Фиг. 11 может включать расположение множества волокон 22 рядом друг с другом таким образом, что боковая поверхность 30 по меньшей мере одного из волокон 22 по существу параллельна боковой поверхности 30 непосредственно примыкающего к нему волокна 22. Волокна 22 предпочтительно расположить так, что боковые поверхности 30 соседних волокон 22 находятся рядом друг с другом.
Взаимосвязанные волокна 22 из одного слоя 20 могут быть ориентированы продольно под любым углом по отношению к продольной ориентацией волокон 22 в смежном слое 20. Например, как показано на Фиг. 1-3, слои 20 может быть ориентирована по существу перпендикулярно по отношению к соседним слоям 20. В альтернативном варианте множество слоев 20, имеющих по существу параллельные волокна 22, могут быть соединены для различных вариантов осуществления, в том числе с использованием пазовых областей 40 в верхней и нижней поверхностях 26, 28 волокон 22, аналогично изображенному на Фиг. 7 и 9. Также предполагается, что слои 20 из волокон 22, которые ориентированы не перпендикулярно друг другу, могут быть соединены посредством локализованных элементов (не изображены) для сцепления с областями выреза 40, проходящими в осевом направлении вдоль волокон 22 соседних слоев 20.
На Фиг. 11 этап 110 может включать по меньшей мере частичную укладку волокон 22 в матрице 18, аналогично изображенному на Фиг. 1-3. Как указано выше, матрицу 18 предпочтительно выполнять по существу из оптически прозрачного материала. Аналогично, волокна 22 предпочтительно выполнять по существу из оптически прозрачного материала. Этап 112 на Фиг. 11 может включать отверждение или застывание матрицы 18 и/или волокон 22 с образованием композитного изделия 10. Таким образом, композитное изделие 10 может подвергаться воздействию тепла и/или давления для содействия отверждению или застыванию.
Один из вариантов осуществления настоящего изобретения относится к композитному изделию, содержащему множество волокон (22), каждое из которых имеет верхнюю, нижнюю и боковые поверхности, причем на по меньшей мере одной из верхней и нижней поверхностей по меньшей мере одного из волокон имеется пазовая область (40) и пара боковых областей (42) на противоположных сторонах пазовой области (40), множество волокон (22) располагаются в слоях и по меньшей мере одно из волокон одного из слоев входит в пазовую область по меньшей мере одного из волокон одного из соседних слоев. В описанном выше композитном изделии волокно (22) может иметь толщину в пазовой области (40), меньшую, чем толщина волокна в боковых областях (42). Композитное изделие может также включать множество волокон (22), расположенных рядом друг с другом, таким образом, что боковая поверхность по меньшей мере одного из волокон по существу параллельна боковой поверхности непосредственно примыкающего к нему волокна. Композитное изделие может дополнительно включать верхнюю и нижнюю поверхности, каждая из которых имеет пазовую область (40), и пазовую область на верхней поверхности по меньшей мере одного волокна в целом совмещена с пазовой областью на нижней поверхности волокна. Композитное изделие может дополнительно включать пазовую область, содержащую пару противоположных боковых стенок (44) паза, и по меньшей мере одна из боковых стенок паза ориентирована не перпендикулярно к по меньшей мере одной из верхней и нижней поверхностей волокна. Композитное изделие может дополнительно содержать волокно (22), имеющее поперечное сечение с отношением ширины волокна к его толщине в диапазоне от около 3 до около 500. Кроме того, в композитном изделии по меньшей мере один из материалов матрицы и волокна - может представлять собой по меньшей мере один из материалов:
термопластичный материал, включающий по меньшей мере один из перечисленных: акриловые волокна, фторуглероды, полиамиды, полиэтилены, полиэфиры, полипропилены, поликарбонаты, полиуретаны, полиэфирэфиркетон, полиэфиркетонкетон, полиэфиримиды;
термореактивный материал, включающий по меньшей мере один из перечисленных: полиуретаны, фенольные смолы, полиимиды, бисмалеимиды, полиэфиры, эпоксидные смолы, силсесквиоксаны;
неорганический материал, включающий по меньшей мере один из перечисленных: углерод, карбид кремния, бор;
и стекло, включая E-стекло (алюмо-боросиликатное стекло), S-стекло (алюмосиликатное стекло), чистый диоксид кремния, боросиликатное стекло, оптическое стекло.
Другой вариант осуществления настоящего изобретения относится к способу изготовления композитного изделия, включающего формирование множества волокон с верхней, нижней и боковыми поверхностями (102), формирование пазовой области и пары боковых областей на противоположных сторонах пазовой области в по меньшей мере одной из верхней и нижней поверхностей волокон (104), помещение боковой области одного из волокон в пазовую область другого волокна. Способ может дополнительно включать ввод пары боковых областей соответствующей пары волокон в пазовую область (106). Способ может также включать формирование пазовой области как на верхней, так и на нижней поверхностях. Способ может также включать расположение множества волокон рядом друг с другом, таким образом, что боковая поверхность по меньшей мере одного из волокон по существу параллельна боковой поверхности непосредственно примыкающего к нему волокна (105). Способ может также включать формирование боковых стенок паза в пазовой области не под прямым углом к по меньшей мере одной из верхней и нижней поверхностей волокна.
