專利名稱：形狀記憶合金/纖維加強(qiáng)的聚合復(fù)合結(jié)構(gòu)及其形成方法
CN 102933387 A書明說1/7頁形狀記憶合金/纖維加強(qiáng)的聚合復(fù)合結(jié)構(gòu)及其形成方法技術(shù)領(lǐng)域
本公開一般涉及由多個(gè)纖維加強(qiáng)的聚合板層和多個(gè)形狀記憶合金片形成的復(fù)合結(jié)構(gòu)，并且更具體地，本公開涉及具有通過粘合劑結(jié)合在一起的多個(gè)纖維加強(qiáng)的聚合板層和多個(gè)形狀記憶合金片的復(fù)合結(jié)構(gòu)，其中可以通過將形狀記憶合金加熱到轉(zhuǎn)換溫度來改變復(fù)合結(jié)構(gòu)的形狀。
背景技術(shù)：
在飛機(jī)工業(yè)中，針對(duì)環(huán)境噪音和排放物以及與燃料有關(guān)的工作成本的越來越多的限制條件增加了對(duì)原始設(shè)備制造商(OEM)改進(jìn)飛機(jī)效率的要求。變形能力和空氣動(dòng)力學(xué)表面形狀的適應(yīng)能力提供能幫助達(dá)到這些新要求的很多性能益處。變形結(jié)構(gòu)如可變幾何人字形(Variable Geometry Chevron, VGC)結(jié)構(gòu)已經(jīng)表現(xiàn)出選擇性地控制表面幾何形狀的能力，以便在起飛和巡航期間修改噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)排氣流，從而減少城市噪音。Boeing設(shè)計(jì)的VGC 使用經(jīng)歷熱致形變的形狀記憶合金(SMA)彎曲類型致動(dòng)器，其中該熱致形變與碳纖維加強(qiáng)的塑料(CFRP)人字形表面起反應(yīng)?；赟MA的飛機(jī)結(jié)構(gòu)的其他潛在應(yīng)用包括在巡航期間用于升力對(duì)阻力(lift-to-drag)改進(jìn)的變形機(jī)翼結(jié)構(gòu)。
SMA是必須包括在小體積設(shè)計(jì)包絡(luò)中的變形結(jié)構(gòu)的期望有效組分。它們對(duì)于需要大作用力輸出的應(yīng)用是理想的，否則機(jī)動(dòng)化零件不能利用傳統(tǒng)致動(dòng)形式來實(shí)現(xiàn)該大作用力輸出。基于SMA的變形結(jié)構(gòu)的當(dāng)前設(shè)計(jì)需要金屬硬件如緊固件來將SMA連接到復(fù)合的或鋁的飛機(jī)表面上。離散連接的應(yīng)用可能通過在SMA、緊固件和支撐結(jié)構(gòu)中集中負(fù)載和熱應(yīng)力而限制性能。緊固件連接也通過對(duì)結(jié)構(gòu)增加重量和占據(jù)額外的空間限制設(shè)計(jì)自由度。
圖1A-1D中顯示了需要金屬硬件如緊固件的基于SMA的變形結(jié)構(gòu)的一種此類當(dāng)前設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)顯示機(jī)翼橫斷面，其圖示說明機(jī)翼100的可展開分叉的后緣102。圖IA顯示在沒有展開的情況下處于裝載位置的機(jī)翼100。機(jī)翼100的說明性橫斷面圖在圖IB中顯示為通過機(jī)械緊固件108將SMA致動(dòng)器104緊固到機(jī)翼100的外表面106上的常規(guī)方法。由于棒狀致動(dòng)器幾何形狀和緊固件108，裝載的開叉后緣102具有有限的設(shè)計(jì)空間。
圖IC和圖ID進(jìn)一步顯示在展開情況下通過機(jī)械固定配備有SMA致動(dòng)器的機(jī)翼。 圖IC顯示在SMA致動(dòng)器104被致動(dòng)之后的分叉后緣112。圖ID示出展開的分叉后緣102， 其中SMA致動(dòng)器104被機(jī)械固定到外表面106上，且其中在基底106和致動(dòng)器104中的緊固件108的位置上出現(xiàn)大的局部應(yīng)力。
