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制造具有 传感器的 复合材料部件的方法

阅读：70发布：2020-05-08

专利汇可以提供制造具有传感器的复合材料部件的方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种用于制造具有测量传感器 (20)的复合材料部件(10)的方法，该方法至少包括以下步骤：-将待获得的部件的第一固结的或未固结的预制件与一保持构件的第二预制件组装在一起，-对以这种方式组装的第一和第二预制件共致密化，以获得具有所述保持构件的复合材料部件(10)，以及- 定位至少一个传感器(20)，所述传感器用于测量在由所述保持构件限定的壳体(12)中的物理或化学参数。，下面是制造具有传感器的复合材料部件的方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种用于制造具有传感器(20、40)的复合材料部件(10、30、100)的方法，该方法至少包括以下步骤：
-将待获得的部件的第一固结的或未固结的预制件(1)与一保持构件(11、31)的第二预制件(2)组装在一起，
-对由此组装的第一和第二预制件(1、2)共致密化，以获得具有所述保持构件(11、31)的复合材料部件(10、30、100)，以及
-定位至少一个传感器(20、40)，所述传感器用于测量在一由所述保持构件(11、31)限定的壳体(12、32)中的物理或化学参数。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述保持构件(11)包括形成支腿(11-1、11-2)的两个部件，以及一在与所述部件(10)相对的侧上封闭所述壳体(12)，并连接所述支腿(11-
1，11-2)的连接部分(11-3)，其中所述支腿(11-1、11-2)连接到所述部件(10、100)，并位于所述壳体(12)的任一侧上。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述保持构件(31)包括定位在所述壳体(32)的任一侧上的两个保持元件(31-1、31-2)，所述两个保持元件(31-1、31-2)之间的间距随着与所述部件(30、100)的距离而减小。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，通过化学蒸汽渗透进行共致密化。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，通过一液体工艺进行共致密化。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，在共致密化过程中，一碳化硅基质沉积在所述第一和第二预制件的孔隙中。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中，所述传感器(20、40)是温度传感器。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其中，所述部件是喷嘴分流器(100)。

说明书全文

制造具有传感器的 复合材料部件的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种制造具有传感器的复合材料部件，特别是制造用于航空应用的具有传感器的复合材料部件的方法。

背景技术

[0002] 众所周知，复合材料部件装备有测量传感器，以确定这些部件所受到的物理或化学应力。传感器通常通过保持构件附接到该部件的一个或多个表面。然后，由传感器返回的测量值访问对由该部件在运行中所观察的实际应力，例如部件的温度、压力或变形。

[0003] 实际上，传感器的保持构件通过陶瓷胶固定到部件的表面。测量传感器然后插入到由固定件限定的壳体中。这种装备必须被保持在部件上几百小时。

[0004] 然而，当部件受到高负荷时，例如严重的振动应力，一些保持构件可能会从其所附接到的底层部件脱离。这些保持构件的脱离可导致先前容纳在这些装置中的传感器的测量值丢失。因此，建议在复合部件上增强保持构件，以限制这些装置脱离的潜在风险。

发明内容

[0005] 本发明的目的是改进测量传感器在复合材料部件表面上的保持。

[0006] 为此，本发明提供了一种用于制造具有传感器的复合材料部件的方法，所述方法包括至少以下步骤：

[0007] -将待获得的部件的第一固结或未固结预制件与保持构件的第二预制件组装在一起，

[0008] -对因此组装的第一和第二预制件共致密化，以获得具有所述保持构件的复合材料部件，以及

[0009] -定位至少一个传感器，用于测量在由所述保持构件限定的壳体中的物理或化学参数。

[0010] 当预制件承受固结阶段时，称其处于固结状态，在所述固结状态过程中，其初始孔隙已通过固结相的沉积局部地填充，处于固结状态的该预制件保留了在随后的共致密化阶段可全部或局部地填充的剩余孔隙。以下详细地描述了固结方法的多种示例。当预制件并不具有这种固结相时，称其处于未固结状态。

[0011] 第一和第二预制件的组装将在共致密化后形成包括所述保持构件的一体式复合材料结构的纤维增强材料。有利地，该部件的预制件以及该保持构件的预制件的共致密化允许将保持构件更好地粘附到底层部件。这增强了测量传感器在部件上的保持。

