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CN103097116B - 纤维增强复合材料模制品 - Google Patents

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CN103097116B
CN103097116B CN201180042333.5A CN201180042333A CN103097116B CN 103097116 B CN103097116 B CN 103097116B CN 201180042333 A CN201180042333 A CN 201180042333A CN 103097116 B CN103097116 B CN 103097116B
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F.拉森
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Abstract

本发明关于具有外部结构(102)和内部结构(106)的纤维增强复合材料模制品，其中所述外部结构(102)由至少一层纤维增强材料和固化的第一树脂材料形成，以及内部结构(106)由多层纤维增强材料和第二固化树脂材料形成，其中未固化的第一树脂材料的粘度低于未固化的第二树脂材料的粘度，以及其中在复合材料模制品中，两种固化的树脂材料至少部分彼此混合。本发明也关于制造这种纤维增强复合材料模制品的方法。

Description

纤维增强复合材料模制品
技术领域
本发明涉及具有外部结构和内部结构的纤维增强复合材料模制品，其中所述外部结构由至少一层纤维增强材料和固化的第一树脂材料形成，以及内部结构由多层纤维增强材料和第二固化树脂材料形成。本发明也涉及生产这种纤维增强复合材料模制品的方法。
背景技术
纤维增强塑料(FRP)是由纤维增强的聚合物基质制成的复合材料。所述纤维例如可由玻璃、碳、kevlar、芳族聚酰胺、玄武岩(矿物)制成，或者为源于有机来源如棉、大麻或亚麻，而基质的聚合物通常为环氧、乙烯基酯、热塑性或聚酯热固性塑料。FRP常用于航空航天、机动车、船舶和建筑工业中。
在与基质粘合之前，将纤维制成纤维料坯(fibre preforms)，作为预浸渍体或作为"干"纤维增强材料。
预浸渍体是用于"预浸渍的"复合纤维的术语。在预浸渍体中，纤维增强材料完全或部分地浸渍有增强树脂材料。在本申请的上下文中，预浸渍体还包含纤维增强材料，其与树脂层结合在一起，由此纤维层的外表面摸起来干燥，不含树脂浸渍或含低水平的树脂浸渍，或者基本没有粘性。预浸渍体通常采取织造或单向形式，以及已经含有一定量的基质材料或树脂材料，用于在制造过程中将它们粘合在一起并将它们与其它组件粘合。预浸渍体主要贮存在冷却区域中，因为活化最经常通过加热进行。因此，由预浸渍体制造的复合材料结构通常将需要烘箱或压热器以固化。
对于喷射应用，"干"纤维增强材料经常以片材、连续毡片或连续长丝的形式制造，主要通过织造、针织、编织和缝合的纺织品加工技术制造。
可以认为，缝合是四种主要纺织品制造技术中最简单的。基本上，缝合过程由插入携带缝合线的针通过堆叠的织物层以形成3D结构组成。对于预浸渍体材料，缝合通常不是必需的，因为它已经含有一定量的基质材料，用于在制造中将它们粘合在一起和与其它组件粘合在一起。多轴预浸渍体是缝合的，然而，单向预浸渍体材料通常是不缝合的。
然后将这种纤维增强材料和聚合物材料(或预浸渍体，分别地)通过模制形成最终形状。存在两种不同的使用FRP塑料的模制方法的主要类别，即，复合模制和湿模制。复合模制使用预浸渍体，即，将预浸渍体的片材或堆叠物以不同的方式加热或压缩，以形成几何形状。湿模制在模制过程中将纤维增强物和聚合物基质组合。
当然，存在更多的模制方法类别。
对于气囊模制(bladder moulding)，将单个预浸渍体材料片材铺叠并与气球状气囊一起置于阴型模具(female-style mould)中。将模具关闭，置于加热的压机中并对气囊加压，从而依靠模具壁挤压材料层。然后将材料固化并从热模具移出。气囊模制是密闭模制法，具有15–60分钟的相对短的固化周期。
压缩模制包括：将SMC、BMC或有时是预浸渍体织物的"料坯"或"进料"置于模具腔中。封闭模具，将材料压实并通过压力和热固化。
