的元件具有相同的標號。
【具體實施方式】
[0029]以下具體內(nèi)容描述了用于加固并且成型/形成預(yù)成型件的方法和裝置，該預(yù)成型件包括熱塑性材料和形狀記憶合金材料并且包裹在可溶性可擴展的心軸周圍。這些材料可以采用許多不同的形式。以下公開的方法適用于制備適應(yīng)性復(fù)合結(jié)構(gòu)體，諸如飛機的適應(yīng)性空氣動力學(xué)表面。
[0030]圖1是示出了根據(jù)一個實施方式的用于集成熱塑性(TP)材料和形狀記憶合金(SMA)材料以形成結(jié)合在飛機或其他系統(tǒng)中的適應(yīng)性復(fù)合結(jié)構(gòu)體的處理步驟的流程圖。該方法包括:利用熱塑性(TP)材料的纖維束(例如，包括通過TP纖維增強的TP樹脂的纖維束)和形狀記憶合金(SMA)材料的帶或?qū)Ь€外層編織可熱擴展的心軸(步驟12)，以形成預(yù)成型件；將心軸和外層編織的預(yù)成型件放置在一對智能基座之間(步驟14)，所述智能基座設(shè)置在感應(yīng)加熱工作單元的第一加工片(tooling die)和第二加工片之間；通過使感應(yīng)加熱工作單元的一個或多個感應(yīng)線圈通電以產(chǎn)生交變磁場而加固預(yù)成型件(步驟16)，所述交變磁場引起第一基座和第二基座產(chǎn)生熱量，該熱量由此熔化熱塑性材料、軟化形狀記憶合金、并且擴展心軸，從而將壓力施加在預(yù)成型件上；在熱塑性材料已經(jīng)被加固至期望的程度并且形成復(fù)合結(jié)構(gòu)體之后，使感應(yīng)加熱工作單元的感應(yīng)線圈斷電；從感應(yīng)加熱工作單元去除心軸和復(fù)合結(jié)構(gòu)體(步驟18);從復(fù)合結(jié)構(gòu)體分離心軸(步驟20);對形狀記憶合金進行訓(xùn)練(train)，使得其能夠響應(yīng)于加熱促使復(fù)合結(jié)構(gòu)體的形狀變化(步驟22);以及將所訓(xùn)練的復(fù)合結(jié)構(gòu)體作為部件集成在更大的系統(tǒng)中(步驟24)。優(yōu)選地，心軸由可溶性材料制成，并且從復(fù)合結(jié)構(gòu)體分離心軸包括使心軸的可溶性材料溶解。
[0031]根據(jù)在圖1中描述的方法，能夠圍繞可擴展的心軸設(shè)置一層或多層的外層編織的(交織的)TP和SMA材料。這通常利用編織裝置進行，所述編織裝置包括TP纖維束和SMA材料從其展開的多個線軸，如以下將參考圖2和圖3更詳細地描述的。根據(jù)可替換實施方式，在織布機上編織的一層或多層TP和SMA材料層可以被置于可擴展的心軸周圍。
[0032]根據(jù)另一可替換實施方式，一層或多層TP材料和一層或多層SMA材料(每一層都被編織或是連續(xù)的)能夠以TP材料制成的相對外層包圍SMA材料制成的相對內(nèi)層的方式分開地包裹在可擴展的心軸周圍。例如，包圍可擴展的心軸的預(yù)成型件可以包括夾置在TP材料的兩個編織或連續(xù)層之間的SMA材料的編織或連續(xù)層。
[0033]根據(jù)其他實施方式，可以將一個或多個外層編織或編織的TP/SMA層和編織或連續(xù)的TP材料的一個或多個單獨層的任意組合結(jié)合以圍繞可擴展的心軸的外表面形成預(yù)成型件。
[0034]無論用于形成預(yù)成型件的TP材料和SMA材料的具體組合和配置如何，預(yù)成型件的TP材料在感應(yīng)加熱加工組件中被加固并形成以制造復(fù)合結(jié)構(gòu)體。適用于空氣動力學(xué)的一種TP材料包聚醚酮酮(PEKK)樹脂和聚酯纖維。對于飛行控制應(yīng)用，優(yōu)選地，SMA材料不暴露在適應(yīng)性復(fù)合結(jié)構(gòu)體的外表面上，而是在加固和形成期間由TP材料覆蓋或嵌入在TP材料中。
