Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
НЕМЕТАЛЛИЧЕСКАЯ СОТОВАЯ КОНСТРУКЦИЯ ВЫСОКОЙ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ СО СЛОИСТЫМИ СТЕНКАМИ ЯЧЕЕК
НЕМЕТАЛЛИЧЕСКАЯ СОТОВАЯ КОНСТРУКЦИЯ ВЫСОКОЙ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ СО СЛОИСТЫМИ СТЕНКАМИ ЯЧЕЕК

НЕМЕТАЛЛИЧЕСКАЯ СОТОВАЯ КОНСТРУКЦИЯ ВЫСОКОЙ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ СО СЛОИСТЫМИ СТЕНКАМИ ЯЧЕЕК

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Изобретение относится к увеличению удельной теплопроводности неметаллических составных конструкций посредством внедрения в сотовую конструкцию углеродных волокон на основе пека, обладающих высокой удельной теплопроводностью. Наряду с повышением удельной теплопроводности углеродные волокна (20) на основе пека используются для обеспечения контролируемой по направлению теплопроводности через сотовую конструкцию. В предпочтительном иллюстративном варианте осуществления конструкции стенки (80) ячеек образованы из большого количества неметаллических однонаправленных слоев (82, 84 и 86) ткани, по меньшей мере один из которых по существу состоит из ориентированных в одном направлении волокон, обладающих высокой удельной теплопроводностью. 3 с. и 19 з.п. ф-лы, 11 ил., 2 табл.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2118933
Класс(ы) патента: B32B3/12
Номер заявки: 96109052/04
Дата подачи заявки: 05.10.1994
Дата публикации: 20.09.1998
Заявитель(и): Хексел Корпорейшн (US)
Автор(ы): Стивен К.Дарфлер (US)
Патентообладатель(и): Хексел Корпорейшн (US)
Описание изобретения: Настоящее изобретение в целом относится к неметаллическим сотовым конструкциям, предназначенным для использования в тех случаях, когда требуется высокая удельная теплопроводность конструкции. Точнее, настоящее изобретение относится к увеличению удельной теплопроводности неметаллических сотовых конструкций, изготовленных из композитных материалов посредством введения в сотовую конструкцию углеродных волокон на основе пека, обладающих высокой удельной теплопроводностью.
Уровень техники.
Сотовые конструкции хорошо известны и широко используются во многих случаях, когда требуются высокая прочность и малый вес материала. Сочетание отличительных признаков, заключающихся в малом весе и прочности, обнаруженное в отношении сотовых конструкций, делает их особенно пригодными для применения в авиастроении. Сотовые конструкции изготавливаются из самых разнообразных материалов, включая металлы, например алюминий. В сотовых конструкциях также широко используются композитные материалы, изготовленные из волокон и бумаги, пропитанных смолой. Эти материалы особенно пригодны для использования в авиастроении благодаря их малому весу, высокой прочности и жесткости. Наряду с малым весом и высокой прочностью неметаллические сотовые конструкции представляют собой хорошие изоляторы, которые находят применение в авиационных конструкциях, где их изоляционные свойства обеспечивают определенные выгоды.
Хотя во многих случаях желательны изоляционные свойства неметаллических сотовых конструкций, встречаются такие случаи, когда желательно иметь высокопрочные, легкие материалы, обладающие высокой удельной теплопроводностью. Например, в двигателях реактивных самолетов требуется высокая степень теплопереноса через конструкцию двигателя с тем, чтобы сохранить на приемлемом уровне конструктивные температурные нагрузки. Соответственно конструкция двигателя от горячей рабочей зоны до наружной гондолы должна иметь высокую удельную теплопроводность, обладая при этом малым весом и чрезвычайной прочностью.
Сотовые конструкции, изготовленные из алюминия, прочны и имеют достаточную теплопроводность для того, чтобы передать необходимую тепловую нагрузку от горячей рабочей зоны к наружной гондоле. Однако в случае алюминиевой рабочей зоны в сочетании с композитными оболочками, усиленными графитным волокном, возникают проблемы, поскольку алюминий подвергается коррозии. В качестве потенциальных заменителей алюминиевых сотовых конструкций для авиационных реактивных двигателей предлагались различные композитные сотовые конструкции, усиленные стекловолокном, а также композитные материалы, усиленные углеродным волокном на основе полиакрилонитрила (PAN). Однако такие неметаллические сотовые конструкции неприемлемы вследствие их низкой теплопроводности.
