混合增强织物的制作方法

相关申请的交叉引用本申请要求于2018年8月21日提交的美国临时专利申请第62/720,398号的优先权和任何利益，所述美国临时专利申请的全部内容被通过引用并入本文中。本发明构思总体上涉及纤维增强材料，并且更特别地涉及包含玻璃纤维和碳纤维的混合织物。
背景技术：
：已知的是，使用玻璃纤维来增强结构构件，比如风力涡轮机叶片。同样已知的是，使用碳纤维来增强结构构件，比如风力涡轮机叶片。这些结构构件通常通过以下方式形成：将一组纤维(例如，呈织物的形式)手工铺放至模具中，用树脂填充所述模具以及使所述树脂固化以形成所述部件。玻璃纤维增强材料表现出良好的机械性能，包含强度、应变以及压缩；相对便宜；并且容易被灌注以树脂。然而，玻璃纤维增强材料的弹性模量较低，这可能带来设计缺陷。碳纤维增强材料在低密度下表现出良好的机械性能，包含刚度和拉伸强度。然而，碳纤维增强材料的应变低，抗压强度低并且相对昂贵。此外，碳纤维增强材料可能难以灌注以树脂。期望将玻璃纤维和碳纤维组合至用于在增强结构构件中使用的混合增强材料中，以便在补偿每种纤维的各自的弱点的同时利用每种纤维的各自的强度。然而，当仅仅用碳纤维束制造织物时，捆扎在一起的非常细的碳纤维导致灌注速度较差。常规的包含碳的增强织物试图通过预浸渍用来形成织物的碳纤维束来解决该问题。换句话说，在将织物放置于模具中以形成复合结构之前将树脂施加至碳纤维。在某些情况下，碳纤维束也被散布(亦即，各个碳纤维分离)以使碳纤维束的灌注速度加速。这样的“预浸渍”织物可能带来加工、存储以及处理方面的困难。鉴于上述情况，存在对包含玻璃纤维和碳纤维的混合增强织物的未满足的需求，可以以可接受的灌注速度容易地将所述混合增强织物灌注以树脂。技术实现要素：本发明总体上涉及一种包含玻璃纤维和碳纤维的混合增强织物，一种生产所述混合增强织物的方法以及一种由所述混合增强织物所形成的复合部件。在一个示例性实施例中，提供一种混合增强织物。所述混合增强织物包括沿第一方向定向的多个第一纤维；沿所述第一方向定向的多个第二纤维；沿第二方向定向的多个第三纤维；以及将所述第一纤维、所述第二纤维以及所述第三纤维维持于它们各自的取向中的缝合纱。所述第一纤维为玻璃纤维和碳纤维。所述第二纤维为碳纤维。所述第三纤维为玻璃纤维、碳纤维或者玻璃纤维和碳纤维两者。所述第一方向为0度。所述第二方向不同于所述第一方向，其中所述第二方向在0度至90度的范围内。所述第一纤维和所述第二纤维构成所述织物的91％至99.5％(重量比)。所述第三纤维构成所述织物的0.5％至9％(重量比)。在所述织物中，所述玻璃纤维构成所述织物的3％至95％(重量比)，以及所述碳纤维构成所述织物的5％至97％(重量比)。在一个示例性实施例中，所述缝合纱构成所述织物的不到3％(重量比)。在一个示例性实施例中，所述缝合纱为聚酯纱。在一个示例性实施例中，所述缝合纱具有在60dtex至250dtex的范围内的线质量密度。在一个示例性实施例中，所述缝合纱具有大于85dtex的线质量密度。在一个示例性实施例中，所述缝合纱具有大于200dtex的线质量密度。在一个示例性实施例中，所述缝合纱具有大于225dtex的线质量密度。在一个示例性实施例中，所述缝合纱形成穿过所述织物的缝合图案，所述缝合图案为经编针织物缝合图案。在一个示例性实施例中，所述缝合纱形成穿过所述织物的缝合图案，所述缝合图案为对称的双经编针织物缝合图案。在一个示例性实施例中，所述缝合纱形成穿过所述织物的缝合图案，所述缝合图案为不对称的双经编针织物缝合图案。在一个示例性实施例中，所述缝合纱形成穿过所述织物的缝合图案，所述缝合图案为对称的菱形(diamant)缝合图案。在一个示例性实施例中，所述缝合纱形成穿过所述织物的缝合图案，所述缝合图案为不对称的菱形缝合图案。在一个示例性实施例中，所述缝合纱限定在3mm至6mm之间的缝合长度。在一个示例性实施例中，所述缝合纱限定5mm的缝合长度。在一个示例性实施例中，所述缝合纱限定4mm的缝合长度。在一个示例性实施例中，所述第一纤维为玻璃纤维并且所述第三纤维为玻璃纤维，其中所述第一纤维的玻璃成分不同于所述第三纤维的玻璃成分。在一个示例性实施例中，所述混合增强织物进一步包括沿第三方向定向的多个第四纤维，其中所述第三纤维为玻璃纤维并且所述第四纤维为玻璃纤维，以及其中所述第三纤维的玻璃成分与所述第四纤维的玻璃成分相同。在一个示例性实施例中，所述第二方向的绝对值等于所述第三方向的绝对值。