压热器/真空袋模制是指将单个预浸渍体材料片材铺叠并置于敞开模具中。用剥离膜、排气/呼吸材料(bleeder/breather material)和真空袋覆盖材料。一方面抽真空，并可将整个模具另外置于压热器中。使用连续真空固化材料，从层合物中抽取残存气体。这在航空航天工业中是非常常用的方法，因为由于长的缓慢的固化周期，它对模制过程提供精确控制。这种精确控制得到需要的精确的层合物几何形式以确保强度和安全。
芯棒缠绕是另一种可行方式，其中将预浸渍体材料片材围绕钢或铝芯棒缠绕。将预浸渍体材料通过尼龙或聚丙烯透明胶布(cellotape)压紧，通常通过悬挂在烘箱中分批固化(batch cured)部件。在固化后，除去透明胶布和芯棒，留下由FRP材料制成的中空管。
通过湿铺叠，将纤维增强织物置于敞开式模具中，然后通过将聚合物基质材料倾倒在织物上并使聚合物基质材料浸入织物和模具中，用聚合物基质材料浸透。然后留下模具，由此树脂将固化，通常在室温，但是有时使用热以确保适合的固化过程。玻璃纤维最常用于这种方法，结果广泛地被称为玻璃丝，并用于制造普通产品如滑雪板(skis)、划艇(canoes)、皮船(kayaks)和冲浪板(surf boards)。
具有更有限用途的其它方法是短切枪(chopper guns)、长丝卷绕(filamentwinding)和拉挤成型(pultrusion)。
特别感兴趣的是RTM&VARTM，也称为灌输技术(infusion technique)。这里，将织物置于模具中，然后向模具中注射容易流动的树脂。在RTM(树脂转移模制)方法中，通常将树脂加压并挤压至在真空下的腔中，而对于VARTM(真空辅助树脂转移模制)方法，将树脂完全拉至在真空下的腔中。后一模制方法允许精确公差和详细成形，但是有时可能不能完全浸透织物，从而在最终形状中导致弱点。液体树脂膜灌输(LRI)是另一种技术，其使用树脂膜灌输增强层。将膜加热，液化并由此渗透增强层的纤维。
纤维增强塑料组件通常具有薄的"壳"构造，有时在内侧上填充有结构泡沫体，如在冲浪板的情况中。所述组件可具有几乎任意形状，仅被用于制造壳的模具的复杂性和公差限制。先进制造技术如预浸渍体和纤维粗纱使用纤维增强塑料扩展了可能的应用和拉伸强度。
FRP的使用在风轮机设计中特别令人感兴趣，但是不限于此。
新一代风轮机设计正将电力产生从单兆瓦范围向上推进至10兆瓦范围，不久之后甚至更大。这些较大容量设计的普遍趋势是越来越大的涡轮叶片。目前生产的风轮机叶片以高达125米的直径制造，原型为150-200米。
在设计较大的叶片系统时最重要的目标之一是保持叶片重量可控。由于叶片质量根据涡轮半径的立方调整，对于具有较大叶片的系统，重力导致的载荷变为限制性设计因素。
在40-50米范围内的叶片的目前的制造方法涉及多种被证明的玻璃丝复合材料制造技术。一些制造使用灌输方法进行叶片制造，其它的使用这种技术的变型，一些在环氧基质中与玻璃丝一起包含碳和木材。可选方式也包括预浸渍体玻璃丝和真空辅助的树脂转移模制。基本上，这些可选方式中的每个是相同方案的变型，该方案为：通过具有不同复杂性的各种方法构造玻璃丝增强的聚合物复合材料。对于更简单的敞开模具的湿系统，也许最大的问题是与释放至大气中的挥发性有机物相关的排放。通过包含全部反应气体，预浸渍材料和树脂灌输技术避免了挥发物的释放。然而，这些包含方法具有它们自己的挑战，即，结构组件所需的厚层合物的生产变得更加困难。因为料坯树脂渗透性规定最大层合物厚度，需要排气以消除空隙和确保适当的树脂分布。解决方案例如示于WO 2008/119941 A1，其披露了制造纤维增强的复合材料组件的方法，所述纤维增强的复合材料组件具有外表面涂层以提供美学和保护性修饰。将表面层置于模具中，并将包含结构化干织物增强物的结构层置于表面层上。可在表面层的纤维增强材料的至少一个层中或与表面层的纤维增强材料的至少一个层相邻地提供预浸渍体层。预浸渍体层在第三树脂材料层中包含单向纤维。在共同的步骤中将表面层和纤维增强材料的至少一个层置于模具表面的一部分上。将表面层和纤维增强材料的至少一个层的不同的树脂材料在固化步骤中至少部分地同时固化。假定在排空期间，干织物提供空气流动的路径，并且，一旦施加热和压力，树脂可流至干区域中，从而导致彻底浸渍的层合物结构。
基于环氧化物的复合材料是风轮机制造者最感兴趣的，因为与其它树脂系统相比，它们提供环境、制造和成本优势的重要组合。通过允许较短的固化周期、增加的耐久性和改善的表面修饰，环氧化物也改善风轮机叶片复合材料制造。与湿铺叠系统相比，通过减少加工周期并因此减少制造时间，预浸渍体操作进一步改进具有成本效益的操作。由于涡轮叶片约为60米以上，灌输技术正变得更加流行，因为与树脂固化时间相比，传统树脂转移模制注射时间太长，因此限制层合物厚度。注射迫使树脂通过较厚的层堆叠物，由此在胶凝发生之前将树脂沉积在层合物结构中。已经发展了专门的环氧树脂以定制寿命和粘度，以在注射应用中调节树脂性能。