В свете вышеизложенного было бы желательно создать неметаллические сотовые конструкции, которые обладали бы повышенной удельной теплопроводностью, с тем, чтобы эти конструкции могли использоваться в тех случаях, когда требуются высокие степени теплопереноса. Кроме того, было бы желательно дополнительно создать такую неметаллическую сотовую конструкцию, обладающую высокой удельной теплопроводностью, в которой были бы сохранены желаемые отличительные признаки, заключающиеся в конструктивной прочности и малом весе. Помимо этого желательно создать такую неметаллическую сотовую конструкцию, обладающую высокой удельной теплопроводностью, которая имела бы термомеханические свойства, обеспеченные таким образом, чтобы они отвечали характерным случаям нагружения рабочей зоны.
Согласно настоящему изобретению создана неметаллическая сотовая конструкция, которая обладает малым весом, прочна и проявляет высокую степень теплопроводности. Настоящее изобретение основано на обнаружении того, что обладающие высокой проводимостью углеродные волокна на основе пека могут быть введены в неметаллические композитные материалы с тем, чтобы обеспечить высокие уровни удельной теплопроводности сотовых конструкций.
Согласно настоящему изобретению создана неметаллическая сотовая конструкция, обладающая высокой удельной теплопроводностью, при этом конструкция включает в себя большое количество взаимосвязанных стенок, которые образуют множество взаимосвязанных сотовых ячеек, имеющих продольное направление, идущее поперечно по отношению к упомянутым стенкам, и направление по толщине, идущее параллельно по отношению к стенкам. Стенки сотовой конструкции включают в себя множество неметаллических волокон, обладающих низкой удельной теплопроводностью, в сочетании с множеством неметаллических волокон, обладающих высокой удельной теплопроводностью. Волокна внедрены в отверждающееся связующее.
Отличительный признак настоящего изобретения заключается в том, что волокна, обладающие высокой удельной теплопроводностью, могут быть ориентированы так, чтобы они проходили по существу в продольном направлении сотовой конструкции для обеспечения направленного переноса тепла поперечно сотовой конструкции. Другой отличительный признак настоящего изобретения заключается в том, что обладающие высокой удельной теплопроводностью волокна могут быть ориентированы таким образом, чтобы они проходили фактически в направлении толщины сотовой конструкций для обеспечения переноса тепла или проводимости в направлении толщины, то есть перпендикулярно продольному направлению сотовой конструкции.
Еще один отличительный признак настоящего изобретения заключается в том, что волокна, обладающие высокой удельной теплопроводностью, могут быть ориентированы таким образом, чтобы они проходили под углом по отношению к продольному направлению сотовой конструкции для придания ей дополнительной прочности наряду с контролируемым переносом тепла как в направлении толщины, так и в продольном направлении.
Еще один отличительный признак настоящего изобретения заключается в том, что стенки ячеек сотовой конструкции, рассматриваемой в качестве примера, образованы из множества слоев, усиленных неметаллическими волокнами, по меньшей мере один из которых состоит главным образом из однонаправленно ориентированных волокон, обладающих высокой удельной теплопроводностью.
Использование углеродных волокон на основе пека для повышения проводимости неметаллических сотовых конструкций обеспечивает получение высокопрочных, легких сотовых конструкций, обладающих высокой степенью проводимости, которая делает их весьма пригодными для различных случаев применения, когда требуются эти три свойства.
Описанные выше, а также многие другие отличительные признаки и преимущества настоящего изобретения можно будет лучше понять со ссылкой на приведенное ниже подробное описание при его рассмотрении совместно с прилагаемыми фигурами.
На фиг. 1 представлена предпочтительная иллюстративная неметаллическая сотовая конструкция согласно настоящему изобретению, в которой имеющие высокую удельную теплопроводность углеродные волокна на основе пека ориентированы в направлении толщины сотовой конструкции с тем, чтобы обеспечить увеличенный перенос тепла через сотовую конструкцию в направлении толщины.
На фиг.2 представлен подробный вид части сотовой конструкции, показанной на фиг.1.
На фиг.3 представлен второй предпочтительный иллюстративный вариант осуществления конструкции согласно настоящему изобретению, в котором имеющие высокую удельную теплопроводность углеродные волокна на основе пека ориентированы в продольном направлении сотовой конструкции для обеспечения увеличенного переноса тепла через сотовую конструкцию в продольном направлении.
На фиг.4 представлен подробный вид части сотовой конструкции, показанной на фиг.3.
На фиг.5 представлен третий предпочтительный иллюстративный вариант осуществления конструкции согласно настоящему изобретению, в котором имеющие высокую удельную теплопроводность углеродные волокна на основе пека расположены под углом плюс и минус 45oC относительно продольного направления с тем, чтобы обеспечить повышенную конструктивную прочность, а также увеличенный перенос тепла через сотовую конструкцию по многим направлениям.