因此，開發(fā)粘附地結(jié)合的SMA-FRPP接頭以增加變形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)空間和效率將是有利的。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明公開一種粘附地結(jié)合的SMA-FRPP (纖維加強(qiáng)的聚合板層)層壓件致動(dòng)的結(jié)構(gòu)。SMA致動(dòng)器被粘附地結(jié)合到121°C (250 T)固化增韌的環(huán)氧樹脂上。溶膠凝膠表面處理技術(shù)被用于制備鎳-鈦(鎳鈦諾)致動(dòng)器的結(jié)合表面。熱壓機(jī)被用于在粘合劑固化期間抑4制致動(dòng)器/層壓件裝配。利用形狀記憶行為的熱機(jī)械構(gòu)成模式的有限元分析被用于分析在致動(dòng)循環(huán)期間粘附地結(jié)合和機(jī)械緊固的結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力集中。通過測(cè)量貫穿延長(zhǎng)的熱致致動(dòng)循環(huán)的層壓件偏斜來檢驗(yàn)結(jié)合的混合結(jié)構(gòu)的性能和耐用性。然后將這些結(jié)果與由機(jī)械緊固連接的類似混合結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較。本公開表現(xiàn)出用于變形空氣動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)的粘附性結(jié)合的耐久性和效率。
本公開一般涉及一種復(fù)合結(jié)構(gòu)，其具有至少兩個(gè)碳纖維預(yù)浸料板層以及在至少兩個(gè)碳纖維預(yù)浸料板層之間的至少一個(gè)形狀記憶合金片。形狀記憶合金片的厚度可以在大約 O. 002英寸與大約O. 25英寸之間。形狀記憶合金片也可以在其頂表面和底表面上具有膠粘底漆層和環(huán)氧樹脂粘附層。
本公開也涉及一種復(fù)合結(jié)構(gòu)，其具有至少兩個(gè)形狀記憶合金片以及在至少兩個(gè)形狀記憶合金片之間的至少一個(gè)碳纖維預(yù)浸料板層。
本公開通常進(jìn)一步涉及一種碳纖維復(fù)合結(jié)構(gòu)，其具有第一多個(gè)碳纖維預(yù)浸料板層和與第一多個(gè)碳纖維預(yù)浸料板層交錯(cuò)的第二多個(gè)形狀記憶合金片。第二多個(gè)形狀記憶合金片中每一個(gè)的厚度在大約O. 02英寸與O. 25英寸之間。第二多個(gè)形狀記憶合金片可以進(jìn)一步使其頂表面和底表面中的至少一個(gè)涂覆有膠粘底漆層和環(huán)氧樹脂粘附層。膠粘底漆層可以是溶膠凝膠涂覆層。
本公開通常進(jìn)一步涉及一種用于制作碳纖維復(fù)合結(jié)構(gòu)的方法，其包括以下步驟 提供第一多個(gè)碳纖維預(yù)浸料板層；提供第二多個(gè)形狀記憶合金片；利用膠粘底漆層涂覆第二多個(gè)形狀記憶合金片之一的頂表面和底表面中的至少一個(gè)；在被涂覆的形狀記憶合金片上涂覆環(huán) 氧樹脂粘合劑層；將被涂覆的形狀記憶合金片與第一多個(gè)碳纖維預(yù)浸料板層中的至少兩個(gè)交錯(cuò)，形成層壓件；以及在加熱和壓力下固化層壓件，形成碳纖維復(fù)合結(jié)構(gòu)。
在某些實(shí)施例中，用于制作碳纖維復(fù)合結(jié)構(gòu)的方法可以進(jìn)一步包括以下步驟提供厚度在大約O. 002英寸與大約O. 25英寸之間的第二多個(gè)形狀記憶合金片；或者在其頂表面和底表面中具有膠粘底漆層和環(huán)氧樹脂粘附層的至少一個(gè)表面上提供第二多個(gè)形狀記憶合金片；膠粘底漆可以是溶膠凝膠材料或環(huán)氧結(jié)合底漆或兩者。該方法可以進(jìn)一步包括在大約200 °F與大約500 間的溫度下和在至少40PSI的壓力下固化層壓件的步驟。致動(dòng)器被連接到機(jī)翼的內(nèi)表面，而不是氣流所在的外表面上。
本公開通常進(jìn)一步涉及一種用于變形復(fù)合結(jié)構(gòu)的方法，其包括以下步驟提供第一多個(gè)碳纖維預(yù)浸料板層；提供第二多個(gè)形狀記憶合金片，每個(gè)形狀記憶合金片在頂表面和/或底表面上涂覆有環(huán)氧樹脂粘合劑；將第二多個(gè)形狀記憶合金片與第一多個(gè)碳纖維預(yù)浸料板層交錯(cuò)，形成復(fù)合結(jié)構(gòu)；以及通過加熱到最小溫度來變形復(fù)合結(jié)構(gòu)，其中形狀記憶合金在該最小溫度下從第一晶態(tài)轉(zhuǎn)變到第二晶態(tài)。