近来，对于减少重量和提高刚度，碳纤维增强的载重的晶石(carbonfiber-reinforced load-bearing spars)也被确定为具有成本效益的方式。据估计，与100%玻璃丝设计相比，碳纤维在60米涡轮叶片中的使用中，在总叶片质量方面导致38%减少以及在成本方面导致14%减少。碳纤维的使用具有减少玻璃丝层合物部分的厚度的额外益处，进一步解决与厚铺叠部分的树脂湿润相关的问题。
美国专利申请US 2009/008836 A1披露了制造接合在一起的纤维复合材料组件的方法，所述纤维复合材料组件具有互相相邻但是以不同方式构造的两个区域。第一区域由料坯制备，而第二区域由预浸渍体制备。这两个区域具有包埋在聚合物基质中的增强纤维，以及在它们之间设置过渡膜。过渡膜是真空致密的(vaccumtight)并且在空间上分离两个区域，但是通过热处理过程，与两个区域的基质永久粘合。该专利申请宣称以下益处：两个区域可在不同的场所在不同的时间制备。然而，必须假定两个区域使用不同的树脂。因此，需要转移膜，其允许将不同强度的真空施加至两个区域，这也暗示需要两个真空袋。
US 7,419,627 B2一般地涉及复合材料构建领域，具体地涉及共固化树脂真空辅助转移模制制造方法。
GB 2,351,937 B披露了制造纤维增强塑料组件的方法。将组件的一部分作为预浸渍体半完成品预制，而其它部分作为纺织品半完成品预制，所述纺织品半完成品由碳、玻璃或芳族聚酰胺纤维制成，并通过缝纫、刺绣、编织或织造预制。将树脂膜施用至纺织品，其在固化设备中与预浸渍体产品放置在一起。将预浸渍体和纺织品排空并固化在一起。
上述的文献WO 2008/119941 A1原则上披露了预浸渍体层与干织物增强物的组合，但是如上所述，这些层交替存在，并且承重内部结构(loadcarrying inner structure)至少部分地由干织物增强物构建，尽管它具有缺点。
特别地，通过灌输技术制造风轮机叶片涉及大量问题。
第一个问题涉及通过灌输技术制造的叶片的内部结构的相当差的质量和差的再现性。这导致灌输的内部结构的相当差的机械性质。
第二个问题涉及以下事实：用于内部结构的干缝合单向材料(下文称为'UD')的灌输事实上是使用灌输技术的叶片制造方法的生产量的瓶颈。
第三个问题涉及在制造包括两个工艺步骤的情况中(例如，如果叶片的内部和外部结构单独制造)的制造时间和叶片制造的高成本。
当在风轮机叶片的制造中使用两个制造步骤时，长的制造时间对于大部件而言是必需的，两个模具而非一个模具是必需的，额外的模具具有增加的资本成本并涉及高能量和人工成本。
当内部结构通过灌输技术制造时，也发现以下问题：
作为灌输技术的固有性质，树脂含量控制差，需要长灌输时间，尤其是对于内部结构的长和厚的UD堆叠物，发生灌输部件的树脂含量的高变化，从而导致最终叶片重量的偏离。而且，由于灌输区域的低真空导致在灌输部件中存在低致密性，在内部结构中树脂浸渍的控制差，从而产生潜在的干点，特别是在难以视觉检测的厚部件中。上述因素暗示应用相当的高安全因素导致增加的叶片重量(和材料成本)。
以手工方式干缝合的UD层片的铺叠(常用于制造灌输的内部结构)不允许粗纱、丝束或层片的张力的任何控制。在多层片铺叠中，这种影响将不可避免地导致错位、褶皱和折叠，降低用于今天的大结构/叶片的厚铺叠物的机械性质(尤其是压缩和疲劳性能)。在碳UD的具体情况中，这些问题甚至更加严重。
发明内容
本发明目的在于消除和/或减轻上述问题和/或一般地提供改善。
根据本发明，提供如所附权利要求任一项中所定义的模制品和方法。
本发明的一个目的是克服上述现有技术的缺点和提供具有外部结构和内部结构的纤维增强复合材料模制品，其中所述外部结构由至少一层纤维增强材料和固化的第一树脂材料形成，以及内部结构由多层纤维增强材料和第二固化树脂材料形成。根据本发明，这因为以下原因实现：未固化的第一树脂材料的粘度低于未固化的第二树脂材料的粘度，以及在复合材料模制品中，两种固化的树脂材料至少部分地与彼此混合。换句话说，根据本发明，外部结构(其通常提供美学和保护功能)通过灌输技术，使用具有良好流动性的树脂制造，以及内部的承重结构由预浸渍体(即，优选地，浸渍有第二树脂的UD层)叠加(build up)。由于这种独特的叠加，不需要树脂流动至内部结构的干区中，因为在内部结构中没有干区，内部结构由预浸渍体构成。使用UD预浸渍体代替缝合并灌输的UD避免纤维的褶皱，因此与缝合并灌输的UD材料相比，内部结构的机械性能好得多。另外并且与内部结构相邻或在内部结构中，可包含其它承重元件和/或防屈曲结构和元件，例如，由泡沫体、木材、轻质金属或复合材料制成的元件。