На фиг.6 представлен подробный вид части сотовой конструкции, показанной на фиг.5.
На фиг. 7 представлен четвертый предпочтительный иллюстративный вариант осуществления конструкции, который аналогичен сотовой конструкции, показанной на фиг.1, за исключением того, что между рифлениями сотовой конструкции помещаются плоские упрочняющие листы.
На фиг. 8 представлен разнесенный вид стенок ячеек пятого предпочтительного иллюстративного варианта осуществления конструкции согласно настоящему изобретению, в котором стенки ячеек образованы из множества однонаправленных неметаллических слоев ткани, внедренных внутрь отверждающегося связующего.
На фиг.9 представлена предпочтительная иллюстративная рифленая слоистая лента сотовой конструкции, образованная из неметаллической стенки ячеек, которая показана на фиг.8.
На фиг.10 представлена предпочтительная иллюстративная сотовая конструкция, образованная из большого количества слоистых лент такого типа, который показан на фиг.8.
На фиг. 11 представлена предпочтительная иллюстративная неметаллическая стенка ячеек согласно фиг.8 с нанесенными на нее наружными слоями непористой ткани.
Настоящее изобретение предполагает раскрытие того, что углеродные волокна на основе пека могут быть введены в неметаллические сотовые конструкции для увеличения удельной теплопроводности таких конструкций. Кроме того, было обнаружено, что удельная теплопроводность или перенос тепла через сотовую конструкцию может контролироваться и направляться посредством ориентации в выбранных направлениях углеродных волокон на основе пека.
Настоящее изобретение имеет широкое применение для увеличения удельной теплопроводности неметаллических сотовых конструкций, используемых во многих разнообразных случаях. В частности, настоящее изобретение весьма пригодно для использования в двигателях реактивных самолетов, в которых желателен перенос тепла от горячей рабочей зоны к наружной гондоле и где также желательны прочные конструкции, имеющие малый вес. Хотя настоящее изобретение особенно пригодно для такого типа применения в авиастроении, квалифицированным специалистам в этой отрасли будет очевидно, что увеличение удельной теплопроводности, обеспечиваемое настоящим изобретением, может быть с выгодой использовано для увеличения удельной теплопроводности и ее контроля в неметаллических сотовых конструкциях, используемых в ряде случаев, где требуются малый вес, прочность и высокая теплопередача.
Настоящее изобретение особенно пригодно для увеличения удельной теплопроводности сотовых конструкций, которые изготовлены из углеродных волокон на основе полиакрилонитрила (PAN), внедренных в смолу. Изобретение также может быть использовано для увеличения удельной теплопроводности и ее контроля в других неметаллических сотовых конструкциях, например из внедренного в смолу стекловолокна, внедренного в смолу полиарамидного волокна и внедренного в смолу керамического волокна. Смолы, используемые в этих типах композитных материалов, обычно представляют собой термоотверждающиеся или термопластичные полимеры. Примеры приемлемых полимеров включают в себя фенольные смолы, полиимидные смолы и эпоксидные смолы.
Удельная теплопроводность полиакрилонитрильных, стеклянных и керамических волокон обычно составляет 100 Вт/м·К. Неметаллические волокна, имеющие удельную теплопроводность в этом диапазоне, считаются волокнами с низкой удельной теплопроводностью. Смолы, в которые внедряются эти волокна для изготовления сотовых конструкций, также имеют низкую удельную теплопроводность, так что получающаяся в результате этого сотовая конструкция будет иметь общую удельную теплопроводность, которая попадает в этот относительно низкий диапазон.
Согласно настоящему изобретению описанные выше сотовые конструкции с низкой удельной теплопроводностью преобразуются в сотовые конструкции с высокой удельной теплопроводностью посредством использования углеродных волокон на основе пека. Углеродные волокна на основе пека имеют высокую удельную теплопроводность, которая обычно составляет примерно от 200 Вт/м·К до 1200 Вт/м·К. Как более подробно будет разъяснено ниже, углеродные волокна на основе пека могут быть введены в сотовую конструкцию в количественном диапазоне от 1 до 90 процентов по весу с тем, чтобы обеспечить получение сотовой конструкции с высокой удельной теплопроводностью, в которой, если это желательно, можно контролировать направление переноса тепла.