在某些實(shí)施例中，用于變形復(fù)合結(jié)構(gòu)的方法可以進(jìn)一步包括以鎳_鈦合金形式提供第二多個(gè)形狀記憶合金片；可以進(jìn)一步包括將鎳_鈦合金從馬氏體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體結(jié)構(gòu)的步驟；可以進(jìn)一步包括將復(fù)合結(jié)構(gòu)加熱到至少110 °F的溫度的步驟，或者可以進(jìn)一步包括將復(fù)合結(jié)構(gòu)加熱到大約110 °F與大約320 °F之間的溫度的步驟。


圖1A-1D是通過利用使用常規(guī)緊固件連接到內(nèi)表面上的SMA致動(dòng)器而具有可展開CN 102933387 A書明說3/7頁的分叉后緣的機(jī)翼橫截面圖的圖解。
圖2是顯示與加強(qiáng)的環(huán)氧樹脂層交錯(cuò)的金屬箔片的鎳-鈦-纖維加強(qiáng)的聚合板層混合層壓件的透視圖。
圖3是SMA/FRPP變形結(jié)構(gòu)的放大橫截面圖的圖解。
圖4A和圖4B是分別在轉(zhuǎn)變之前和轉(zhuǎn)變之后的SMA/CFRP (碳纖維加強(qiáng)的預(yù)浸料) 變形結(jié)構(gòu)的橫截面圖的圖解。
圖5A和圖5B示出SMA/CFRP復(fù)合面板的測(cè)試布置。
圖6和圖6A是包括加熱器和熱電偶線的SMA/CFRP復(fù)合面板的測(cè)試樣品的透視圖和放大圖。
圖7A-7D是變形成分叉后緣的機(jī)翼的粘附結(jié)合的SMA/CFRP復(fù)合結(jié)構(gòu)的圖解。
圖8是用于制作碳纖維復(fù)合結(jié)構(gòu)的方法的流程圖的圖解。
圖9是用于變形通過粘合劑結(jié)合在一起的復(fù)合結(jié)構(gòu)的方法的流程圖的圖解。
圖10是飛機(jī)生產(chǎn)和維修方法的流程圖的圖解。
圖11是飛機(jī)的結(jié)構(gòu)圖的圖解。具體實(shí)施方式

以下詳細(xì)描述在本質(zhì)上僅僅是示例性的，且不意欲限制所描述的實(shí)施例或應(yīng)用以及所描述的實(shí)施例的用途。如本文所用，詞語“示例性”或“例證性/說明性”意味著“用作示例、實(shí)例或例證”。本文描述為“示例性”或“例證性/說明性”的實(shí)施方式不必解讀為比其他實(shí)施方式更優(yōu)選或更有利。下面描述的所有實(shí)施方式是被提供以使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)嵺`本公開的示例性實(shí)施方式，且不意欲限制所附權(quán)利要求的范圍。此外，沒有通過前述的技術(shù)領(lǐng)域、背景技術(shù)、發(fā)明內(nèi)容或具體實(shí)施方式

中呈現(xiàn)的任何明示的或暗示的理論進(jìn)行限制的意圖。
具有形狀記憶合金(SMA)致動(dòng)器的變形飛機(jī)結(jié)構(gòu)是被開發(fā)出用于減少來自商業(yè)飛機(jī)的城市噪音的一種途徑。為了達(dá)到這一目的，需要兩種手段。首先，用SMA材料整體致動(dòng)的飛機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需要最優(yōu)化途徑，從而達(dá)到成功的設(shè)計(jì)。這是SMA材料的獨(dú)特行為的結(jié)果，當(dāng)被安裝以激活其形變屬性時(shí)，該材料需要承載著負(fù)荷的致動(dòng)器。第二，需要將SMA致動(dòng)器整合到飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的有效方式。完整地在結(jié)構(gòu)內(nèi)放置薄片或鎳鈦諾箔片并且控制其分界面是達(dá)到該目的的一種方式。
