用于由复合材料制备的抗冲击性提高的壳体的纤维织构
阅读说明：本技术 用于由复合材料制备的抗冲击性提高的壳体的纤维织构 (Fiber texture for impact-resistant enhanced housings made from composite materials ) 是由 弗朗索瓦·查理 多明尼克·玛丽·克里斯蒂安·库普 赫维·格雷林 于 2019-07-18 设计创作，主要内容包括：一种带状纤维织构(100)具有在多层经纱线或经向股线与沿横向延伸的多层纬纱线或纬向股线(30)之间的三维或多层编织结构。所述纤维织构包括第一部分(P1),所述第一部分沿纵向从织构的近端部分(110)起在确定长度(LP1)上延伸,并且在所述第一部分中,所述多层纬纱线或纬向股线中的一层或多层由多组纱线或股线组成,每组纱线或股线至少包括一根碳纤维纱线或碳纤维股线以及一根玻璃纤维纱线或玻璃纤维股线。每组纱线中的碳纤维纱线或碳纤维股线与玻璃纤维纱线或玻璃纤维股线按照相同的编织图案或编织方式编织在一起。所述纤维织构还包括第二部分(P2),所述第二部分存在于所述纤维织构的第一部分和远端部分(120)之间,在所述第二部分中,所述多层纬纱线或纬向股线的多层包括碳纤维纱线或碳纤维股线。(A ribbon-like fibrous texture (100) has a three-dimensional or multi-layer weave structure between multiple layers of warp or warp strands and multiple layers of weft or weft strands (30) extending in the cross direction. The fiber texture comprises a first portion (P1) extending in a longitudinal direction over a determined length (LP1) from a proximal portion (110) of the texture and in which one or more of the layers of weft or fill yarns are composed of groups of yarns or strands each comprising at least one carbon fiber yarn or carbon fiber strand and one glass fiber yarn or glass fiber strand. The carbon fiber yarns or carbon fiber strands in each set of yarns are woven with the glass fiber yarns or glass fiber strands in the same weave pattern or weave. The fibrous texture further comprises a second portion (P2) which is present between the first portion and the distal end portion (120) of the fibrous texture, in which second portion the plurality of layers of weft or fill yarns comprise carbon fiber yarns or carbon fiber strands.)
发明背景
本发明涉及一种纤维织构，该纤维织构可特别但不限于用于形成由复合材料制成的飞行器发动机风扇壳体的纤维增强件。