具体实施方式
在本申请的上下文中，术语外部结构和内部结构仅区分模制品、组合件或叠加物的一部分与模制品的另一部分。优选地，在模制品内部上的模制品部分是内部结构，而模制品内部上不存在的部分是外部结构，因为它接近于或形成模制部件外部的部分。内部结构可包含核心材料或核心结构。核心材料可承重。核心材料可为树脂非渗透性的。核心材料可包括泡沫体或木材。
根据本发明的优选实施方式，外部结构另外包括层间流动介质。层间流动介质适合于在加工期间从模制品除去空气和挥发物，和接收第一树脂以浸渍层间流动介质。层间流动介质可为空气和树脂渗透性的。
这种层间流动介质优选位于待模制的整个结构的下侧上并帮助用第一树脂材料彻底灌输外部结构。它可通过多种装置形成，例如熔栅(grid)、连续、切断制成的纤维毡，以在一个或多个形成外部结构的纤维增强材料层中提供通道。层间流动介质的目标是在流动关键区域中提供树脂(用于外部结构的低粘度树脂)的最佳流动，从而在外部结构的纤维增强材料的干层中避免可能的空气滞留并在第一树脂的灌输期间提供空气逃脱。
本发明的另一优选实施方式的特征在于未固化的第一树脂材料的粘度为0.14-0.4Pa.s，以及未固化的第二树脂材料的粘度为0.7×104-8×105Pa.s，均在25°C测量。更具体地，第一(灌输)树脂的初始混合粘度在25°C在0.14(超低粘度树脂)和0.4Pa.s之间变化，这种树脂立刻开始固化，以及在25°C4小时后，粘度为约6-10Pa.s。用于预浸渍体的第二树脂的粘度取决于需要的具体预浸渍体，以及，对于一些应用，可在25°C在0.7×104和8×105Pa.s之间变化。用于预浸渍体的树脂是粘度为2.2-6.5×104的M9.6F(来自Hexcel，AT)和粘度为0.9-1.9×105Pa.s的M9.6LT(也来自Hexcel，AT)。例如，对于灌输树脂，重要的是以低粘度工作，以实现彻底灌输，在预浸渍体的情况中，从实际的角度来看，低粘着性是重要的。这种低粘着性可使用高粘度树脂(M9.6LT或可能更好的M19.6LT树脂，具有相同粘度但是较低反应性，均来自Hexcel AT)或者例如使用预浸渍体(M9.6F或较好的M19.6树脂，具有相同粘度但是较低反应性，均来自Hexcel AT)实现，中间具有一些干纤维网(fleece)，从而得到摸起来干燥的预浸渍体，使铺叠容易并使空气逃脱以实现具有低多孔性的铺叠。而且，例如，M19.8(来自Hexcel AT)具有超高粘度(4-8×105Pa.s)并应具有甚至更低的反应性。关于在灌输树脂和预浸渍体树脂之间的相互作用，另一重要之处是在两种树脂(预浸渍体树脂和灌输树脂)之间的相容性。优选地，在两种情况中，使用环氧树脂，其为化学可相容的。在预浸渍体树脂的情况中，应选择低反应性树脂，尤其是如果固化周期将在灌输模具中进行的话，以避免在模具表面处的高温。
优选地，外部结构包含至少一个缝合或粘合的纤维增强材料层。通过这种缝合或粘合的纤维增强材料层保护外部结构，使得当可在外部结构中使用UD材料时，将纤维增强材料的纤维在用第一树脂灌输之前安全地保持在一起。
根据本发明的另一优选实施方式，内部结构由未缝合的、未粘合的或非织造的由预浸渍体制造的纤维增强材料层构成。与其它已知技术如使用缝合的、粘合的或织造的织物的灌输相比，通过使用预浸渍体，预浸渍体保护增强的机械性质，这是由于从纤维的树脂固化单独得到的整齐平坦的和均匀的纤维排列，即，不需要缝合、粘合或织造技术。使用本发明，通过组合预浸渍体和灌输技术，可在一个步骤中和在一个模具中制作长尺度的复合材料部件，例如风力发电叶片。使用这种构思，内部结构将使用预浸渍体制造以及外部结构通过使用灌输技术制造。两种结构将在相同模具中生产并在一个步骤中固化。
使用本发明技术制造长尺度复合材料部件将导致模制时间、能量成本和资金成本的节省(迄今为止，内部结构和外部结构在单独的模具中制造)。与灌输的复合材料部件相比，用于外部结构的灌输与用于内部结构的预浸渍体的组合使用将充分利用预浸渍体材料的益处，包括：
·树脂含量的优异控制，从而导致改善的复合材料部件重量一致性，
·内部结构的制造工艺的优异再现性，
·内部的承重结构的一致的高质量水平，
·碳UD向内部结构中的引入可以以与玻璃UD相同的质量水平容易地进行，
·在内部结构中仅使用预浸渍体将确保恒定和受控的树脂含量和树脂分布，
·预浸渍体的使用确保所有纤维将被浸渍，