當(dāng)在特定溫度范圍內(nèi)經(jīng)歷從馬氏體狀態(tài)到奧氏體狀態(tài)的轉(zhuǎn)變時(shí)，形狀記憶合金 (SMA)能夠可預(yù)測(cè)地改變形狀。當(dāng)連接到復(fù)合結(jié)構(gòu)上時(shí)，結(jié)構(gòu)自身可以變形成適于特定目的的形狀。SMA致動(dòng)器可以形成厚的棒狀或桿狀材料，其可機(jī)械地連接到或結(jié)合到復(fù)合結(jié)構(gòu)上?？商鎿Q地，SMA致動(dòng)器可以形成為薄片或箔片。當(dāng)形成為薄片時(shí)，通過將材料選擇性地放置在復(fù)合物的板層接合處(layup)，合金可以被包括在復(fù)合結(jié)構(gòu)中。這使得能夠?qū)崿F(xiàn)有效的變形能力設(shè)計(jì)，特別是在期望形變能力的情況下?？梢詫MA箔片的多個(gè)板層放置在期望復(fù)合零件的更大變形的位置中。這些SMA纖維-金屬層壓件(FML)的制造需要將SMA 表面粘連到復(fù)合層壓件樹脂上。溶膠凝膠表面制備方法已經(jīng)顯示出對(duì)于制備用于粘附結(jié)合的SMA表面是有效的。最初為TiGr FML設(shè)計(jì)的薄層韌化的環(huán)氧樹脂粘合劑可以被用于提供堅(jiān)固的層間結(jié)合。需要謹(jǐn)慎地設(shè)計(jì)接合處以在變形過程中在各層之間有效地轉(zhuǎn)移負(fù)荷，6使得致動(dòng)被有效地激活并且將在形變過程中不破壞結(jié)構(gòu)。
包括SMA表面處理和接頭裝配的測(cè)試樣品的制備被公開如下將多條60-鎳鈦諾 (60%重量百分比的鎳或任何其他適當(dāng)?shù)慕饘僖约扳?水注切割成10英寸(25. 4cm)乘以I. O 英寸(2. 54cm)和O. 11英寸(O. 28cm)厚的尺寸。其他鎳合金如NiTiPd,NiTiPt,NiTiCu等也可以用作SMA。在具有15英寸(38. Icm)彎曲半徑的高溫工具上夾緊SMA樣品并且在高溫熔爐中進(jìn)行熱處理，以便形成形狀記憶效果并設(shè)置轉(zhuǎn)變溫度。所得到的致動(dòng)器的弧高度被測(cè)量為O. 79英寸(2. 0cm)，相當(dāng)于15. 4英寸(39. Icm)的彎曲半徑。
依照Boeing規(guī)范“BSPS-07-001級(jí)別2”利用噴砂溶膠凝膠方法預(yù)處理SMA致動(dòng)器的表面。將致動(dòng)器浸沒在水脫脂溶液中15分鐘并且在冷水中沖洗。然后，將它們浸沒在堿性清洗溶液中15分鐘并且在冷水中沖洗。通過具有180粒度的鋁氧化物的噴砂研磨清除在形狀設(shè)定過程中形成的熱氧化層。將Boegel EPII溶液噴射施加于結(jié)合表面并且允許其干燥一小時(shí)。將BR6747-1 (來自Cytec Engineered Materials, Inc.)環(huán)氧樹脂結(jié)合底漆噴射應(yīng)用于Boegel表面之上，在環(huán)境條件下干燥，并且在250 °F (121°C )下固化60分鐘。
在形狀設(shè)定之后，SMA致動(dòng)器仍然處于其彎曲的奧氏體形狀中，并且在應(yīng)用粘合劑之前需要手動(dòng)整平。在此過程中，將致動(dòng)器包裹在粗棉布(cheesecloth)中以避免損傷和污染涂上底漆的表面。將包裝好的致動(dòng)器向外延伸到工作臺(tái)頂端夾鉗中并且以I英寸 (2. 54cm)的增量抵抗曲率向后彎曲，直到筆直。
所用的單向SMA致動(dòng)器僅能夠主動(dòng)轉(zhuǎn)變到其更高溫度的奧氏體設(shè)定形狀，因此它們需要預(yù)加負(fù)荷以使其恢復(fù)到初始馬氏體形狀。由于60-鎳鈦諾的馬氏體相(抗拉強(qiáng)度 4Msi)和奧氏體相(抗拉強(qiáng)度8-10Msi)之間的強(qiáng)度模量的較大差異，可以通過板層數(shù)和奧氏體相的撓曲方向來調(diào)整CFRP面板的硬度，并且保持馬氏體相的剛性。復(fù)合面板是由環(huán)氧樹脂預(yù)浸料以單向膠帶和交織的織物形式制成的。以表格I中的堆積規(guī)律疊放九個(gè)預(yù)浸料板層。在350 °F下用高壓鍋固化面板。通過水注將各個(gè)面板切割成4英寸(10. 2cm)乘以 12英寸(30. 5cm)的尺寸，其具有平行于12英寸尺度的0°條板取向。利用180粒度的鋁氧化物噴砂研磨比圖6中面板的工具側(cè)上的結(jié)合區(qū)稍微大的區(qū)域，以便制備用于結(jié)合的表面。
