技术领域 本发明涉及复合结构，尤其涉及能够由各种材料形成的结构，该 结构能够为该复合材料提供改进的性质和成本优势。 本发明将特别参照其应用于复合结构的制造进行描述，其中所述 复合结构可被用于汽车固定装置或配件，或者其他交通工具的固定装 置或配件的结构中。但是，应当认识到，本发明具有广泛的应用，任 何特别应用的描述都不应被考虑成任何形式的限制。因而，本发明在 结构、工业，建筑物，航空器结构和很多其他领域都有广泛应用。 背景技术 复合材料呈现出多种形态，并且通常被广泛地描述成两种或多种 不同材料的结合或混合，用以开发和利用每种材料的特性。这些特性 包括相对低的重量、耐热性、耐磨性、高强度和硬度，包括剪切、拉 伸、压缩和扭转强度，以及许多其他可能对特殊应用有用处的特性。 复合材料由多种天然和合成纤维制成，例如玻璃纤维、Kevlar(商 标)、酚醛环氧树脂、碳、芳酰亚胺、大麻、棉花和许多其他纤维，以 及树脂、各种合成塑性材料、橡胶和许多其他结构材料。 许多复合材料在目前商业上是可以得到的，包括常用的随机排列 纤维、增强型注射成型塑料，以及热压成型增强塑料。但是，这些通 常可得到的材料通常需要昂贵的加工。 在汽车工业中，例如，许多汽车零部件由模压并形成的钢板结构 形成。例如，许多座椅结构由被模压并且/或者形成为所需形状的钢板 形成，并且形成结构刚度和功能。为了能够匹配这种模压并且/或者形 成的钢结构的特性，需要利用先进的复合材料，例如使用在航空器、 航天、军事和赛车运动工业的材料。 当复合材料工业在这些领域中不受成本竞争力的限制而快速发展 时，在更加广泛的制造工业中有着不同情况，其中在成本和性能方面 存在根本的差异。然而汽车工业虽然在许多领域中包含复合材料，尤 其是在高端市场，但相对于低端的、低成本产品的折衷的强度和性能 质量，主流汽车工业主要受限于大部分高端复合材料的长生产周期时 间、高劳动力和加工成本。 高端先进的复合材料例如碳-碳复合材料，通常被用在精英汽车 运动和航天应用中，要求对利用定向织物的材料层压板进行昂贵的预 处理和粘合剂树脂的预浸渍。这些材料具有有限的保存期限，因此需 要强制执行严格的成本质量管理过程以确保最终产品的一致性和完整 性。使用这些高端材料的复合结构的制造需要劳动密集型的铺设过程 以实现所需的纤维的方向定向和复杂几何形状的优化强度。这看起来 将是传统先进复合材料制造过程中最具限制性和最费时间的属性。对 结构零件而言另一限制方面是需要昂贵的模具加工和用于固化粘合剂 材料的大型的昂贵的高压烘箱。 已经进行了很多努力来减少或消除方向控制纤维增强复合材料的 铺设过程。大部分努力已经实现了在纤维的方向性上的折衷并因此导 致了产品性能上的折衷。一些更成功的努力已经被使用在标准尺寸的 部件组件上，这些部件组件具有统一的几何形状并对于批量生产方式 更具开放性。但是，这些部件组件仍需要大量的劳动力用于最终的装 配，并且由于最终几何形状的限制而使设计的灵活性折衷。 因此，需要提供一种改进的复合结构以及制造它们的方法，这将 在广泛的应用领域中促进复合材料的使用，尤其是飞行器制造，汽车 制造和许多其他方面的应用。 还需要提供始终一致均匀的复合结构。 还需要提供一种在制造、组装和生产过程中需要最小劳动力的复 合结构。 还需要提供一种在使用中相对刚性并且坚固的复合结构。 还需要提供一种生产起来相对简单并且经济的复合结构。 还需要提供一种能够形成为具有必要的结构强度，并且具有应用 中所需的其他属性的复合结构。 还需要提供一种形成复合结构的方法，所述方法适用于生产广泛 的各种不同形状的结构。 还需要提供一种生产复合结构的方法，所述方法利用结合到结构 中的纤维的各种不同属性。 发明内容 按照本发明的一个方面提供了一种形成复合结构的方法，包括以 下步骤： 使用三维编织机编织三维预成形件，所述预成形件的形状与需要 形成的结构相当，并且使用一种或多种选择的纤维编织所述预成形件， 使编织预成形件获得三维形状， 固定该形状，以及 随后使用该固定形状来限定复合结构。 优选的，通过使用可固化的树脂浸渍或涂覆纤维并随后固化树脂 来固定形状，或者通过固化或以另外的方式固定合成纤维以形成复合 材料三维预成形件来固定形状。 根据本发明的另一方面提供一由上文描述的方法形成的复合材料 三维预成形件。 