·它在内部结构中导致机械益处，这种益处源于在预浸渍体中使用的拉伸的非缝合的纤维，
·而且，确保在厚的内部结构铺叠物的叠加期间的定位和通过粘着性巩固该定位，
·通常，得到较好的机械性能，尤其是关于压缩强度、ILS和疲劳性能，
·存在使UD内部层片铺叠和定位自动化的可能性，由此避免手工方法的失败风险。
当使用本发明技术时，也不需要预固结时间。预浸渍体的"共-灌输"，即，同时使用用于外部结构的灌输技术和用于内部结构的预浸渍体技术(尤其是对于长尺度的复合材料部件而言)，将导致显著减少的灌输过程时间，从而导致较高的模制产量。
通过组合使用用于内部结构的预浸渍体和用于外部结构的灌输技术，解决了问题，特别是在制造风轮机长叶片中当内部结构和外部结构均灌输时发生的问题。这涉及因内部结构的灌输和缝合所导致的纤维排列(当使用灌输技术时，其是大问题)等，并且与本发明相比，导致灌输的内部结构具有差的机械性能。而且，使用本发明，也更容易控制放热，例如，通过使用"低放热"预浸渍体，并因此也更容易控制生产整个结构的时间。结果，本发明也用于改善再现性和质量控制。
本发明的另一目的是提供生产上述纤维增强复合材料模制品的方法，这种方法包括以下步骤：
·将至少一个纤维增强材料层置于模具表面上以形成至少部分的外部结构，
·将多个浸渍有第二树脂材料的预浸渍体层置于至少部分的外部结构上以形成内部结构，
·用至少一个纤维增强材料层覆盖多个预浸渍体层已完成外部结构，
·将减压施用至组合件，
·在减压下，将可流动的第一树脂材料灌输至叠加物中，以及
·同时固化第一和第二树脂材料。
本发明方法容易实施并给予快速灌输和彻底浸渍整个结构的益处。第一树脂材料(其用于灌输)不必走很长的路到达模制材料的内部结构(如在现有技术的实施方式中)，灌输发生在外部结构中。内部结构由已知的预浸渍体本身组成，不需要另外供应树脂以在内部结构上提供完全浸渍。将预浸渍体彼此铺叠，利用树脂粘着性固定预浸渍体的位置。预浸渍体也或多或少地类似于刚性片材，其一旦定位，经树脂粘着性固定整齐的层片和纤维的位置/取向，即，预浸渍体在定位后和在真空施加期间充分固定，并因此在内部结构的承重叠加中避免折叠和褶皱。由于核心形成整个模制品的承重部件，尤其重要的是，核心在结构中没有空隙。树脂材料应彼此相容，预浸渍体树脂通常为慢性树脂，而灌输树脂快速反应。可使用所有常规类型的树脂或树脂组合，然而，由于它们混合，它们应相容。
优选地，所述方法另外包括以下步骤：在外部结构的叠加期间施用层间流动介质。通过这种介质，保护外部结构的完全灌输，这是由于它为夹带在内部结构下和在外部结构中的空气提供了容易和完全逃脱的装置。
根据本发明的一种优选实施方式，所述方法另外包括以下步骤：施用与内部结构相邻的承重核心结构。当使用本发明方法时，也可添加泡沫体(或者由轻质木材、金属、碳纤维等制造的物体)作为与预浸渍体内部结构相邻的另外的承重结构。当第一和第二树脂材料变得可流动并至少部分地与彼此混合(灌输树脂将迁移至预浸渍体树脂中)以形成纤维增强复合材料模制品内的均匀粘合基质时，这种物体在固化期间将变成内部结构的一部分。
而且，优选的是，第一和第二树脂材料在70°C-140°C的温度在100–600分钟内，尤其是在80°C-100°C的温度在120–480分钟内同时固化。这些温度和时间间隔相对于现有技术给予实质性改善，根据本发明方法的固化较快并且可在较低温度在用于灌输或预浸渍体技术的常规方法中实施。上面的固化周期兼容两种树脂材料，内部结构的预浸渍体的放热反应导致的最大温度不应超过模具表面的Tg。
本发明方法的另一优选实施方式的特征在于将浸渍外部结构所需要的第一树脂材料的80%在低于120分钟的时间内灌输。与现有技术方法相比，这又是实质性改进，外部结构的浸渍(灌输)可比以前快得多地进行。
根据本发明的另一实施方式，提供了具有外部结构和内部结构的纤维增强复合材料模制品或组合件，其中所述外部结构由至少一层纤维增强材料和第一树脂材料形成，以及内部结构由多层包含第二树脂材料的树脂浸渍纤维增强材料或预浸渍体形成，其中将所述模制品或组合件设置为通过以下方法加工：将可流动第一树脂材料灌输至模制品中并固化第一和第二树脂材料。第一和第二树脂材料优选同时固化或部分固化。
在固化之前通过流至纤维增强材料中的第一树脂灌输模制品或组合件，随后固化第一和第二树脂材料。
在灌输之前，外部结构的纤维增强材料可为干的(未浸渍)或部分地浸渍有树脂。内部结构可包含一层或多层固化的树脂浸渍纤维增强材料或固化的预浸渍体。在一种有利的实施方式中，内部结构包含与未固化的或未加工的预浸渍体材料组合的未固化的和/或部分固化的或部分加工的树脂预浸渍的纤维层(预浸渍体层)。