[0035]在復(fù)合結(jié)構(gòu)體已經(jīng)形成并且從感應(yīng)加熱加工組件被去除之后，復(fù)合結(jié)構(gòu)體中的SMA材料可以被訓(xùn)練為使復(fù)合結(jié)構(gòu)體在SMA材料以特定的溫度范圍被加熱或冷卻時能夠改變其形狀。在這樣的加熱或冷卻期間，SMA材料可以被訓(xùn)練為產(chǎn)生期望的記憶效果。更具體地，復(fù)合結(jié)構(gòu)體中的SMA材料可以被訓(xùn)練為在加熱期間彎曲(變形)(可選地，至不同程度)并且然后在冷卻期間返回至未變形狀態(tài)。應(yīng)當理解，必須根據(jù)期望的復(fù)合結(jié)構(gòu)體的約束運動來訓(xùn)練SMA材料。基于不同的“訓(xùn)練者”(用于訓(xùn)練形狀記憶合金以維持其記憶形狀的機械機構(gòu))的設(shè)計能夠?qū)MA材料訓(xùn)練用于不同的運動程度。
[0036]兩種主要類型的形狀記憶合金是銅鋁鎳合金和鎳鈦(鎳鈦諾)合金，但是形狀記憶合金也可將鋅、銅、金以及鐵進行合金而制成。在各種實施方式中，雖然也能夠使用銅、鋅、鋁、鎳、鈦、鈀和/或其他材料的各種其他形狀記憶合金，但是SMA材料也可以是鎳鈦諾。形狀記憶合金的轉(zhuǎn)變溫度對合金組合物是高度敏感的，并且可以通過輕微改變成分比率來進行選擇。SMA材料的選擇可基于諸如操作溫度范圍、期望的轉(zhuǎn)變溫度、期望的轉(zhuǎn)變時間或者其組合等各種設(shè)計因素來進行。
[0037]形狀記憶合金表現(xiàn)出在構(gòu)造熱致動設(shè)備中是有用的熱機械性能。通常，形狀記憶合金是在轉(zhuǎn)變溫度的相對側(cè)具有明顯不同的相的金屬合金。形狀記憶合金在其處于轉(zhuǎn)變溫度以下時達到第一物理狀態(tài)，并且在其處于轉(zhuǎn)變溫度以上時達到第二物理狀態(tài)。一些SMA材料可被訓(xùn)練成具有用于冷卻器第一狀態(tài)的第一形狀和用于取暖器第二狀態(tài)的第二形狀。雙向訓(xùn)練形狀記憶合金在被加熱至轉(zhuǎn)變溫度以上時可被強制地呈現(xiàn)為第二形狀，并且然后，如果沒有其他限制，在被冷卻至轉(zhuǎn)變溫度以下時逐漸返回至第一形狀。
[0038]圖2是描述了根據(jù)在圖1中描述的實施方式的編織裝置102的一些部件的頂視圖，該編織裝置102用于圍繞心軸98外層編織TP纖維束材料106和SMA材料的帶或?qū)Ь€108。在該描述中，在心軸98的外表面100上外層編織TP纖維束材料106和SMA材料的帶或?qū)Ь€108的過程中示出了心軸98。優(yōu)選地，TP纖維束材料106處于由連續(xù)的微縫帶熱塑性材料組成的形式。在圖2中描述的實施例中，心軸98具有圓形截面的實心桿的形式。然而，應(yīng)當理解的是，僅為示出的目的示出了這個圓形形狀，并且心軸98的截面形狀將取決于形成在心軸上的復(fù)合結(jié)構(gòu)體的期望的截面形狀。例如，心軸98可以是翼形主體。
[0039]如在圖2的左手側(cè)所見，通過編織裝置102交織TP纖維束材料106和SMA材料的帶或?qū)Ь€108以在心軸98的外表面100上形成外層編織的材料的預(yù)成型件96。優(yōu)選地，在環(huán)境溫度下實施心軸98的外層編織。本領(lǐng)域中已知的編織裝置或編織機器可以用于外層編織心軸。優(yōu)選地，已知的編織裝置或編織機器能夠適應(yīng)纖維束厚度、規(guī)格、沿著長度的偏置角度、截面形狀、沿著長度的截面角路徑和纖維束的數(shù)量的變化。在美國專利第5，337，647號中公開了合適的三維編織裝置，通過引用將其全部內(nèi)容結(jié)合于此。在外層編織處理期間，TP纖維束材料106和SMA材料的帶或?qū)Ь€108從編織裝置102的相應(yīng)線軸104展開，同時心軸98沿著編織裝置的軸逐漸增加地移動。當心軸沿此軸向方向移動時，外層編織96位于心軸98的外表面100上。優(yōu)選的外層編織方法是使可擴展的可溶性心軸穿過編織輪。在美國專利第6，769，840號的圖17中示出了典型的編織輪。