[0012] 在该方法的示例实施例中，所述保持构件包括形成支腿的两个部件，所述支腿连接到所述部件并定位在壳体的任一侧上，以及一个在与所述部件相对的侧面上封闭所述壳体并连接所述支腿的连接部件。

[0013] 在该方法的示例实施例中，所述保持构件包括定位在所述壳体任一侧上的两个间隔的保持元件，其中在所述两个保持元件之间的间隔随着与所述部件的距离而减小。

[0014] 在该方法的示例实施例中，通过化学蒸汽渗透实现共致密化。

[0015] 在该方法的另一示例实施例中，通过液体工艺进行共致密化。

[0016] 在该方法的示例实施例中，在共致密化过程中，在第一和第二预制件的孔隙中沉积有碳化硅基质。

[0017] 在该方法的示例实施例中，所述传感器是温度传感器。

[0018] 在该方法的示例实施例中，所述部件是喷嘴分流器。附图说明

[0019] 从参考附图，通过非限制性示例给出的本发明的特定实施例的以下描述，本发明的其他特征和优点将显而易见，其中：

[0020] -图1至4示出了根据本发明的示例方法的不同步骤，

[0021] -图5示出了一种装配有通过使用根据本发明的另一示例方法获得的传感器的复合部件，

[0022] -图6是一种具有与图5相似的保持构件的复合部件的一部分的照片，

[0023] -图7示出了一种具有根据本发明制造的保持构件和测量传感器的分流器。

具体实施方式

[0024] 图1至4显示制造由至少一个测量传感器装备的复合材料部件的不同步骤。

[0025] 图1显示待制造的复合材料部件的第一预制件1以及用于在待制造的部件上保持至少一个测量传感器的保持构件的第二预制件2。

[0026] 第一预制件1和第二预制件2为纤维预制件，其中每个都通过在多层经纱和多层纬纱之间的多层编织制成。

[0027] 所制造的多层织物可具体为互锁织物，即一种每层纬纱将几层经纱与在织物平面上具有相同移动的相同纬纱列的所有纱线结合在一起的织物。或者，每层经纱将几层纬纱与在织物平面上具有相同移动的相同经纱列的所有纱线结合在一起，并且经纱与纬纱之间的作用可以互换。

[0028] 可以使用其他类型的多层编织。WO 2006/136755中清楚地描述了可使用的不同类型的多层编织。

[0029] 在一个示例性实施例中，第一和第二纤维预制件1、2可由碳纱线形成。或者，第一和第二纤维预制件1、2可由陶瓷纱线，例如碳化硅纱线形成。

[0030] 因此，在一个示例实施例中，所使用的纱线可以是由日本Nippon Carbon公司以“Nicalon”、“Hi-Nicalon”或“Hi-Nicalon-S”为名称，或者由UBE公司以“Tyranno SA3”为名称而提供的纱线，并且所述纱线具有例如0.5K(500根丝)的纤度(丝数)。

[0031] 在图1至4所示的示例中，制造第二预制件2，使得其具有拱形或触发器保护件轮廓。具体来说，保持构件的预制件2包括形成支腿的两个部件2-1、2-2以及在部件2-1、2-2之间延伸的连接部件2-3。部件2-1、2-2、2-3界定一空腔2-4。空腔2-4形成一旦在将保持构件附接到复合部件上后就接收至少一个测量传感器的壳体。

[0032] 在编织后，可选择性地，但不是必须地，通过在第一预制件1的孔隙中沉积固结相来固结第一纤维预制件1，所述固结相可以本身已知的方式在气体或液体工艺中沉积。

[0033] 液体工艺包括用包含固结相的材料的前体的液体组分浸渍该预制件。该前体通常为聚合物的形式，例如树脂，可选择性地在一溶剂中稀释。该预制件被放置在可密封的模具中。然后封闭该模具，并将固结相的液体前体(例如树脂)喷射到该模具中以浸渍该预制件。

[0034] 在移除任何溶剂以及聚合物的交联后，通过热处理，通常通过加热该模具，进行该前体在固结相的转变。

[0035] 对于在陶瓷材料中形成固结相的情况，热处理包括热解该前体，以在陶瓷材料中形成固结相的步骤。例如，液体陶瓷前体，特别是SiC，可以是聚碳硅烷(PCS)或聚钛碳硅烷(PTCS)或聚硅氮烷(PSZ)树脂。可以进行从浸渍到热处理的几个连续循环，以实现所需的固结。