圖I. CFRP面板的堆積規(guī)律
極層敷材料取_I織物0/902-8膠帶O9織物0/90織物BMS8-276類型40,級(jí)別2，型號(hào)6K-70-PW，形式I膠帶BMS8-276類型35,級(jí)別10 等級(jí)190,形式3
韌化的環(huán)氧樹脂粘合劑(來自Henkel的Hysol EA96960ST等級(jí)10)被用于將SMA 致動(dòng)器連接到CFRP面板上。將I英寸(2. 54cm)乘以I英寸的粘合劑條帶放置在涂上底漆的致動(dòng)器的中心處并如圖6所示進(jìn)行裝配。將O. 010英寸(O. 254mm)厚的墊片靠近粘合劑區(qū)域放置在SMA和CFRP之間，從而在固化期間控制結(jié)合層厚度。將SMA/CFRP組裝件放置在加熱的壓力機(jī)中，并且允許在45psi的壓力下在250 °F (121° C)下固化90分鐘。必須使用加熱的壓力機(jī)以便限制SMA在高溫固化期間免于致動(dòng)并且在結(jié)合層上維持恒定的壓力。 用在這些混合結(jié)構(gòu)中的粘合劑的選擇依賴于最終的應(yīng)用。通常，優(yōu)選使用高度韌化的環(huán)氧樹脂粘合劑以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)中要求的高水平的強(qiáng)度和耐用性，以及提供承受剝離力和隨著每個(gè)致動(dòng)循環(huán)發(fā)生的周期負(fù)荷所必需的韌性。
為了確定致動(dòng)期間的接頭耐用性和整體裝配形狀，在通過溶膠凝膠方法制備的且粘附地結(jié)合到CFRP面板上的SMA桿狀致動(dòng)器上進(jìn)行長(zhǎng)期的熱循環(huán)測(cè)試。這些測(cè)試被設(shè)計(jì)成利用CFRP面板上附帶的反射激光偏轉(zhuǎn)傳感器跟蹤由熱致的鎳鈦諾馬氏體到奧氏體相變產(chǎn)生的CFRP彎曲量。圖5A和5B中示出測(cè)試設(shè)備的圖解。進(jìn)行測(cè)試以觀察粘合劑類型和接頭幾何形狀對(duì)最終的致動(dòng)形狀的影響。在熱致的從馬氏體到奧氏體的鎳鈦諾相變期間， 激光傳感器502測(cè)量偏轉(zhuǎn)量。在圖6中示出簡(jiǎn)單的粘合劑接頭配置的圖解。
圖6是顯示CFRP面板610、SMA致動(dòng)器620、一連串電熱絲式加熱器630和熱電偶線640的簡(jiǎn)單的粘合劑接頭配置的圖解。在取自圖6的圖6A的放大圖中顯示環(huán)氧樹脂粘合劑層650。用膠帶把電熱絲式加熱器630粘到SMA致動(dòng)器620的表面上，以致使鎳鈦諾致動(dòng)中的相變。圖6圖示說明SMA致動(dòng)器620的簡(jiǎn)單的I英寸乘以I英寸的接頭配置，其被粘附地結(jié)合到CFRP面板610上以用于致動(dòng)研究。
最初參考圖2，其中顯示SMA/FRPP復(fù)合結(jié)構(gòu)200的透視圖。利用鎳-鈦箔片202， 其具有在大約O. 02英寸與大約O. 25英寸之間的額定厚度。將鎳鈦箔片(或任何其他適當(dāng)?shù)腟MA箔片)202并入纖維加強(qiáng)的板層212 (含有加強(qiáng)的纖維220)的板層中，形成復(fù)合層壓件結(jié)構(gòu)200。頂表面204和底表面206是由金屬箔片202形成的。
本發(fā)明中使用的詞語“大約”定義了給定的數(shù)值范圍的上下+/-5%的數(shù)值范圍。例如，大約O. 25英寸的厚度將意味著在O. 2375英寸與O. 2625英寸之間的厚度范圍。
在金屬箔片層202和纖維330加強(qiáng)的聚合層212之間構(gòu)造界面232，以提供從鎳-鈦金屬表面過渡到聚合基質(zhì)320的梯度層。這在圖3的放大橫截面圖中顯示。
圖3還顯示了用作粘連促進(jìn)層或粘合劑結(jié)合底漆層的溶膠凝膠材料222界面。碳纖維330或其他纖維被顯示為處于橫向或與頁面垂直的方向，類似于圖2中頂層和底層中的層212中顯示的那些。
圖4A和4B分別示出處于轉(zhuǎn)變前狀態(tài)和轉(zhuǎn)變后狀態(tài)的SMA/CFRP復(fù)合面板400的橫截面圖。在轉(zhuǎn)變前狀態(tài)中，SMA以馬氏體相存在，而在轉(zhuǎn)變后狀態(tài)中，SMA以奧氏體相存在。CFRP和SMA箔片420的板層410的選擇性放置可以產(chǎn)生特定的變形性能。