[0040]在圖2描述的實施例中，心軸98是具有軸的實心圓形桿。然而，心軸可以具有其他外形，諸如機翼形狀。在編織操作期間，心軸98沿著其自身的軸逐漸增加地移動，心軸自身的軸與編織裝置的軸平行設(shè)置。在心軸具有機翼形狀的情況下，機翼形狀的順翼展方向軸將與編織裝置的軸對齊。
[0041]圖3是示出了具有三維外層編織96的外層編織的心軸98的一個實例的放大頂視圖的示圖，該三維外層編織96可以使用在圖2中部分描述的類型的編織裝置生產(chǎn)。在這個實施例中，外層編織96包括交錯的對角TP材料的纖維束106、對角SMA材料的帶或?qū)Ь€108、以及軸向TP材料的纖維束110。雖然在圖3中描述了具有間距的纖維束，但是應(yīng)當理解的是，作為形成外層編織的預(yù)成型件的處理的一部分，交織的纖維束沿著心軸將是周期性壓緊的以基本上去除這樣的間距。
[0042]本文中公開的制備復(fù)合結(jié)構(gòu)體的方法涉及將預(yù)成型件和可熱擴展的心軸放置到感應(yīng)加熱匹配的加工組件，該感應(yīng)加熱匹配的加工組件具有一對彼此相對的智能基座工具面。預(yù)成型件和可熱擴展的心軸放置在智能基座之間。選擇合適的基座化學(xué)(susceptorchemistry)以在預(yù)成型件加熱期間在加工表面上提供期望的初始校平溫度(initialleveling temperature)。智能基座創(chuàng)建薄片金屬殼，該薄片金屬殼形成感應(yīng)加熱匹配的加工的面。響應(yīng)于通過智能基座的加熱，心軸擴展并且熱塑性材料熔化。
[0043]圖4示出了根據(jù)一些實施方式的用于執(zhí)行加固/塑型處理的計算機化系統(tǒng)的部件。該系統(tǒng)包括下部片框架(在附圖中未示出)；下部加工片(lower tooling die)38，通過下部片框架支撐并且具有第一周線片表面(在圖4中未示出，但是參見圖5A和圖5B);上部片框架(未示出)；以及上部加工片(upper tooling die) 36，通過上部片框架支撐并且具有第二周線片表面(在圖4中未示出，但是參見圖5A和圖5B)。心軸和預(yù)成型件(在圖4中未示出)將放置在下部加工片36和上部加工片38的周線片表面(contoured diesurface)之間。周線片表面可以定義復(fù)雜形狀，諸如機翼。片框架用作機械限制以將下部加工片36和上部加工片38保持在一起，并且維持片的空間準確度。片框架可以耦接至液壓致動器46，該液壓致動器46使片朝向彼此移動和使片遠離彼此移動。此外，一個或多個感應(yīng)線圈(在圖4中未示出)延伸通過上部加工片36和下部加工片38的每一個以形成感應(yīng)加熱器，該感應(yīng)加熱器用于將預(yù)成型件溫度至少提高至其加固溫度。熱控制系統(tǒng)(未示出)可連接至感應(yīng)線圈。
[0044]依然參考圖4，該裝置進一步包括由導(dǎo)熱導(dǎo)電材料制成的上部基座40和下部基座42。定位基座和感應(yīng)線圈，使得基座能夠通過電磁感應(yīng)加熱。下部基座42通常可以與下部加工片38的周線片表面一致，并且上部基座40通?？梢耘c上部加工片36的周線片表面一致。心軸和預(yù)成型件(在圖4中未示出)放置在上部基座40和下部基座42之間。
[0045]在一些情況下，優(yōu)選的是，加固預(yù)成型件的溫度不應(yīng)當超過一定溫度。為此，上部基座40和下部基座42優(yōu)選地是所謂的“智能基座”。智能基座由有效生成熱量直至達到閾值(即，居里點)溫度的一種材料或多種材料構(gòu)成。當智能