[0036] 在气相工艺(固结相的化学气相渗透(CVI))中，纤维预制件被放置在一炉中，在该炉中有反应性的气相。选择炉内占主导的压力和温度以及气相的组分，以使气相可在该预制件的孔隙中扩散，从而在此通过在与纤维接触的材料的芯部处沉积以形成该固结相，通过气相组分的分解或通过几种组分之间的反应来产生一固体材料。

[0037] 可用通过分解甲基三氯氢硅(MTS)产生碳化硅的MTS形成碳化硅固结相。

[0038] 此外，在与第一预制件1组装之前，可以或可不固结第二预制件2。

[0039] 然后，预制件1、2通过叠置连接在一起，使得在共致密化后它们形成单件复合结构的纤维增强材料。在图2所示的示例中，使用粘合层3将形成第二预制件2的支腿的部件2-1、2-2与第一预制件1的表面1-1连接在一起。该粘合层3例如是石墨基陶瓷胶，例如由AREMCO以名称“Graphi-BondTM551-R”供应的胶。

[0040] 一旦组装在一起，预制件1、2经历共致密化步骤。在共致密化后获得一种结构，其中对第一和第二预制件致密化，并且通过共致密化将形成支腿的部件2-1和2-2连接到底层部件。

[0041] 可通过液体工艺实现第一和第二预制件1、2的共致密化。

[0042] 在第一示例中，通过熔融渗透实现液体共致密化。在第一和第二被组装的预制件1、2的孔隙中首先引入填料，例如反应性填料，所述填料例如选自SiC、Si3N4、C、B及它们的混合物。例如，可以通过浆料浇铸、通过吸入亚微米粉末(APS)或通过树脂传递模塑(RTM)类型的喷射工艺来引入填料，在所述喷射工艺中在喷射后进行热处理从而蒸发液体介质。

[0043] 一旦引入了填料，则用一包括例如硅的熔体渗透组分渗透第一和第二预制件1、2，从而形成使第一和第二预制件1和2共致密的基质。如图3所示，这导致具有至少一个保持构件11的复合部件10形成一体式结构。渗透组分可包括熔融硅，或可选择以熔融硅合金和一个或多个其他组分的形式。硅合金中存在的组分可选自B、Al、Mo、Ti及它们的混合物。

[0044] 当使用反应性填料时，可在渗透组分与反应性填料之间的反应过程中消耗掉基本上所有的反应性填料。替代地，在该反应过程中仅消耗部分反应电荷。

[0045] 在一示例性实施例中，所进行的熔融渗透通过固体填料(例如通过浆料或预浸料引入的C、SiC或Si3N4型的填料)与熔融的硅基合金之间的反应可获得一基质。该反应可发生在1420℃或更高的温度下。鉴于所涉及的高温，第一和第二预制件的至少一部分可有利地由热稳定纤维，例如由Hi-Nicalon或Hi-Nicalon-S型的热稳定纤维制成。

[0046] 通过共致密化形成的基质可以由陶瓷材料或碳制成。

[0047] 在第二示例中，通过喷射树脂，然后以与如上用于固化的方式类似的方式聚合树脂来进行液体共致密化。该聚合步骤可以，但不是必须在热解步骤之前。

[0048] 或者，可以通过化学蒸汽渗透进行第一和第二预制件1、2的共致密化，以获得具有保持构件11的复合部件10。以与如上用于固结的方式类似的方式实施该类型的工艺。

[0049] 在共致密化之前，第一和第二预制件的纱线可被涂覆有例如PyC、BN或掺硅的BN这样的相间层，并且可选择性地被涂覆有例如SiC或Si3N4这样的碳化物层。