Если обратиться к фиг.1, то на ней представлена небольшая часть предпочтительной иллюстративной сотовой конструкции, в целом обозначенной позицией 10. Сотовая конструкция 10 включает в себя три взаимосвязанные сотовые ячейки 12, 14 и 16. Как хорошо известно, сотовые конструкции обычно включают в себя сотни и тысячи таких взаимосвязанных ячеек. В иллюстративных целях показаны только три ячейки, при этом понятно, что остальная часть взаимосвязанных ячеек сотовой конструкции, которые обычно составляют такую сотовую конструкцию, не показана.
Ячейки 12, 14 и 16 сотовой конструкции образованы большим количеством взаимосвязанных стенок 18. Ячейки сотовой конструкции имеют продольное направление, которое проходит поперечно по отношению к стенкам 18 конструкции и представлено на фиг.1 буквой L. Ячейки сотовой конструкции также имеют направление по толщине, которое проходит параллельно по отношению к стенкам 18 и на фиг. 1 представлено буквой T. Согласно настоящему изобретению множество углеродных волокон на основе пека внедрено в отверждающееся связующее так, что они проходят фактически в направлении T толщины. Ориентация углеродных волокон на основе пека в сотовой конструкции 10 представлена вертикальными линиями 20, которые проходят параллельно направлению T. Ориентация волокон 20 на основе пека в направлении, фактически параллельном направлению по толщине, обеспечивает увеличенную удельную теплопроводность через сотовую конструкцию, а также обеспечивает направленный перенос тепла в направлении T.
Часть стенки 18 ячеек на фиг.2 показана подробно. Стенка 18 ячеек составлена из слоя ткани и отвержденной смолы. Слой ткани включает в себя неметаллические волокна 22, которые показаны в обычной ровной структуре ткацкого переплетения. Волокна 22 могут представлять собой любые из ранее упомянутых волокон с низкой проводимостью. Предпочтительны углеродные волокна на основе полиакрилонитрила. Углеродные волокна на основе полиакрилонитрила могут быть сплетены в виде любых обычных структур ткацкого переплетания, при этом предпочтительно, чтобы на жгут волокна приходилось от 500 до 3000 отдельных нитей. Отдельные нити, используемые в каждом из жгутов волокон, предпочтительно имеют диаметр в диапазоне от 5 до 9 микрон.
Конкретная форма плетения, размер отдельных нитей и размер жгута волокна могут широко меняться в зависимости от конструктивной прочности и веса, требуемых для сотовой конструкции. В этой отрасли хорошо известно образование сотовых конструкций из внедренных в смолу углеродных волокон на основе полиакрилонитрила. В этом предпочтительном первом варианте осуществления конструкции углеродные волокна 20 на основе пека вплетены в волокна 22 с низкой удельной теплопроводностью с тем, чтобы обеспечить однонаправленную структуру углеродных волокон на основе пека, обладающих высокой удельной теплопроводностью.
Углеродные волокна на основе пека могут представлять собой любые коммерчески доступные волокна на основе пека. Такие волокна могут быть получены, например, от компании АМОCO под торговым наименованием THORNEL CARBON FIBER. Углеродные волокна на основе пека должны обладать удельной теплопроводностью примерно от 200 Вт/м·К до 1200 Вт/м·К. Отдельные углеродные волокна на основе пека обычно имеют диаметр, находящийся в диапазоне примерно от 7 до 11 микрон, при этом каждый из жгутов волокон, которые впрядены в ткань, имеет от 500 до 2000 отдельных нитей. Предпочтительны волокна на основе пека, имеющие обозначение P120, при этом также приемлемы волокна P75, K950 и K1100.
Количество углеродных волокон на основе пека, которое вплетается в ткань из углеродных волокон на основе полиакрилонитрила, может изменяться в зависимости от требуемой степени удельной теплопроводности. Обычно весовое процентное содержание углеродных волокон на основе пека от 1 до 90 процентов (если взять за основу общий вес отвержденного композитного материала) обеспечивает значительное увеличение удельной теплопроводности с сохранением таких характеристик композитного материала, как высокая прочность и малый вес.
На фиг. 3 представлена и обозначена позицией 30 вторая предпочтительная сотовая конструкция. Вновь показано только три ячейки 32, 34 и 36 в действительности значительно большей сотовой конструкции. Сотовая конструкция в основном такая же, что и неметаллическая сотовая конструкция, представленная на фиг. 1 и 2, за исключением того, что углеродные волокна на основе пека ориентированы в продольном направлении сотовой конструкции 30. Ориентация углеродных волокон на основе пека представлена линиями 38. В этом варианте осуществления конструкции перенос тепла через сотовую конструкцию 30 доведен до максимума в направлении L. Как очевидно из конструкции, показанной на фиг. 1 и 3, настоящее изобретение обеспечивает возможность управления теплопроводностью через сотовые конструкции как в направлении толщины, так и в продольном направлении.