在圖4B中顯示的混合SMA/CFRP層壓件400的橫截面圖表明，可以通過在CFRP板層410內(nèi)選擇性放置SMA箔片420來調(diào)整處于SMA奧氏體相的結(jié)構(gòu)的最終形狀。
因此，本公開提供混合層壓件SMA/FML (纖維金屬層壓件)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，從而產(chǎn)生特定的變形性能。本公開也提供SMA的處理，以在表面上產(chǎn)生梯度層并使其可結(jié)合到通常使用的環(huán)氧樹脂預(yù)浸料系統(tǒng)上。本公開進(jìn)一步開發(fā)和選擇粘合劑，其能夠提供從鎳鈦諾箔片致動(dòng)器到CFRP零件的適當(dāng)過渡，從而可在沒有結(jié)構(gòu)退化的情況下發(fā)生致動(dòng)。
本發(fā)明能夠通過粘附手段實(shí)現(xiàn)SMA與CFRP的結(jié)合，這使得能夠得到更多的空氣動(dòng)力學(xué)表面，更輕的重量結(jié)構(gòu)并且進(jìn)一步產(chǎn)生更有效的混合致動(dòng)器。SMA/FML結(jié)構(gòu)(或SM/CFRP結(jié)構(gòu))的建議應(yīng)用包括商業(yè)飛機(jī)自適應(yīng)后緣設(shè)備，如可展開的分叉后緣。圖7A-7D顯示了一種圖解。這些圖示出飛機(jī)機(jī)翼橫截面700，其中通過利用粘合劑層720將SMA的致動(dòng)器710連接到CFRP表面715上。
圖7A和圖7B示出在相變之前處于裝載狀態(tài)中的機(jī)翼700。例如，圖7A示出具有粘附地結(jié)合到復(fù)合蒙皮730上的SMA致動(dòng)器710的裝載的分叉后緣705?？梢酝ㄟ^圖7A中顯示的這種設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)減輕的重量和改進(jìn)的設(shè)計(jì)空間。圖7B示出具有交叉層壓于CFRP 730 中的多個(gè)O. 006英寸厚的SMA箔片層725的裝載的分叉后緣705。
圖7C示出展開的分叉后緣，其中SMA致動(dòng)器710被致動(dòng)以產(chǎn)生展開的分叉后緣 755，其中SMA致動(dòng)器710被粘附地結(jié)合到CFRP 730上。圖7D示出類似于圖7C的視圖，其顯示具有層壓SMA/CFRP致動(dòng)器的展開的分叉后緣755。
現(xiàn)在參考圖8，其中顯示用于制作碳纖維復(fù)合結(jié)構(gòu)的本發(fā)明方法的流程圖。方法 800開始于第一步驟801，即提供第一多個(gè)碳纖維預(yù)浸料板層，之后是步驟802，即提供第二多個(gè)形狀記憶合金片；之后是步驟803，即用膠粘結(jié)合底漆層涂覆第二多個(gè)形狀記憶合金片之一的頂表面和底表面中的至少一個(gè)；之后是步驟804，即在被涂覆的形狀記憶合金片上涂覆環(huán)氧樹脂粘合劑層；之后是步驟805，即將被涂覆的形狀記憶合金片與碳纖維預(yù)浸料層交錯(cuò)，形成層壓件；最后是步驟806，即在加熱和壓力下固化層壓件，形成碳纖維復(fù)合結(jié)構(gòu)。
本公開進(jìn)一步公開一種變形復(fù)合結(jié)構(gòu)的方法，其以流程圖的形式在圖9中顯示。 變形復(fù)合結(jié)構(gòu)的方法900可以開始于第一步驟901，即提供第一多個(gè)碳纖維預(yù)浸料板層；之后是步驟902，即提供第二多個(gè)形狀記憶合金片，每個(gè)形狀記憶合金片在頂表面和底表面上用環(huán)氧樹脂粘合劑涂覆；之后是步驟903，即將第二多個(gè)形狀記憶合金片與第一多個(gè)碳纖維預(yù)浸料板層交錯(cuò)，形成復(fù)合結(jié)構(gòu)；最后是步驟904，即通過加熱到預(yù)定溫度來變形復(fù)合結(jié)構(gòu)，在該預(yù)定溫度下形狀記憶合金從第一晶態(tài)轉(zhuǎn)變到第二晶態(tài)。