复合材料制壳体的制造始于生产呈带状的纤维织构，该纤维织构是通过在多层经纱线和多层纬纱线之间进行三维编织而产生的。将由此获得的纤维织构在具有要制造的壳体形状的模具或工具上绕数圈并保持在模具和形成反模的分段之间，以获得纤维预制件。
一旦生产出纤维预制件，即在纤维织构的缠绕结束时，承载纤维预制件的模具被反模封闭，然后被运送到烘箱或熔炉中，在烘箱或熔炉中通过基质对预制件进行致密化，该基质可以特别地通过在纤维预制件中注射和聚合树脂而获得。
风扇壳体具有三个主要功能，即：
-确保发动机各部分之间的连接，
-限定发动机中的进气道；
-通过截留发动机内摄入的碎片或离心排出的叶片或叶片碎片来确保截留，以防止它们穿过壳体并到达飞行器的其他部分
前两种功能对机械性能的要求不高，但却是永久性的。另一方面，第三种功能即使使用得很少，但对机械性能要求很高。
在扇叶脱落(FBO)事件中，对于壳体来说，事件可以分为不同的阶段：
阶段1：叶片与壳体之间的接触，
阶段2：丢失的叶片的前缘从壳体材料剪切，
阶段3：在高能量的作用下壳体变形，
阶段4：恢复储存在壳体中与丢失的叶片碎片相关的能量，
阶段5：建立风车旋转。
在阶段1，要求壳体具有很高的刚度，以便在与叶片接触的作用下将变形降至最低。在该阶段，能量以变形的形式被壳体存储起来。
在阶段2，壳体材料应该显示剪切特性。材料被剪切，并且通过该剪切消散能量。
在阶段3，抛射体较难穿透弹壳，抛射体储存的能量被壳体的变形完全吸收。在该阶段，要求壳体材料具有很高的变形率。
在阶段4，通过壳体的变形恢复能量，使其恢复到初始几何形状。
在阶段5，壳体承受高机械载荷的疲劳应力。
现有技术的壳体通常令人满意地确保该功能。但是，仍有可能进一步提高某些壳体的机械强度，以抵抗抛射体的冲击，特别是当叶片脱离并投射到壳体上时的冲击。
特别在文件WO2017/109403中描述了具有强化保持区域的由复合材料制成的风扇壳体的示例。
发明内容
根据第一方面，本发明涉及一种带状纤维织构，其在近端部分和远端部分之间的确定长度上沿纵向延伸，并且在第一侧边缘和第二侧边缘之间的确定宽度上沿横向延伸，所述纤维织构在沿纵向延伸的多层经纱线或经向股线与沿横向方向延伸的多层纬纱线或纬向股线之间具有三维或多层编织，
其特征在于，所述纤维织构包括第一部分，所述第一部分沿纵向从近端部分起在确定长度上延伸，并且在所述第一部分中，所述多层纬纱线或纬向股线中的一层或多层由多组纱线或股线组成，每组纱线或股线至少包括一根碳纤维纱线或碳纤维股线以及一根玻璃纤维纱线或玻璃纤维股线，每组纱线中的碳纤维纱线或碳纤维股线与玻璃纤维纱线或玻璃纤维股线按照相同的编织图案或编织方式编织在一起，所述纤维织构还包括第二部分，所述第二部分沿纵向存在于所述纤维织构的第一部分和远端部分之间，在所述第二部分中，所述多层纬纱线或纬向股线的多层包括碳纤维纱线或碳纤维股线。
该纤维织构旨在以数圈方式缠绕，以形成用于复合材料制壳体的纤维增强件。第一部分旨在形成该纤维增强件的径向内部(绕组的第一匝)。第二部分旨在形成该纤维增强件的径向外部(绕组的最后匝)。
发明人发现，通过明智地将玻璃纤维纱线或玻璃纤维股线放置在纤维织构中的碳纤维纱线或纤维股线中，可以提高壳体抵抗冲击，例如分离叶片的冲击的能力。事实上，玻璃纤维纱线或玻璃纤维股线具有比碳纤维纱线或碳纤维股线更高的剪切和拉伸延伸强度。因此，根据本发明的纤维织构在第一部分中包括玻璃纤维纬纱线或纬向股线，其旨在形成绕组的起点，并且位于与叶片撞击的一侧，以便赋予该第一部分更大的剪切强度。此外，因为抛射体的最大尺寸垂直于纬纱线或纬向股线定位，所以玻璃纤维纱线或玻璃纤维股线在纬纱线方向上的插入特别适合于叶片脱落事件的动力学。
因此，这限制了撞击壳体内表面的抛射体(例如叶片或叶片部分)的穿透深度。由此，这保留了壳体材料的较大部分，这允许有效地确保在叶片脱落事件或叶片碎裂期间上述阶段(特别是阶段3至5)的管理。