包含固化或部分固化的树脂浸渍纤维层的重要优点是，这降低使模制品进行固化所需要的能量输入。此外，这使得能够在模制品的固化期间较好地控制放热能量的释放，这避免需要包含多个停留阶段的固化日程，在停留阶段中温度在一段时间内保持恒定。这导致用于固化组合件或模制品的加工时间较快。
在一种优选实施方式中，在灌输期间，在完全浸渍在预浸渍体层上面的外部结构之前，首先将第一树脂材料灌输在内部结构下面的外部结构。模制品可包含承重核心结构，所述核心结构包含开孔以使得能够视觉识别在组合件中树脂的位置。
根据本发明的另一实施方式，提供了制造纤维增强复合材料模制品的方法，其包括以下步骤：
a)将至少一层纤维增强材料置于模具表面上，以形成至少部分的外部结构，
b)将多个浸渍有第二树脂材料的预浸渍体层置于至少部分的外部结构上以形成内部结构，
c)用至少一层纤维增强材料覆盖多个预浸渍体层，以完成外部结构和形成叠加物或组合件，
d)将组合件排空或者从组合件抽出气体，
e)将可流动第一树脂材料灌输或注射至组合件中，以及
f)固化第一和第二树脂材料，其中步骤e)包括第一灌输步骤和随后的第二灌输步骤，在第一灌输步骤中，在灌输在预浸渍体上面的外部结构之前，灌输在内部结构下面的外部结构。
所述方法的步骤d)也可包括向组合件施加减压的步骤。可同时固化第一树脂材料和第二树脂材料。可将树脂灌输或注射至组合件中以灌输或浸渍外部结构。
在步骤e)中的灌输之前，所述方法可包括以下步骤：提供关于叠加物的第一树脂流动点和第二树脂流动点，并在树脂流动点之间提供树脂流动限制(resin flow restriction)。树脂流动限制可由压缩元件组成，所述压缩元件在施用压缩元件的位置中阻碍树脂通过外部结构的流动。通常，由于模制品位于柔性真空室或真空袋的内部，压缩元件可由施用至在真空袋中的外部结构并在排空模制品时压在外部结构上的任何元件形成。这导致局部树脂流动限制。为控制树脂固化加工的流动，流动限制可为可移除的。
在另一实施方式中，树脂流动点关于模制品放置。树脂流动点是树脂可流出的点或树脂可流入的点。因此树脂流动点可通过排空或抽吸点形成，所述排空或抽吸点将树脂朝向树脂流动点吸入模制品中，或者通过树脂供应线路形成，所述树脂供应线路将树脂压入模制品中。优选地，树脂流动点是将空气和/或树脂吸出模制品的排空或抽吸点。流动点可为可活化的，以允许在希望时树脂流入组合件中。
在一种优选实施方式中，在步骤e)中，将第一树脂流动点活化以灌输一部分组合件，同时第二树脂流动点失活，然后活化第二树脂流动点以灌输全部组合件。当第二树脂流动点活化时，第一树脂流动点可失活。此外，当树脂到达组合件中的希望的位置时，可将树脂流动点活化和/或失活。
在另一实施方式中，所述组合件可包含承重核心结构，所述核心结构包含开孔，使得能够视觉识别树脂在组合件中的位置。
现在将通过以下实施例和附图描述本发明，然而本发明不应限于这些实施例和附图。
附图说明
在图1中，相应的参考数具有以下含义：
1)Scrimp网，
2)剥离层片，
3)双轴玻璃织物层
4)泡沫体结构
5)双轴玻璃织物层
6)入口通道
7)出口通道
8)UD预浸渍体层
图2示出根据本发明的另一实施方式的包含20个UD预浸渍体层片、泡沫体和多轴织物(3x3片)的模制品的示意图。
图3示出根据本发明的另一实施方式的模制品的示意图。
实施例
实施例1
由本发明根据以下操作制造4米长和1.9米宽的复合材料部件，并如图1和2中示意性示出。
向适当处理的铺叠台(layup table)放置两层800gsm双轴玻璃织物(例如Saertex S32EX021-00820-01270-250000)，接着，沿着双轴织物长度的中心线放置500-600mm宽的层间流动介质(例如Aerovac X.Fuse-CS200)层。然后将另一双轴玻璃织物层置于已有的层上。将超过一块的双轴玻璃织物用于每一层，通过允许相邻的织物块重叠50mm，获得1900mm的希望宽度。
沿着已有组合件长度的中心线放置20个440mm宽和4000mm-3800mm长的单向预浸渍体(例如Hexply M9.6F/32%/1600+50/G)层片，使得预浸渍体的玻璃纤维网部分面向下朝向已有的双轴玻璃织物层片。首先放置最长的预浸渍体块(例如4000mm)，然后逐渐放置较短的长度(例如下降至3800mm)，使得在预浸渍体堆叠物长度的任一端部形成斜面。