Другие модификации и усовершенствования настоящего изобретения будут очевидны специалистам в данной области. Таким образом, конкретное сочетание описанных и проиллюстрированных здесь деталей должно представлять лишь конкретные варианты осуществления настоящего изобретения и не предназначено для ограничения альтернативных вариантов или устройств в пределах сущности и объема изобретения.
1. Композитное изделие, содержащее
множество волокон (22), каждое из которых имеет верхнюю, нижнюю и боковые поверхности, при этом по меньшей мере одна из верхней и нижней поверхностей по меньшей мере одного из волокон имеет пазовую область (40) и пару боковых областей (42) на противоположных сторонах от пазовой области (40), множество волокон (22) расположено в слоях, и по меньшей мере одно из волокон одного из слоев входит в пазовую область по меньшей мере одного из волокон одного из соседних слоев.
2. Композитное изделие по п. 1, отличающееся тем, что волокно (22) имеет толщину в пазовой области (40), меньшую, чем толщина волокна в боковых областях (42).
3. Композитное изделие по п. 1, отличающееся тем, что волокна (22) расположены рядом друг с другом таким образом, что боковая поверхность по меньшей мере одного из волокон по существу параллельна боковой поверхности непосредственно примыкающего к нему волокна.
4. Композитное изделие по п. 1, отличающееся тем, что каждая поверхность из верхней и нижней поверхностей имеют пазовую область (40); и пазовая область в верхней поверхности по меньшей мере одного волокна в основном выровнена с пазовой областью в нижней поверхности волокна.
5. Композитное изделие по п. 1, отличающееся тем, что пазовая область содержит пару противоположных боковых стенок (44) паза; и по меньшей мере одна из боковых стенок паза ориентирована не перпендикулярно по отношению по меньшей мере к одной из верхней и нижней поверхностей волокна.
6. Композитное изделие по п. 1, отличающееся тем, что волокно (22) имеет поперечное сечение с характеристическим отношением ширины волокна к толщине волокна; и характеристическое отношение находится в диапазоне от около 3 до около 500.
7. Композитное изделие по п. 1, отличающееся тем, что оно содержит матрицу, и по меньшей мере одно из матрицы и волокна сформировано по меньшей мере из одного из нижеперечисленных материалов:
термопластичный материал, содержащий по меньшей мере один из нижеперечисленных: акриловые волокна, фторуглероды, полиамиды, полиэтилены, полиэфиры, полипропилены, поликарбонаты, полиуретаны, полиэфирэфиркетон, полиэфиркетонкетон, полиэфиримиды; термореактивный материал, содержащий по меньшей мере один из нижеперечисленных: полиуретаны, фенольные смолы, полиимиды, бисмалеимиды, полиэфиры, эпоксидные смолы, силсесквиоксаны; неорганический материал, содержащий по меньшей мере один из нижеперечисленных: углерод, карбид кремния и бор; и стекло, включающее Е-стекло (алюмоборосиликатное стекло), S-стекло (алюмосиликатное стекло), чистый диоксид кремния, боросиликатное стекло, оптическое стекло.
8. Композитное изделие по п. 1, отличающееся тем, что оно сконфигурировано в виде по меньшей мере одного из нижеперечисленного: ветровое стекло, фонарь, окно, перегородка, несущая панель, архитектурная панель, изделие, не являющееся частью конструкции.
9. Способ изготовления композитного изделия, включающий этапы, на которых
формируют множество волокон, имеющих верхнюю, нижнюю и боковые поверхности (102),
формируют пазовую область и пару боковых областей на противоположных сторонах пазовой области по меньшей мере в одной из верхней и нижней поверхностей волокон (104), и
помещают боковую область одного из волокон в пазовую область другого волокна.
10. Способ по п. 9, дополнительно предусматривающий этап, на котором помещают пару боковых областей соответствующей пары волокон в пазовую область (106).
11. Способ по п. 9, дополнительно предусматривающий этап, на котором формируют пазовую область как на верхней, так и на нижней поверхностях.
12. Способ по п. 9, дополнительно предусматривающий этап, на котором располагают множество волокон рядом друг с другом таким образом, что боковая поверхность по меньшей мере одного из волокон по существу параллельна боковой поверхности непосредственно примыкающего к нему волокна (105).
13. Способ по п. 9, дополнительно предусматривающий этап, на котором формируют боковые стенки паза в пазовой области, не перпендикулярные по отношению по меньшей мере к одной из верхней и нижней поверхностей волокна.