接下來參考圖10和圖11，可在如圖10所示的飛機(jī)制造和維修方法1000以及如圖 11所示的飛機(jī)1100的背景中使用本發(fā)明的實(shí)施例。在預(yù)生產(chǎn)期間，示例性方法1000可以包括飛機(jī)1100的規(guī)格和設(shè)計(jì)1010以及材料采購1020。在生產(chǎn)期間，進(jìn)行部件和子組件制造1030以及飛機(jī)1100的系統(tǒng)整合1040。其后，為了投入服役1060，飛機(jī)1100可經(jīng)歷認(rèn)證和交付1050。在客戶使用期間，飛機(jī)1100可以定期進(jìn)行例行維護(hù)和維修1070 (其也可以包括修正、重新配置、翻新等)。
可以通過系統(tǒng)整合者、第三方和/或操作者(例如客戶)執(zhí)行或完成方法1000的每一個(gè)過程。為了本說明書的目的，系統(tǒng)整合者可以包括但不限于任何數(shù)量的飛機(jī)制造商和主系統(tǒng)分包商；第三方可以包括但不限于任何數(shù)量的賣主、分包商和供應(yīng)者；而操作者可以是航空公司、租賃公司、軍事實(shí)體、維修機(jī)構(gòu)等。
如圖11所示，由示例性方法1000生產(chǎn)的飛機(jī)1100可以包括機(jī)身1120以及多個(gè)系統(tǒng)1110和內(nèi)部1130。高級(jí)系統(tǒng)1110的示例包括推進(jìn)系統(tǒng)1140、電氣系統(tǒng)1150、液壓系統(tǒng)1160和環(huán)境系統(tǒng)1170中的一個(gè)或更多個(gè)?？梢园ㄈ魏螖?shù)量的其他系統(tǒng)。雖然顯示了航空示例，但本發(fā)明的原理可以應(yīng)用于其他工業(yè)，如汽車工業(yè)。
在生產(chǎn)和維修方法1000的任何一個(gè)或更多個(gè)階段中可以利用本文包含的裝置。 例如，可以以類似于在飛機(jī)1100服役期間生產(chǎn)的部件或子組件的方式加工或制造對(duì)應(yīng)于生產(chǎn)工藝1030的部件或子組件。例如，也可以通過例如充分加速飛機(jī)1100的裝配或減少飛機(jī)1100的費(fèi)用而在生產(chǎn)階段1030和1040期間利用一個(gè)或更多個(gè)裝置實(shí)施例。類似地， 可以在飛機(jī)1100服役期間利用一個(gè)或更多個(gè)裝置實(shí)施例，例如但不限制地用于維護(hù)和維修 1070。
盡管已經(jīng)針對(duì)某些示例性實(shí)施例描述了本發(fā)明的實(shí)施例，但應(yīng)該理解，具體的實(shí)施例是為了說明的目的，而不是限制的目的，因?yàn)楸绢I(lǐng)域技術(shù)人員將想到其他變體。
權(quán)利要求
1.一種復(fù)合結(jié)構(gòu)，其包括 至少一個(gè)纖維加強(qiáng)的聚合層(212);和 密切地接合所述至少一個(gè)纖維加強(qiáng)的聚合層(212)的至少一個(gè)形狀記憶合金片。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的復(fù)合結(jié)構(gòu)，其中所述至少一個(gè)形狀記憶合金片包括厚度在大約O. 002英寸和大約O. 25英寸之間的層。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的復(fù)合結(jié)構(gòu)，其中所述至少一個(gè)形狀記憶合金片在所述層的頂表面和底表面中至少一個(gè)上具有至少一個(gè)粘合促進(jìn)劑層(222 )和粘合劑層(650 )。
4.一種復(fù)合結(jié)構(gòu)，其包括 至少兩個(gè)形狀記憶合金層；和 在所述至少兩個(gè)形狀記憶合金層之間的至少一個(gè)纖維加強(qiáng)的聚合層(212)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的復(fù)合結(jié)構(gòu)，其中所述至少兩個(gè)形狀記憶合金層中每一個(gè)的厚度在大約O. 002英寸和大約O. 25英寸之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的復(fù)合結(jié)構(gòu)，其中所述至少兩個(gè)形狀記憶合金層中每一個(gè)在其頂表面和底表面之一上具有至少一個(gè)粘合促進(jìn)劑層(222 )和粘合劑層(650 )。