На фиг.4 представлен подробный вид одной из стенок 40 ячеек сотовой конструкции согласно фиг.3. Стенки 40 ячеек подобно ранее описанным стенкам 18 ячеек включают в себя спряденную ткань из углеродных волокон 42 на основе полиакрилонитрила, заделанных в полиэфирную смолу.
Обладающие высокой удельной теплопроводностью углеродные волокна 38 на основе пека ориентированы таким образом, что в течение изготовления сотовых конструкций волокна 38 единообразно проходят в продольном направлении таких конструкций. Если желательно, то тот же самый сотканный материал, который включает в себя углеродные волокна на основе пека, обладающие высокой удельной теплопроводностью, может быть использован при изготовлении сотовой конструкции согласно фиг.1 или фиг.3. В первом варианте осуществления конструкции внедренный слой ткани в течение процесса изготовления ориентируется таким образом, что углеродные волокна 20 на основе пека в окончательно отвержденной сотовой конструкции будут проходить в направлении толщины. Та же самая ткань в течение процесса изготовления может быть повернута на 90o, так что те же самые волокна на основе пека проходят в продольном направлении, как показано на фиг.3 и 4.
На фиг.5 представлена третья предпочтительная иллюстративная сотовая конструкция согласно настоящему изобретению, в целом обозначенная позицией 50. Три ячейки 52, 54 и 56 сотовой конструкции подобно ранее описанным вариантам осуществления конструкции представляют собой только небольшую часть, которая характеризует полную сотовую конструкцию, содержащую сотни или тысячи ячеек. Сотовая конструкция 50 изготовлена в соответствии с обычными процессами изготовления, используемыми для изготовления первой и второй сотовых конструкций.
Принципиальное различие между этим третьим вариантом осуществления сотовой конструкции и предыдущими вариантами заключается в том, что ткань, используемая для образования стенок 58 ячеек, включает в себя углеродные волокна на основе пека, которые ориентированы под углами плюс или минус 45o относительно продольного направления L и направления T по толщине. Ориентация волокон на основе пека представлена линиями 60. Подробный вид структуры ткацкого переплетения для внедренной в смолу стенки сотовой конструкции представлен на фиг.6. Структура ткацкого переплетения для углеродных волокон на основе полиакрилонитрила такая же, что и в предшествующих вариантах осуществления конструкции. Однако, как упомянуто ранее, может быть использовано широкое разнообразие структур ткацкого переплетения, в которых применяется многообразие неметаллических волокон, обладающих низкой удельной теплопроводностью. В этом варианте осуществления конструкции углеродные волокна на основе пека ориентированы в двунаправленной структуре ткацкого переплетения, чтобы обеспечить перенос тепла как в продольном направлении, так и в направлении толщины сотовой конструкции.
Ориентация волокон на основе пека на плюс/минус 45o, показанная на фиг. 5, представляет собой предпочтительную ориентацию. Согласно настоящему изобретению возможны и другие плюсовые/минусовые угловые ориентации волокон. Например, возможны плюсовые/минусовые угловые диапазоны от 0 до 90 градусов для обеспечения многообразия различных сочетаний свойств сотовой конструкции в отношении конструктивной прочности и переноса тепла. Кроме того, все волокна на основе пека могут быть ориентированы в плюсовом угловом направлении в диапазоне от 0 до 90 градусов, либо все волокна могут быть ориентированы в минусовом угловом диапазоне от 0 до 90 градусов. Могут быть использованы сочетания разных количеств плюсовых или минусовых угловых волокон для обеспечения еще и дополнительного управления направлением переноса тепла через сотовую конструкцию.
На фиг.7 представлена четвертая предпочтительная иллюстративная сотовая конструкция, обозначенная позицией 70. Сотовая конструкция 70 аналогична сотовой конструкции, показанной на фиг.1, за исключением того, что между рифлеными листами, которые формируют сотовую конструкцию, располагаются плоские листы 72. Плоские листы 72 проходят через середину ячейки и обеспечивают дополнительные усиление и перенос тепла, когда это желательно. Ткань, используемая для формирования плоских листов 70, может быть выбрана из любых неметаллических композитных материалов, которые используются для образования стенок сотовой конструкции.