通过在第一部分中使用每组至少包括一根碳纤维纱线或碳纤维股线和一根玻璃纤维纱线或玻璃纤维股线的多组纱线或股线，可以执行两种不同的功能。事实上，碳纤维纱线或碳纤维股线赋予壳体所需机械功能所需的轴向刚度，特别是在上述阶段1至阶段5，而玻璃纤维纱线或玻璃纤维股线具有较高的剪切强度，以满足壳体在阶段2所需的剪切吸收功能，如上所述。
因此，本发明在于使用两种不同的材料，即碳和玻璃，它们位于纤维增强件的特定区域，以便以最佳方式对冲击事件，例如损失叶片或叶片碎裂期间壳体的应力做出反应，同时限制其质量。
在一个示例性实施方式中，第一部分中存在于所述纤维织构的内表面一侧的多层纬纱线或纬向股线的多层包括多组纱线或股线，或由多组纱线或股线组成，每组纱线或股线至少包括一根碳纤维纱线或碳纤维股线和一根玻璃纤维纱线或玻璃纤维股线，存在于所述纤维织构的外表面一侧的其他层纬纱线或纬向股线包括碳纤维纱线或碳纤维股线，或由碳纤维纱线或碳纤维股线组成。这允许在第一部分保持良好的刚性，并限制使用玻璃纤维纱线或玻璃纤维股线的影响，玻璃纤维纱线或玻璃纤维股线的质量大于碳纤维纱线或碳纤维股线。
在一个示例性实施方式中，纤维织构的第一部分包括保持部分，所述保持部分沿横向从所述纤维织构的侧边缘向内(set back)延伸，所述保持部分包括比沿横向邻近于所述保持部分的部分更多的玻璃纤维纱线或玻璃纤维股线。保持部分旨在与叶片相对地存在，并限定要获得的壳体的保持区域。壳体的该保持区域具有保持在发动机入口处摄入的碎屑、颗粒或物体，或通过离心力相对于壳体径向分离并投射的叶片或叶片碎片的功能。因此，质量比碳纤维纱线或碳纤维股线大的玻璃纤维纱线或玻璃纤维股线集中在可能受到抛射体(特别是叶片或叶片碎片)影响的区域中。因此，这减轻了壳体的整体质量。
本发明还涉及一种用于飞行器壳体的纤维预制件，该纤维预制件包括如上所述的纤维织构的多匝绕组，第一部分位于预制件的径向内表面一侧，第二部分位于预制件的径向外表面一侧。
本发明还涉及一种由复合材料制成的燃气涡轮机壳体，该燃气涡轮机壳体包括由如上所述的纤维预制件构成的纤维增强件和使纤维增强件致密化的基质。
在一个示例性实施方式中，所述壳体是燃气涡轮风扇壳体。
本发明还涉及一种具有如上所述壳体的飞行器燃气涡轮发动机。
本发明的另一个目的是一种通过在沿纵向延伸的多层经纱线或经向股线与沿横向延伸的多层纬纱线或纬向股线之间进行三维或多层编织来制造纤维织构的方法，带状的所述纤维织构在近端部分和远端部分之间的确定长度上沿纵向延伸，并且在第一侧边缘和第二侧边缘之间的确定宽度上沿横向延伸，其特征在于，所述方法包括编织第一部分，所述第一部分沿纵向从近端部分起在确定长度上延伸，并且在所述第一部分中，所述多层纬纱线或纬向股线中的一层或多层由多组纱线或股线组成，每组纱线或股线至少包括一根碳纤维纱线或股线以及一根玻璃纤维纱线或股线，每组纱线中的碳纤维纱线或碳纤维股线与玻璃纤维纱线或玻璃纤维股线按照相同的编织图案或编织方式编织在一起，所述方法还包括编织第二部分，所述第二部分沿纵向存在于所述纤维织构的第一部分和远端部分之间，在所述第二部分中，所述多层纬纱线或纬向股线的多层包括碳纤维纱线或碳纤维股线。
在一个示例性实施方式中，第一部分中存在于所述纤维织构的内表面一侧的多层纬纱线或纬向股线的多层包括组纱线或股线，或由多组纱线或股线组成，每组纱线或股线至少包括一根碳纤维纱线或碳纤维股线和一根玻璃纤维纱线或玻璃纤维股线，存在于所述纤维织构的外表面一侧的其他层纬纱线或纬向股线包括碳纤维纱线或碳纤维股线，或由碳纤维纱线或碳纤维股线组成。
在一个示例性实施方式中，纤维织构的第一部分包括：保持部分，其沿横向从所述纤维织构的侧边缘向内延伸；纱线或股线入口部分，其位于所述纤维织构的第一侧边缘和保持部分之间，其中玻璃纤维纱线或玻璃纤维股线逐渐插入到多层纬纱线或纬向股线的多层中；和纱线或股线出口部分，其位于所述纤维织构的保持部分和第二侧边缘之间，其中玻璃纤维纱线或玻璃纤维股线从所述多层纬纱线或纬向股线的多层中逐渐撤出，所述保持部分包括比在所述纱线或股线入口和出口部分中更多的玻璃纤维纱线或玻璃纤维股线。