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的復(fù)合結(jié)構(gòu)，其中通過選自由碳纖維和玻璃纖維構(gòu)成的組中的至少一種纖維加強(qiáng)所述至少一個(gè)纖維加強(qiáng)的聚合層(212)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的復(fù)合結(jié)構(gòu)，其中所述粘合劑層(650)是環(huán)氧樹脂粘合劑層。
9.一種用于制作形狀記憶合金/纖維加強(qiáng)的聚合復(fù)合結(jié)構(gòu)的方法，其包括以下步驟 提供第一多個(gè)纖維加強(qiáng)的聚合板層； 提供第二多個(gè)形狀記憶合金層； 利用膠粘底漆層涂覆所述第二多個(gè)形狀記憶合金層之一的頂表面和底表面中的至少一個(gè)； 在涂覆形狀記憶合金層的所述膠粘底漆上涂覆粘合劑層； 將所述涂覆的形狀記憶合金層與所述第一多個(gè)纖維加強(qiáng)的聚合板層中的至少兩個(gè)交錯(cuò)，形成層壓件；以及 固化所述層壓件并形成所述形狀記憶合金纖維加強(qiáng)的聚合復(fù)合結(jié)構(gòu)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的用于制作形狀記憶合金/纖維加強(qiáng)的聚合復(fù)合結(jié)構(gòu)的方法，其中所述第二多個(gè)形狀記憶合金層中的每一個(gè)的厚度在大約O. 002英寸和大約O. 25英寸之間。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的用于制作形狀記憶合金/纖維加強(qiáng)的聚合復(fù)合結(jié)構(gòu)的方法，其進(jìn)一步包括在大約200 °F和大約500 間的溫度下和在至少40PSI的壓力下固化所述層壓件的步驟。
12.一種變形復(fù)合結(jié)構(gòu)的方法，其包括以下步驟 提供第一多個(gè)纖維加強(qiáng)的聚合預(yù)浸料板層(212)； 提供第二多個(gè)形狀記憶合金層，每個(gè)所述形狀記憶合金層在頂表面和底表面中的至少一個(gè)上涂覆有粘合劑；以及 通過加熱到預(yù)定溫度來變形所述復(fù)合結(jié)構(gòu)，其中所述形狀記憶合金在所述預(yù)定溫度下從第一晶態(tài)轉(zhuǎn)變到第二晶態(tài)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的變形復(fù)合結(jié)構(gòu)的方法，其進(jìn)一步包括以鎳-鈦合金形式提供所述多個(gè)形狀記憶合金層的步驟。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的變形復(fù)合結(jié)構(gòu)的方法，其進(jìn)一步包括在所述變形步驟期間將所述復(fù)合結(jié)構(gòu)加熱到至少110 ° 的溫度的步驟。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的變形復(fù)合結(jié)構(gòu)的方法，其進(jìn)一步包括在所述變形步驟期間將所述復(fù)合結(jié)構(gòu)加熱到大約110 °F與大約320 °F之間的溫度的步驟。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種碳纖維復(fù)合結(jié)構(gòu)，其包括第一多個(gè)碳纖維預(yù)浸料板層；以及與第一多個(gè)碳纖維預(yù)浸料板層交錯(cuò)的第二多個(gè)形狀記憶合金片。
文檔編號(hào)B32B15/08GK102933387SQ201180027365
公開日2013年2月13日 申請(qǐng)日期2011年5月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月4日
發(fā)明者K·Y·布羅豪維克, T·J·齊默曼, J·H·瑪伯, F·T·凱爾金茲, M·A·迪里根 申請(qǐng)人:波音公司