本发明还包括一通过编织复合材料纤维形成的编织三维预成形 件，所述复合材料纤维可以是被编入编织结构的天然纤维或合成纤维， 当所述编织结构膨胀或以另外方式导致其获得其三维形状时，具有要 形成的复合结构的形状。 本发明的优选实施例利用了三维编织技术，该三维编织技术使得 可以由例如上文中提及的天然和/或合成纤维编织复杂形状的预成形 件。 该优选实施例经过设计，从而编织的结构在其三维形状中形成具 有将要形成的复合结构的形状的复合材料空间框架。在编织产品中， 排列和布置纤维以利用所选纤维的独特属性。因而，纤维可被结合到 编织产品中，在一个或多个方向提供强度和/或在特定区域内提供硬 度。纤维也可以包含在编织产品中，在被加热或受到微波或其他形式 能量时固化或固定，以便保持编织产品的三维形状。 在一些优选实施例中，通过注入泡沫材料来使得编织产品获得其 三维形状，所述泡沫材料例如是聚亚安酯、聚丙烯、聚苯乙烯或任何 其他合适的合成塑料泡沫材料。泡沫材料在编织产品内部扩展并使得 编织纤维获得其编织三维形状。 在另一实施例中，通过使用气体，诸如空气或其它流体来膨胀预 成形件以使预成形件获得其三维形状。 在一些优选实施例中，通过泡沫材料注入或通过膨胀来扩展的编 织产品，被喷射或涂上树脂粘合剂，或浸泡或浸渍在树脂粘合剂中， 所述树脂粘合剂例如是聚酯或乙烯基酯树脂或任何其他合适的粘合剂 材料。 在本发明的另一形式中，形成三维编织产品(预成形件)的一种 或多种纤维是由可被用在编织产品中但可通过使用紫外光、加热、微 波或其他能量来固化、以便固化或硬化并与其他纤维粘合在一起来形 成三维复合结构的材料形成的。 在本发明的优选实施例中，在预成形件中的纤维定向是通过特别 关注于控制纤维规格、方向、密度和界面的编织设计来控制的。在成 形结构的高应力或高负载区域，编织预成形件将具有图案和厚度，并 且由适于抵抗该应力和载荷的纤维形成。编织预成形件的设计将被定 制以确保当预成形件被膨胀或注入泡沫材料时成形结构全部形状的精 确和可重复控制。通过在限定复合结构外部形状的柔性夹具或固定装 置中膨胀预成形件，在注入或膨胀阶段将有可能调整预成形件的几何 形状。如果预成形件是通过注入泡沫材料来膨胀的，那么将形成的复 合结构的外形是由在泡沫材料固化期间支撑预成形件的夹具或固定装 置来决定的。 在本发明的一优选形式中，在编织阶段引入涂覆了树脂的纤维， 采用加热的方式使纤维接合。在另一优选实施例中，向膨胀的预成形 件上喷射树脂基粘合剂材料，并允许其通过紫外光、加热或其他能量 的应用来固化或导致固化。 在更进一步的优选实施例中，成形并膨胀的预成形件被浸泡或浸 没到粘合剂树脂的溶液中。可通过应用紫外光、加热或在两部分环氧 树脂的情况下施加反应剂来固化粘合剂树脂。作为选择，树脂可以被 仅允许冷却到一设定点，在该点化学反应导致固化。 根据本发明实施例的复合结构的一特别的优点是设计的灵活性和 能获得的可能几何形状。此外，无论在用来形成编织预成形件的纤维 方面还是在粘合剂方面，本发明的实施例均可由大量不同材料制成。 为了本发明能够更容易被理解，将参照附图说明来描述实施例。 附图说明 图1示出了一种计算机设计的编织预成形件产品设计； 图2示意性示出了使用三维编织机形成编织预成形件； 图3示意性示出了预成形件的膨胀； 图4示意性示出了粘合剂的应用； 图5示意性示出了粘合剂的固化； 图6是按照本发明形成的管状结构的局部放大视图； 图7是图6中结构的横截面图；以及 图8示出了一复杂形状的复合结构的制造。 具体实施方式 参考附图的图1至图5，示出了本发明一实施例，图示为制造座 椅框架结构12。为此目的，利用计算机辅助设计(CAD)系统14产 生必要的设计参数和在三维编织机16中使用的软件。需要编织的预成 形件17的设计在CAD设计中，根据被成形结构12的编织结构、纤 维特性、应力以及负载区域被优化。这一设计也优化了纤维规格、方 向和密度以及其他一些参数，需要这些参数来确保当生产出编织的预 成形件17后，其具有所要求的三维形状(当被膨胀时)以形成座椅框 架结构12。 三维编织机是众所周知的，并且已知三维编织机能够由计算机程 序控制，以便利用选择的纤维生产出无缝的、复杂形状的三维编织产 品。在图示的特定实施例中，采用从例如诸如大麻、棉花、亚麻、黄 麻之类的天然纤维以及诸如硼化芳香族聚酰胺纤维、碳纤维、玻璃纤 维、聚合体基纤维之类的合成纤维中选择的纤维来编织预成形件17。 