放置550mm宽和4000mm长并切割成与预浸渍体堆叠物相同高度的泡沫体核心(例如DIAB Inc.Divinylcell H80)，使其与该预浸渍体堆叠物的两个纵向侧面对接，并使得在放置时核心块的外边缘形成斜面。在图1的横截面中，仅示出右手侧的泡沫体核心。
将总共1900mm宽和4000mm长的另外三层相同的双轴织物放置在已有材料的顶部，完成本发明的总组合件。
然后通过在整个组合件上施用剥离片层、穿孔的剥离箔片和灌输网(infusion net)准备灌输组合件，然后放置需要的真空和树脂通道，然后放置配有真空口和两个树脂口的适合的真空袋。将树脂口与低粘度灌输树脂和硬化剂的混合物(例如100重量份Hexion Epikote MGS RIM135树脂和30重量份Hexion RIMH137硬化剂)连接。
然后通过施加真空，将空气从组合件排出。一旦实现希望的真空水平，将第一树脂口打开，使树脂在环境温度灌输至组合件中。在14分钟后，打开第二树脂口，进行进一步灌输。在22分钟后彻底灌输组合件，总共消耗35kg灌输树脂和硬化剂。
然后用绝缘材料覆盖组合件并将组合件设定成在90°C固化。
实施例2
4米长和1.9米宽的另一复合材料部件由本发明根据以下操作制造，并在图1和2中示意性示出。
向适当处理的铺叠台放置两层800gsm双轴玻璃织物(例如SaertexS32EX021-00820-01270-250000)，然后沿着双轴织物长度的中心线放置500mm宽的层间流动介质(例如Aerovac X.Fuse-CS200)层。然后在已有的层上放置另一层双轴玻璃织物。将超过一块的双轴玻璃织物用于每一层，通过允许相邻的织物块重叠50mm，获得1900mm的希望宽度。
沿着已有组合件长度的中心线放置20个440mm宽和4000mm-3800mm长的单向低粘着性预浸渍体(例如Hexply M9.6LT/32%/1600/G)层片。首先放置最长的预浸渍体块(例如4000mm)，然后逐渐放置较短的长度(例如下降至3800mm)，使得在预浸渍体堆叠物长度的任一端部实现斜面。
向该预浸渍体堆叠物的两个纵向侧面放置550mm宽和4000mm长并切割成与预浸渍体堆叠物相同高度的泡沫体核心(例如DIAB Inc.DivinylcellH60)，使得核心块的外边缘在放置时形成斜面。在图1的横截面中，仅示出右手侧的泡沫体核心。
将总共1900mm宽和4000mm长的另外三层相同的双轴织物放置在已有材料的顶部，完成本发明的总组合件。
然后通过在整个组合件上施用剥离片层、穿孔的剥离箔片和灌输网准备灌输组合件，然后放置需要的真空和树脂通道，然后放置配有真空口和两个树脂口的适合的真空袋。将树脂口与低粘度灌输树脂和硬化剂的混合物(例如100重量份Hexion Epikote MGS RIM135树脂和30重量份Hexion RIMH137硬化剂)连接。
然后通过施加真空，将空气从组合件排出。一旦实现希望的真空水平，将第一树脂口部分地打开，使树脂在环境温度灌输至组合件中。在15分钟后，部分地打开第二树脂口，进行进一步灌输。在21分钟后，充分打开第二树脂口，在27分钟后彻底灌输组合件，消耗31kg灌输树脂和硬化剂。然后用绝缘材料覆盖组合件并将组合件设定成在90°C固化。
仅使用LRI和干纤维制造与上面的实施例尺寸相似的部件，发现灌输耗费超过45分钟，所得层合体的质量差。由于可使用的树脂入口数目有限，减少灌输时间的尝试事实上很难，而由于反应性树脂混合物在可实现部件的彻底灌输之前达到不可接受的高粘度，通过增加灌输时间改善层合体的质量的尝试失败。
从上面的实施例清楚地看到，根据本发明可实现优于现有技术的许多益处。当使用LRI时，必须具有两个单独的工艺步骤(一个用于铺叠、灌输和固化厚的承重梁部分(load bearing spar section)以及一个用于原位铺叠、灌输和固化具有固化的承重梁的外壳部分(shell sections))，其耗时并且在固化期间需要额外的空间贮存承重梁堆叠物(load bearing spar stack)。根据现有技术的方法，在复合材料部件的核心中的承重结构包含缝合的干纤维材料，其具有上述的所有缺点，例如缺乏粗纱、丝束或层片的张力控制，从而导致错位、褶皱、折叠和机械性质降低。而且，在复合材料部件的核心中的承重结构中使用缝合的干纤维材料导致难以控制承重结构的树脂含量，尤其是对于干纤维材料的厚堆叠物，用相应的树脂材料充分浸渍核心承重结构是困难和耗时的。坏浸渍(即，在完成的承重结构中的干纤维区域)可修复，然而，这种修复是困难和昂贵的。最后，当在核心承重结构中使用干纤维材料的厚堆叠物时，灌输时间也长。