Иллюстративная стенка ячеек пятой предпочтительной иллюстративной сотовой конструкции представлена на фиг.8 и в целом обозначена позицией 80. В отличие от ранее описанных стенок ячеек согласно фиг.1-6 стенка 80 образована из множества неметаллических однонаправленных слоев 82, 84 и 86 ткани. Слои 82 и 86 главным образом состоят из однонаправленно ориентированных углеродных волокон на основе полиакрилонитрила, имеющих низкую удельную теплопроводность. Слой 84 главным образом состоит из однонаправленно ориентированных углеродных волокон на основе пека, имеющих высокую удельную теплопроводность. Предпочтительно, чтобы слои 82, 84 и 86 ткани были образованы из неплетеных однонаправленных лент.
В слоях 82 и 86 ткани углеродные волокна на основе полиакрилонитрила ориентированы под углами соответственно примерно плюс и минус 45o относительно продольного направления L и направления T по толщине. В слое 84 ткани углеродные волокна на основе пека ориентированы в направлении T толщины. Ориентация углеродных волокон на основе пека представлена линиями 88. Ориентация углеродных волокон на основе полиакрилонитрила в слоях 82 и 86 представлена линиями 90 и 92.
Предпочтительно, чтобы однонаправленно ориентированные углеродные волокна каждого слоя 82, 84 и 86 ткани крепились по месту относительно других углеродных волокон того же самого слоя с использованием обычных связующих и сшивных средств (не показаны).
Как наилучшим образом показано на фиг.9 и 10, слои 82, 84 и 86 ткани преобразованы в рифленые ленты 94 сотовой конструкции, которые содержат стенки 80 ячеек 96, 98 и 100 сотовой конструкции. При образовании лент сотовой конструкции используется отверждающееся связующее для связи передних сторон смежных слоев ткани друг с другом. После этого ленты сотовой конструкции формуются по предпочтительной форме и отверждаются. Предпочтительно, чтобы слои 82, 84 и 86 ткани перед наслаиванием, формовкой и отверждением были предварительно пропитаны надлежащей смолой. Как только образованы рифленые ленты 94, передние стороны смежных рифленых лент 94 сцепляются посредством использования предпочтительной смолы, с тем чтобы образовать сотовую конструкцию.
Что касается варианта конструкции, показанного на фиг.1 и 2, то этот пятый предпочтительный вариант повышает до максимума перенос тепла через сотовую конструкцию 80 в направлении T. Однако в случае углеродных волокон на основе полиакрилонитрила, ориентированных по диагонали относительно продольного направления L и направления T по толщине, этот вариант демонстрирует разные механические свойства, включая повышенную прочность на срез относительно варианта конструкции, показанного на фиг.1 и 2.
Хотя для сотовой конструкции, более стойкой к напряжениям среза, обеспечиваются волокна слоев 82 и 84 ткани, выполненные на основе полиакрилонитрила и имеющие ориентацию плюс и минус 45o, согласно настоящему изобретению возможны и другие углеродные ткани на основе полиакрилонитрила, имеющие иные ориентации волокон. Например, для обеспечения многообразия разных сочетаний конструктивной прочности возможен плюсовой и/или минусовой угловой диапазон от 0o до 90o.
Характеристики вариантов осуществления конструкции, показанных на фиг. 8-10, в отношении переноса тепла могут сходным образом изменяться путем использования однонаправленных волокон совместно с углеродными волокнами на основе пека, однонаправленно ориентированными в других направлениях. Например, посредством создания ткани с волокнами на основе пека, ориентированными таким образом, как показано на фиг.4, перенос тепла через сотовую конструкцию будет доведен до максимума в направлении L.
Поскольку в слое ткани, содержащем углеродные волокна на основе полиакрилонитрила, углеродные волокна на основе пека не образованы за одно целое, возможно определенное количество разных ориентаций волокон на основе пека по отношению к волокнам на основе полиакрилонитрила. Соответственно, сотовая конструкция может быть образована так, чтобы она имела термомеханические свойства, обеспеченные таким образом, чтобы они соответствовали заданным характерным нагружениям рабочей зоны, при этом каждый случай применения определяет количество слоев, составляющие и ориентацию каждого слоя, а также расположение каждого слоя относительно других слоев.
В тех случаях применения, когда сотовая конструкция предпочтительно представляет собой по существу непористую конструкцию, непористый неметаллический слой 102 может быть наложен на наружную поверхность каждой ленты сотовой конструкции перед отверждением и формовкой, что наилучшим образом показано на фиг. 11. Предпочтительная наружная слоистая структура состоит из мата, содержащего беспорядочно ориентированные углеродные волокна на основе полиакрилонитрила, имеющие низкую удельную теплопроводность. При пропитке мата отверждающимся связующим и отверждении мат из углеродных волокон выполняется по существу непористым, тем самым обеспечивая фактически непористую сотовую конструкцию. Другие неметаллические, непористые наружные слоистые структуры, которые могут быть использованы согласно настоящему изобретению, хорошо известны в этой отрасли и включают в себя полимерные пленки и сухие волоконные маты.