通过改变所使用的纤维、编织的构成、编织密度和纤维方向，能够将 多种结构特征结合到编织预成形件17中，从而在最终产品中导致在所 要求的区域内具有所必需的强度、应力和负载能力的座椅框架结构 12。 尽管编织预成形件可以无缝的单一件编织，在本发明的不同实施 例中，也可以例如在夹具或固定装置中将多个独立编织的预成形件组 装到一起，以制作复合结构。 如图2所示的编织预成形件17，通过充入气体例如空气使其膨胀 或导致其获得三维形状，如图3所示。在一可选实施例中，向预成形 件17注入可发泡的合成塑性材料，所述合成塑性材料可在预成形件 17的内部空间扩展使得该预成形件获得其编织的三维形状。在本实施 例中，保留了预成形件的泡沫材料内部以形成成形的复合座椅框架结 构12的部分。 在使用诸如空气之类的气体膨胀预成形件17的情况下，完成的座 椅框架结构12是中空的，能够接收电缆或者除了作为座椅框架外还能 当作管道使用。 然后，膨胀的或者被注入的预成形件17被浸渍粘合剂材料，所述 粘合剂材料覆盖并渗透到整个编织预成形件的织物中以浸湿并覆盖所 有的纤维。如图4示意性图示，可通过向已膨胀或被注入的编织预成 形件17喷射树脂基粘合剂材料来实现浸渍。或者，预成形件17可以 被浸入到粘合剂材料(例如树脂基粘合剂材料)的液槽中，从而使粘 合剂材料浸透整个预成形件17的编织织物。浸入或浸透可发生在预成 形件被膨胀成三维形状之前或之后。一旦被浸透，如图5所示，通过 应用紫外光、加热或者在两部分环氧粘合剂材料的情况下通过使用反 应剂，将经过涂覆和膨胀的预成形件17固化。或者，树脂粘合剂材料 可被仅仅冷却到一设定点，在该设定点允许化学反应发生并导致粘合 剂固化。 在进一步的实施例中，用在编织预成形件17中的一些纤维可以包 括涂覆了树脂的纤维，所述涂覆了树脂的纤维可与预成形件的其它纤 维结合到一起并且可固化以形成复合材料座椅框架结构12。 用于特定实施例的特定粘合剂取决于编织预成形件织物中的纤维 和纤维组合物的天然属性。合成的和天然生成的粘合剂材料都可以用 于本发明的实施例，粘合剂的特别选择要适于被构建的结构的用途。 参照图6，复合结构可以包括一个以上的中空管状元件，所述中 空管状元件具有特定形式的外部形状。如图6所示的管状元件21具有 如图7所示的椭圆形状。为了形成这种椭圆形状，编织好的预成形件 17包括多个在管状元件21的相对壁部分23之间延伸的系绳或形状限 定纤维(线)22，以便使部件21在膨胀时能够保持所需的形状。如果 没有提供这些系绳22，管状部件21将具有基本上圆形的横截面形状。 通过使用内部和外部系绳，可通过三维编织机编织出来相对复杂 的形状，所述编织机将系绳结合为编织过程的一部分。 参照图8，根据本发明的实施例形成一复杂结构26。结构26使用 外部系绳27以及位于截面芯部的内部系绳28将宽阔的三维表面与受 限的几何形状结合在一起。 在结构26的制造中，通过三维编织机16产生预成形件29，该预 成形件29处于膨胀的形式，其前后表面31和32相互隔开并通过内部 系绳28保持预定的间距。如图所示，前后壁31和32也是弯曲的，并 且通过外部系绳29保持弯曲的形状。当前后壁31和32之间的空间被 注入泡沫材料时，并且/或者当前后壁31和32被浸透或喷射树脂基/ 粘合剂材料，该树脂基/粘合剂材料随后被固化时，外部系绳27可以 从成形结构26上移除。 应当认识到，按照本发明可以在三维编织机能力范围内形成复杂 形状的结构，从而避免了需要复杂的模具和时间消耗、劳动密集的纤 维铺设和树脂浸渍。图示的实施例的方法和结构便于可重复的、大规 模生产的复合结构生产。当在成形的截面上需要抗压强度时，用于膨 胀预成形件织物的材料，例如可发泡的合成塑性材料，可被选择用于 在成形结构中提供抗压强度。膨胀或注入预成形件使其获得其形状的 特定方法，连同编织的构成、方向和张力以约束预成形件至所需几何 形状的设计创新，以及支撑结构进行固化而无需加工的方法，都增强 了本发明及其实施例的效用。 可以改变树脂浸渍、渗透和固化方法以缩短生产周期时间，进一 步增强本发明在大规模生产方面的使用。 本领域一般技术人员应当认识到，如在特定实施例中所显示，可 以对本发明作出多种改变和/或改进而不背离广泛描述的本发明的实 质或范围。因此本实施例在所有方面仅作为一个例证但不局限于此。