附图说明
通过以下参考附图的描述，本发明的其他特征和优点将得到展示，但不限于此，附图中：
图1是织机的示意性透视图，示出了纤维织构的三维编织；
图2是根据本发明的一个实施方式的纤维织构的示意性透视图；
图3是在图2的纤维织构的第一部分处截取的横截面，并且示出了编织平面
图4是在图2的纤维织构的第二部分处截取的横截面，并且示出了编织平面；
图5是示意性透视图，示出了纤维织构在成型工具上的缠绕；
图6是通过缠绕如图5所示的纤维织构而获得的壳体预制件的轴向半剖视图；
图7是剖视图，示出了在图6的壳体预制件上的注入扇区的定位；
图8是根据本发明的一个实施方式的飞行器发动机的透视图；
图9A和9B示出了在根据本发明的纤维织构变体的第一部分处截取的横截面，并且示出了编织平面。
具体实施方式
本发明通常适用于用于制造由复合材料制成的壳体的纤维织构，这些壳体包括在其端部具有环形夹具的桶状物或壳。
如图1所示，纤维织构100是以已知的方式通过使用提花型织机5进行织造而产生的，在该织机上排列着一束多层的经纱线或经向股线20，经纱线由纬纱线或纬向股线30互联。
纤维织构是由三维编织而成的。这里所说的“三维编织”或“3D编织”指的是一种编织方法，其中至少有一些纬纱线在几层经纱线上与经纱线相互连接，反之亦然。纤维织构可具有互锁编织。这里所说的“互锁”编织是指每层纬纱线与几层经纱线相互连接的编织，同一纬纱线列中的所有纱线在组织平面上的运动相同。在文件WO2006/136755中描述了可以使用的互锁式编织。可以设想其他编织，例如多帆布(multi-canvas)编织、多缎纹(multi-satin)编织和多斜纹(multi-twill)编织。这里所说的“多帆布编织或织物”是指具有若干层纬纱线的三维编织，每层基本编织相当于传统的帆布类型的编织，但编织的一些点与多层纬纱线相互连接。这里所说的“多缎纹编织或织物”是指具有若干层纬纱线的三维编织，每层基本编织相当于传统的缎纹类型的编织，但编织的一些点与多与多层纬纱线相互连接。这里所说的“多斜纹编织或织物”是指具有若干层纬纱线的三维编织，每层基本编织相当于传统的斜纹类型的编织，但编织的一些点与多层纬纱线相互连接。
如图2所示，纤维织构100呈带状，在与经纱线或经向股线20的行进方向相对应的纵向X上纵向延伸，并且在第一边缘101和第二侧边缘102之间在横向Y上横向延伸，横向Y对应于纬纱线或纬向股线30的方向。纤维织构在近端部分110和远端部分120之间的确定长度L100上纵向延伸，近端部分110旨在在成型工具上形成纤维预制件的绕组起点，远端部分120旨在形成纤维预制件的绕组终点。
纤维织构还具有沿Y方向在确定宽度l130上延伸的中央区域130，该中央区域130旨在形成壳体的桶状物或壳。中央区域130旨在与叶片相对地存在，并限定要获得的壳体的保持区域。中央区域130从第一侧边缘101和第二侧边缘102缩回，并在确定的宽度l130上延伸，该宽度小于织构100的宽度l100。中央区域130位于第一侧边缘101和第二侧边缘102之间的中间位置。中央区域130在两个侧向区域140和150之间划定，两个侧向区域140和150分别沿Y方向在确定的宽度l140和l150上分别延伸。第一侧向区域140在第一侧向边缘101和中央区域130之间延伸。第二侧向区域150在第二侧向边缘102和中央区域130之间延伸。侧向区域140和150中的每一个旨在至少部分地形成壳体的环形夹具。
纤维织构100的长度L100根据工具或成型模具的周长来确定，以允许执行确定数量的纤维织构的匝数，例如四匝。
纤维织构100包括第一部分P1，该第一部分P1从近端部分110沿方向X延伸。第一部分P1旨在形成绕组的第一部分，从而形成壳体的纤维增强体(该绕组的径向内部，参见图7，其包括径向方向R)。