[0050] 无论选择哪种共致密化工艺，结果都是复合材料的一体式结构，其轮廓与预制件1、2的组装轮廓相对应。由此获得的结构包括具有至少一个保持构件11的部件10。在图3所示的示例中，保持构件11由通过共致密化连接到结构10的其余部分的两个间隔的支腿11-
1、11-2形成，其中虚线表示支腿11-1、11-2与该结构10的其余部分之间的接合。支腿11-1、
11-2以及在支腿11-1、11-2之间延伸的部件10的区域10-1限定了壳体12。通过将支腿11-1、
11-2彼此连接的接合部件11-3，在与部件10相对的侧面上封闭壳体12。然后将至少一个测量传感器定位在壳体12中，以测量部件10的物理或化学参数。例如，在图4中，两个传感器20插入壳体12中，可以考虑更多或更少数目的传感器。另外，粘合剂(例如陶瓷胶)可选择性地，但不是必须地，沉积在壳体12的剩余空间中，从而限制已经插入壳体12中的传感器20的任何移动。

[0051] 图5显示一连接到复合材料部件30的保持构件31的变型实施例。通过与保持构件11类似的工艺制成保持构件31，但与保持构件11不同的是，保持构件31由两个基本的预制件制成。例如，保持构件31的这两个基本预制件具有斜面形状，并且被装配在与待制造的复合材料部件30的预制件相对应的第一预制件的表面上。如前所述，然后对所有这些预制件进行共致密化步骤，以获得一种由具有至少一个保持构件31的复合材料部件30形成的单件结构。

[0052] 在图5所示的示例中，所产生的保持构件31由彼此间隔并通过共致密化粘合到部件30上的两个保持元件31-1、31-2形成。这里的虚线表示在保持元件31-1、31-2与部件30的其余部分之间的接合。保持元件31-1、31-2与在这些元件之间延伸的部件30的表面30-1限定了壳体32。

[0053] 然后将至少一个测量传感器插入壳体32中。因此，在所示的示例中，两个测量传感器40插入壳体32中。此外，为了固定对存在于壳体32中的传感器40的保持，在保持元件31-1、31-2之间的间隔被制成为随着与部件30的距离而减小。因此，在所示的示例中，使每个保持元件31-1、31-2具有斜面形状，其中该斜面随着与部件30的距离一起更接近地移动。

[0054] 此外，为了限制被定位在壳体32中的测量传感器40的移动，可选择性地，但不是必须地，将例如陶瓷胶的粘合剂50沉积在壳体32中，从而填充这两个保持元件31-1、31-2与表面30-1之间的剩余空间。

[0055] 图6显示一包括构成保持构件31的保持元件31-1或31-2的复合材料部件的一部分的照片。通过将保持构件31的基本预制件与复合材料部件30的预制件一起共致密化而获得该部件。如可以观察到的那样，在保持元件和底层表面之间存在共渗，从而与现有技术相比，改进了保持元件在复合部件上的保持。

[0056] 根据先前描述的机械试验工艺制造了两个板，所述板具有保持构件11、31并由相同的复合材料(在这里为碳纤维增强碳(C/C))制成。以下称为“1号板”的第一块板直接地受到由机械试验设备施加的剪切力。以与1号板类似的方式制造并且在下文中称为“2号板”的第二块板在1400℃下受到热冲击，然后经受与1号板的那些类似的剪切力。剪应力被施加，以识别导致1号板和2号板的保持构件11、31脱离的临界值。下表给出了被测量以拉出1号板和2号板的保持构件11、31的破裂阈值的值。

[0057]

[0058] 通常，可以观察到，与未经受如此热冲击的1号板相比，对2号板施加热冲击对测量阈值具有很小的影响。另外，保持构件11和31具有非常令人满意的抗剪强度。实际上，从1号板和2号板拉出保持构件11、31所需的剪切力为过去所测量阈值的大约十倍，为此，传感器保持构件利用陶瓷胶被固定到板上。此外，可以观察到，保持构件31似乎具有比保持构件11甚至更好的抗剪强度，所述保持构件11已经具有非常高的抗剪强度。因此，所获得的结果证实，通过将部件的预制件与保持构件的至少一个预制件一起共致密化，制造具有至少一个保持构件的复合材料部件，显著地提高了被固定到该复合部件的所述保持构件或多个保持构件的强度。

[0059] 如图7所示，上述方法可具体应用于喷嘴分流器100。然而，该方法适用于任何其他的复合部件，例如飞机罩壳。这里所示出的分流器100是一具有多个保持构件11、31的复合材料部件，所述保持构件11、31中插入有一个或多个测量传感器20、40。测量传感器20、40例如是温度传感器，例如热电偶。然而，可以使用用于测量复合部件的任何其他类型的传感器，例如压力或变形传感器。

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