Ниже приведены примеры практического осуществления изобретения.
Пример 1.
Была изготовлена сотовая конструкция, имеющая стенки со структурой ткацкого плетения, показанной на фиг.1. Ткань имела характеристики, указанные в таблице 1.
Полиакрилонитриловые волокна Т300 были получены от Toray. Ткань была пропитана составляющей по весу 35 процентов смолой на основе полиаминовой кислоты и преобразована в сотовую конструкцию, показанную на фиг.1, посредством использования обычной технологии изготовления. Полученная сотовая конструкция содержала составлявшее по весу 36 процентов углеродное волокно (P120) на основе пека и имела удельную теплопроводность, которая была значительно выше в направлении T, чем в идентичной сотовой конструкции, изготовленной без волокон P120. Конструктивная прочность сотовой конструкции, изготовленной с применением волокон P120, была эквивалентна конструктивной прочности идентичной сотовой конструкции, изготовленной без волокон P120.
Пример 2.
Сотовая конструкция, имеющая стенки со структурой ткацкого плетения, показанной на фиг. 5, была изготовлена с использованием тех же самых ткани и смолы, которые были использованы в примере 1. Полученная сотовая конструкция имела удельную теплопроводность, которая была значительно больше в направлении T и L, чем у идентичной сотовой конструкции, изготовленной без внедрения углеродных волокон на основе пека, идущих под углом плюс и минус 45 . Конструктивная прочность сотовой конструкции с волокнами на основе пека была эквивалентна идентичной сотовой конструкции без волокон на основе пека.
Пример 3.
Сотовая конструкция, имеющая конфигурацию, показанную на фиг.7, была изготовлена согласно такому же процессу, который был использован в примере 1. Слой ткани, который был использован для образования плоского упрочняющего слоя (72 на фиг.7), имел характеристику, указанную в таблице 2.
Ткань, использовавшаяся для образования стенок сотовой конструкции, включала в себя полиакрилонитрил Styll 282, Т300-3К с составляющими по весу 10 процентов углеродными волокнами P120 на основе пека. Полученная сотовая конструкция имела удельную теплопроводность, которая была значительно выше, чем у идентичной сотовой конструкции, изготовленной без введения в ее состав углеродных волокон на основе пека.
При наличии описанных таким образом иллюстративных вариантов осуществления настоящего изобретения квалифицированными специалистами в этой отрасли будет отмечено, что в пределах раскрытого содержания представлены лишь примеры и что в объеме настоящего изобретения могут быть выполнены иные варианты, изменения и переделки. Следовательно настоящее изобретение не ограничено представленными здесь характерными вариантами осуществления конструкции, а ограничено лишь приведенными ниже пунктами формулы изобретения.
Формула изобретения: 1. Неметаллическая сотовая конструкция высокой теплопроводности, содержащая множество взаимосвязанных стенок, образующих множество взаимосвязанных ячеек сотовой конструкции, имеющих продольное направление, проходящее перпендикулярно к стенкам ячеек, и направление по толщине, проходящее параллельно стенкам ячеек, причем стенки ячеек имеют по крайней мере два слоя ткани, состоящих из неметаллических волокон, внедренных в отверждающее связующее, отличающаяся тем, что первый слой ткани имеет удельную теплопроводность от 200 до 1200 Вт/м · град.К, а второй слой имеет удельную теплопроводность не более 100 Вт/м · град.К, при этом волокна первого слоя ориентированы с возможностью обеспечения контролируемого направленного переноса тепла.
2. Сотовая конструкция по п.1, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит третий слой ткани, по существу состоящий из неметаллических волокон, имеющих удельную теплопроводность не более 100 Вт/м · град.К, при этом волокна этого слоя внедрены в отверждающееся связующее.
3. Сотовая конструкция по п.2, отличающаяся тем, что волокна второго слоя ткани проходят под углом к продольному направлению и направлению по толщине, а волокна третьего слоя ткани проходят под углом к продольному направлению и направлению по толщине.
4. Сотовая конструкция по п.3, отличающаяся тем, что волокна первого слоя ткани проходят в направлении по толщине.
5. Сотовая конструкция по п.4, отличающаяся тем, что волокна второго слоя проходят под углом 45o к продольному направлению и направлению по толщине, а волокна третьего слоя ткани проходят под углом -45o к продольному направлению и направлению по толщине.