根据本发明，仅需要一个工艺步骤，该步骤组合了外部结构的灌输和固化以及内部预浸渍体结构的固化。核心承重结构由不含任何缝合的UD预浸渍体材料的堆叠物组成，通过这种相对刚性和粘着性的预浸渍体材料，可容易地避免堆叠物中的错位、褶皱和折叠并维持机械性质。自然地，树脂控制也容易，因为不需要将树脂材料平均分配至核心堆叠物中，在预浸渍体中，树脂材料已经存在并均匀分配。最后，本发明方法的灌输时间也较快，因为需要较少的树脂，该树脂也仅需要灌输组合件的外部结构，而非核心承重结构。
图3示出制造纤维增强复合材料模制品组合件100的方法。模制品组合件包含置于模具表面110上的干纤维增强材料层102，形成至少部分的外部结构。多个浸渍有第二树脂材料的预浸渍体层104位于外部结构上。用纤维增强材料102覆盖预浸渍体层104，完成外部结构。组合件或叠加物或模制品100还包含核心材料106，其位于预浸渍体层104的任一侧上。核心材料106在很大程度上不可被树脂渗透并且不允许树脂流经材料106。核心材料106在预浸渍体的一侧上包含开孔108。核心材料可通过任何适合的材料如泡沫体(例如Diab Europe提供的divinycellTM)或木材形成。
组合件100位于呈真空袋114形式的密封的排空室内。模制品组合件100还包含用于将树脂供应至模制品的树脂供应线路116、两个呈排空或抽吸点118，120形式的树脂流动点和可防止树脂流动的呈条带112形式的树脂流动限制。
在使用中，将减压施用至组合件100。这导致真空袋收缩，由此将条带112压在外部结构上，其导致树脂流动限制。通过活化第一树脂流动点118，灌输组合件100。这导致在预浸渍体层104上和在预浸渍体层104下树脂灌输外部结构。当观察到树脂流经开孔108时，也活化第二树脂流动点120，其导致树脂彻底灌输组合件100的外部结构。在此阶段，第一树脂流动点118可失活。一旦完成灌输，使第一和第二树脂材料同时固化。然后这产生包含预浸渍体材料和树脂灌输纤维材料的固化的模制品。
本申请所述的模制品和方法特别适于制造叶片如风轮机叶片，特别是叶片的外表面或外壳。在另一实施方式中，由此提供通过本申请所述的方法制造的风轮机和叶片。

Claims (11)

1.制造纤维增强复合材料模制品的方法，其包括以下步骤：
a)将至少一层纤维增强材料置于模具表面上，形成至少部分的外部结构，
b)将浸渍有第二树脂材料的包含单向纤维增强材料的多个预浸渍体层置于至少部分的所述外部结构上，形成内部结构，
c)用至少一层纤维增强材料覆盖所述多个预浸渍体层，完成所述外部结构，
d)将减压施用至所述内部结构和外部结构的组件，形成组合件，
e)在减压下，将可流动第一树脂材料灌输或注射至组合件中，以及
f)固化所述第一树脂材料和第二树脂材料，其中
在步骤e)中灌输或注射之前，所述方法包括以下步骤：对组合件提供第一树脂流动点和第二树脂流动点，并在树脂流动点之间提供树脂流动限制；和所述树脂流动限制是可去除的；
其中步骤e)包含第一灌输步骤和随后的第二灌输步骤；在第一灌输步骤中，在彻底灌输所述在预浸渍体层上面的外部结构之前，灌输所述在内部结构下面的外部结构；以及在步骤e)中，将所述第一树脂流动点活化以灌输所述组合件的一部分，同时所述第二树脂流动点失活，然后活化所述第二树脂流动点以灌注完整的组合件。
2.权利要求1的方法，其中所述第一树脂材料和第二树脂材料同时固化或部分固化。
3.权利要求1或2的方法，其中当将所述第二树脂流动点活化时，所述第一树脂流动点失活。
4.权利要求1或2的方法，其中在所述第一树脂材料在所述组合件中到达希望的位置时，将所述树脂流动点活化和/或失活。
5.权利要求1或2的方法，其中所述组合件包含承重核心结构，所述承重核心结构包含开孔，使得能够视觉识别所述第一树脂材料在组合件中的位置。
6.权利要求1或2的方法，其中所述内部结构包含承重核心结构或核心材料，所述核心材料不可被树脂材料渗透。
7.权利要求1的方法，其特征在于它另外包括以下步骤：在所述外部结构的叠加期间施用层间流动介质。
8.权利要求1的方法，其特征在于它另外包括以下步骤：施加与所述内部结构相邻的承重核心结构。
9.权利要求1的方法，其特征在于所述第一树脂材料和第二树脂材料在70℃-140℃的温度，在100–600分钟内同时固化。
10.权利要求1的方法，其特征在于所述第一树脂材料和第二树脂材料在80℃-100℃的温度，在120–480分钟内同时固化。
11.权利要求1的方法，其特征在于浸渍所述外部结构所需要的第一树脂材料的80％在少于120分钟内灌输。
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