纤维织构100还包括第二部分P2，该第二部分P2不同于第一部分P1，并且第二部分P2在第一部分P1和远端部分120之间沿着纵向X延伸。第二部分P2旨在形成绕组的第二部分，从而形成壳体的纤维增强体(该绕组的径向外部)。
在这里描述的示例中，纤维织构100在长度L100上延伸，从而允许在工具或成型模具上缠绕四匝。仍然在这里描述的示例中，第一部分P1在长度LP1上延伸，该长度限定为对应于工具或成型模具(图7)上的第一绕组匝，第二部分P2对应于工具或成型模具上的第二、第三和第四绕组匝(图7)。
图3至图4分别示出了分别位于第一部分P1和第二部分P2的纤维织构100的多帆布编织的平面。
图3和图4所示的编织平面的示例包括9个纬纱线层和8个经纱线层。
如图3所示，第一部分P1包括碳纤维经纱线或碳纤维经向股线，表示为Cc。根据本发明，多层纬纱线或纬向股线的多层由多组纱线或股线组成，每组纱线或股线至少包括一根碳纤维纱线或股线和一根玻璃纤维纱线或股线，每组纱线中的碳纤维纱线或碳纤维股线和玻璃纤维纱线或玻璃纤维股线根据相同的编织图案或编织方式编织在一起。在这里描述的示例中，9层纬纱线全部由多组纱线或股线组成，每组纱线或股线包括表示为Tc1至Tc9的碳纤维纱线或碳纤维股线和表示为Tv1至Tv9的玻璃纤维纱线或玻璃纤维股线。
根据一个变体，存在于纤维织构的内表面一侧的多层纬纱线或纬向股线中的仅一些层由包括碳纤维纱线或碳纤维股线和玻璃纤维纱线或玻璃纤维股线的多组纱线或股线组成，多层纬纱线或纬向股线中的其他层由碳纤维纱线或碳纤维股线组成。例如，它们可以是从纤维织构100的内表面F1开始的四个第一层，而位于纤维织构的外表面F2一侧的其他纬纱线或纬向股线仅由碳纤维纱线或碳纤维股线组成。
如图4所示，第二部分P2包括表示为Cc的碳纤维经纱线或碳纤维经向股线和表示为Tc的碳纤维纬纱线或碳纤维纬向股线。
因此，当沿着纤维织构100的纵向X移动时，纬纱线或纬向股线的性质发生变化。
刚刚描述了一个例子，其中纤维织构具有9个纬纱层和8个经纱层的互锁编织。然而，当纬纱层和经纱层的数量不同时，或者当纤维织构具有与多帆布式编织不同的编织时，这并不超出本发明的范围。
如图5所示，通过缠绕在前述纤维织构100的心轴50上形成纤维壳体增强件，该纤维增强件构成一体式壳体的完整管状纤维预制件。为此，心轴50具有外表面51，该外表面的轮廓对应于待生产的壳体的内表面。心轴50还具有两个凸缘52和53，以形成与壳体的夹具(clamp)相对应的纤维预制件部分62和63(在图6中可见夹具62和63)。径向地朝向预制件的内部定位的匝对应于纤维织构的第一部分P1，并且径向地朝向预制件的外部定位的匝对应于纤维织构的第二部分P2。
图6示出了将纤维织构100在心轴50上多层缠绕之后获得的纤维预制件60的截面图。层数或匝数是所需厚度和纤维织构厚度的函数。其优选至少等于2。在此处描述的示例中，预制件60包含4层纤维织构100。
然后用基质对纤维预制件60致密化。
纤维预制件的致密化在于用构成基质的材料填充预制件的全部或部分体积的孔隙。
可以在液体工艺之后以本身已知的方式获得基质。液体工艺包括用包含基质材料的有机前体的液体组合物浸渍预制件。有机前体通常为聚合物形式，例如树脂，任选地在溶剂中稀释。将纤维预制件放置在模具中，该模具可以用外壳密封成最终成型部件的形状。如图7所示，将纤维预制件60放置在形成反模的多个区段54和形成支撑件的心轴50之间，这些元件分别具有要制造的壳体的外部和内部形状。然后将液态基质前体，例如树脂，注入整个外壳中以浸渍预制件。
前体向有机基质的转化，即其聚合，是通过热处理(通常通过加热模具)进行的，在除去任何溶剂并进行聚合物交联之后，预制件仍然保持在模具中，其形状与待制造部件的形状相对应。有机基质尤其可以从环氧树脂中获得，例如，出售的高性能环氧树脂，或从碳或陶瓷基质的液体前体中获得。