6. Сотовая конструкция по п.1, отличающаяся тем, что волокна с теплопроводностью от 200 до 1200 Вт/м · град.К, по существу, состоят из углерода на основе пека.
7. Сотовая конструкция по п.1, отличающаяся тем, что волокна с удельной теплопроводностью не более 100 Вт/м · град.К выбраны из группы, содержащей углеродные волокна на основе полиакрилонитрила, стекловолокна, полиарамидные волокна и керамические волокна.
8. Сотовая конструкция по п.7, отличающаяся тем, что волокна с удельной теплопроводностью не более 100 Вт/м · град.К, по существу, состоят из углерода на основе полиакрилонитрила.
9. Сотовая конструкция по п.1, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит средство для контроля пористости сотовой конструкции.
10. Сотовая конструкция по п.9, отличающаяся тем, что средство контроля пористости содержит фактически непористый неметаллический слой, образованный на наружной части стенок ячеек.
11. Сотовая конструкция по п.1, отличающаяся тем, что фактически непористый неметаллический слой содержит множество ориентированных по многим направлениям волокон с удельной теплопроводностью не более 100 Вт/м · град.К, внедренных в отверждающее связующее.
12. Сотовая конструкция по п.11, отличающаяся тем, что фактически непористый неметаллический слой содержит множество беспорядочно ориентированных неметаллических волокон с удельной теплопроводностью не более 100 Вт/м · град.К.
13. Неметаллическая сотовая конструкция высокой теплопроводности, содержащая множество взаимосвязанных стенок, образующих множество взаимосвязанных ячеек сотовой конструкции, имеющих продольное направление, проходящее перпендикулярно к стенкам ячеек, и направление по толщине, проходящее параллельно стенкам ячеек, причем стенки ячеек имеют по крайней мере два слоя ткани, состоящих из неметаллических волокон, внедренных в отверждающее связующее, отличающаяся тем, что первый и второй слои ткани представляют собой однонаправленные слои волокон.
14. Сотовая конструкция по п.13, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит третий слой ткани, представляющий собой однонаправленный слой ориентированных неметаллических волокон, имеющих удельную теплопроводность не более 100 Вт/м · град.К, при этом третий слой ткани внедрен в отверждающее связующее.
15. Сотовая конструкция по п.14, отличающаяся тем, что волокна второго однонаправленного слоя ткани проходят под первым углом к направлению по толщине, а волокна третьего однонаправленного слоя ткани проходят под вторым углом к направлению по толщине.
16. Сотовая конструкция по п.15, отличающаяся тем, что волокна первого слоя ткани проходят в направлении по толщине.
17. Сотовая конструкция по п.16, отличающаяся тем, что волокна второго однонаправленного слоя ткани проходят под углом 45o к направлению по толщине, а волокна третьего однонаправленного слоя ткани проходят под углом -45o по толщине.
18. Сотовая конструкция по п.13, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит средство для контроля пористости сотовой конструкции.
19. Сотовая конструкция по п.18, отличающаяся тем, что средство контроля пористости содержит фактически непористый неметаллический слой, образованный на наружной части упомянутых ячеек.
20. Сотовая конструкция по п.19, отличающаяся тем, что фактически непористый, неметаллический слой содержит множество ориентированных по многим направлениям волокон с удельной теплопроводностью не более 100 Вт/м · град. К, внедренных в отверждающееся связующее.
21. Сотовая конструкция по п.20, отличающаяся тем, что фактически непористый неметаллический слой содержит множество беспорядочно ориентированных неметаллических волокон с удельной теплопроводностью не более 100 Вт/м · град.К.
22. Неметаллическая сотовая конструкция, содержащая множество взаимосвязанных стенок, образующих множество взаимосвязанных ячеек сотовой конструкции, имеющих продольное направление, проходящее перпендикулярно по отношению к стенкам ячеек, и направление по толщине, проходящее параллельно к стенкам, причем стенки ячеек содержат множество неметаллических волокон, имеющих удельную теплопроводность не более 100 Вт/м · град.К, которые внедрены в отверждающееся связующее, отличающееся тем, что она содержит первый однонаправленный слой ткани, по существу состоящий из однонаправленных ориентированных неметаллических волокон, имеющих удельную теплопроводность не более 100 Вт/м · град.К, второй однонаправленный слой ткани, по существу состоящий из однонаправленно ориентированных неметаллических волокон, имеющих удельную теплопроводность от 200 до 1200 Вт/м · град.К.