在形成碳或陶瓷基质的情况下，热处理包括热解有机前驱体，以根据所使用的前驱体和热解条件将有机基质转化为碳或陶瓷基质。举例来说，液态碳前体可以是具有较高结焦率的树脂，例如酚醛树脂，而液态陶瓷前体，特别是SiC，可以是聚碳硅烷(PCS)、聚钛碳硅烷(PTCS)或聚硅氮烷(PSZ)型树脂。从浸渍到热处理，可以进行几个连续的循环以获得所需的致密化程度。
纤维预制件的致密化可以通过众所周知的树脂传递模塑(resin transfermolding RTM)方法进行。根据RTM工艺，将纤维预制件放置在具有要生产的壳体形状的模具中。将热固性树脂注入到刚性材料部分和模具之间的内部空间中，该内部空间包含纤维预制件。通常在注入树脂的位置和树脂排出口之间的内部空间中建立压力梯度，以控制和优化树脂对预制件的浸渍。
所使用的树脂可以是例如环氧树脂。适用于RTM工艺的树脂是众所周知的。它们优选具有低粘度以促进其注入纤维中。树脂的温度等级和/或化学性质的选择取决于部件必须承受的热机械应力。将树脂注入整个增强件后，即可根据RTM工艺通过热处理进行聚合。
注射和聚合后，部件脱模。最后转动部件以去除多余的树脂，并对倒角进行机加工，以获得具有旋转形状的壳体810，如图8所示。
图8所示的壳体810是用于燃气涡轮飞行器发动机风扇80的壳体。如图8所示，这种发动机从上游到下游沿气流方向包括布置在发动机进口的风扇81、压缩机82、燃烧室83、高压涡轮84和低压涡轮85。发动机容纳在壳体内，该壳体包括对应于不同发动机部件的若干部分。例如，风扇81被壳体810包围。
图9A和9B表示根据本发明的纤维织构的变体，其中，在第一部分中，用于与在纬纱线或纬向股线层中碳纤维纱线或碳纤维股线成对的玻璃纤维纱线或玻璃纤维股线集中在旨在形成壳体保持区域的纤维织构区域中，即面向叶片，可能会受到分离的叶片或叶片碎片影响的区域。
更具体地，如图9A所示，纤维织构200的第一侧向区域240(类似于图2的纤维织构100的侧向区域140)对应于入口部分，在入口部分中，玻璃纤维纱线或玻璃纤维股线Tv1至Tv9逐渐插入到多层纬纱线或纬向股线的多层中，以根据相同的编织图案或编织分别与碳纤维纱线或碳纤维股线Tc1至Tc9分组。
在中央区域230(类似于图2中纤维织构100的中央区域130)，所有玻璃纤维纱线或玻璃纤维股线Tv1到Tv9已被引入到纤维织构中，因此中央区域230集中了大部分玻璃纤维纱线或玻璃纤维股线，形成保持部分的区域230包括比在纱线或股线的入口和出口部分中更多的玻璃纤维纱线或玻璃纤维股线。在与分离的叶片或叶片碎片碰撞期间，中央区域230受到最大的机械应力。
如图9B所示，纤维织构200的第二侧向区域250(类似于图2的纤维织构100的侧向区域150)对应于出口部分，在出口部分中，将玻璃纤维纱线或玻璃纤维股线Tv1至Tv9从多层纬纱线或纬向股线的多层中逐渐撤出，以便分别与碳纤维纱线或碳纤维股线Tc1至Tc9分开。
此外，根据一种变体，存在于纤维织构的下表面F1和上表面F2的纬纱线层中玻璃纤维纱线或玻璃纤维股线可以保持，而存在于纤维织构的下表面F1和上表面F2以下的其他玻璃纤维纱线或玻璃纤维股线则逐渐退出纤维织构的中央区域之外。换句话说，尽可能接近纤维织构内表面F1和外表面F2的第一层纬纱线或纬向股线中的多组纱线或股线中存在的玻璃纤维纱线或玻璃纤维股线在织构的整个长度上是连续的，而其他表层下的层的纬纱线或纬向股线的多组纱线或股线中存在的玻璃纤维纱线或玻璃纤维股线则逐渐从中央区域外的织构中抽出退出，如上所述。因此，获得具有在其两个表面上具有连续玻璃纤维纱线或玻璃纤维股线的第一部分纤维织构。根据另一变体，纤维织构的仅一个内表面或外表面可以设置有连续的玻璃纤维纱线或玻璃纤维股线。
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