在一个示例性实施例中，所述第一方向与所述第二方向之间的差大于或等于45度。在一个示例性实施例中，所述第一方向与所述第二方向之间的差大于或等于80度。在一个示例性实施例中，所述第一纤维的线质量密度在600tex与4800tex之间。在一个示例性实施例中，所述第三纤维为玻璃纤维，其中所述第三纤维的线质量密度介于68tex与300tex之间。在一个示例性实施例中，从具有在6k至50k范围内的尺寸的一个或多个碳纤维束进给所述第二纤维。在一个示例性实施例中，所述第二纤维的单位面积重量在80g/m2与500g/m2之间。在一个示例性实施例中，所述第二纤维构成所述织物的7％(重量比)，其中所述织物的单位面积重量为2500g/m2。在一个示例性实施例中，所述第二纤维构成所述织物的15％(重量比)，其中所述织物的单位面积重量为1300g/m2。在一个示例性实施例中，所述第二纤维构成所述织物的15％(重量比)，其中所述织物的单位面积重量为1400g/m2。在一个示例性实施例中，所述第二纤维构成所述织物的25％(重量比)，其中所述织物的单位面积重量为1300g/m2。通常，所述混合增强织物不包含树脂，亦即，形成所述织物的纤维均未被预浸渍以树脂。在一个示例性实施例中，聚酯树脂穿过所述混合增强织物的厚度(大约30mm)具有为9分钟的灌注速率。在一种情况下，其中所述织物具有为15％的碳含量，所述灌注速率为每分钟0.41cm。在一个示例性实施例中，环氧树脂穿过所述混合增强织物的厚度(大约30mm)具有为16分钟的灌注速率。在一种情况下，其中所述织物具有为15％的碳含量，所述灌注速率为每分钟0.23cm。在一个示例性实施例中，环氧树脂穿过所述混合增强织物的厚度(大约30mm)具有为8分钟的灌注速率。在一种情况下，其中所述织物具有为7％的碳含量，所述灌注速率为每分钟0.419cm。在一个示例性实施例中，环氧树脂沿第一方向穿过所述混合增强织物具有为每分钟0.238cm至每分钟0.5cm的灌注速率。在一个示例性实施例中，聚酯树脂沿第一方向穿过所述混合增强织物具有为每分钟0.73cm的灌注速率。在一个示例性实施例中，所述织物沿垂直于所述第一方向的方向穿过所述织物具有为每分钟0.3cm的灌注速率。在一个示例性实施例中，所述织物被灌注以树脂，所述树脂被固化以形成复合制品。在一个示例性实施例中，所述制品为风力涡轮机叶片或相关的构件(例如，翼梁帽)。当根据附图阅读时，根据以下详细描述，本发明构思的其它方面、优点以及特征对于本领域技术人员而言将变得显而易见。附图说明为了更全面地理解本发明构思的性质和优点，应当参考结合附图进行的以下详细描述，其中：图1a-1d示出根据本发明的示例性实施例的混合增强织物。图1a为所述混合增强织物的顶视平面图。图1b为所述混合增强织物的底视平面图。图1c为图1a中的圆圈a的详细视图。图1d为图1b中的圆圈b的详细视图。图2a-2c示出可以在图1的混合增强织物中使用的缝合图案。图2a示出经编针织物缝合图案。图2b示出不对称的双经编针织物缝合图案。图2c示出不对称的菱形缝合图案。图3为示出用于测量织物的灌注速率的穿过厚度的灌注速度(ttis)测试的图。图4a-4b示出的测试用图为用于测量织物的灌注速率的平面内灌注测试(ipit)。图5为曲线图，所述曲线图示出为了测量所述织物的灌注速率(沿x-方向)而在两(2)种不同的织物上执行的图4的ipit测试的结果。图6为曲线图，所述曲线图示出为了测量所述织物的灌注速率(沿y-方向)而在两(2)种不同的织物上执行的图4的ipit测试的结果。具体实施方式尽管本发明构思易于以许多不同的形式实施，但是在附图中示出并且将在本文中详细地描述本发明构思的各种示例性实施例，其中应当理解的是，本公开将被认为是对本发明构思的原理的举例说明。因此，本发明构思不旨在限于本文中所示例说明的特定的实施例。除非另外定义，否则本文中所使用的术语具有与包含本发明构思的本领域普通技术人员通常所理解的相同的含义。本文中所使用的术语仅仅用于描述本发明构思的示例性实施例，并且不用来限制本发明构思。当在本发明构思和所附权利要求的描述中使用时，单数形式“一个”、“一种”以及“所述”也旨在包含复数形式，除非上下文另外明确地指出。此外，除非上下文明确地相反地指出，否则在定义范围时，术语“在…之间”也旨在包含指定的端点。已经发现的是，通过控制一个或多个特定的产品变量，包含但不一定限于玻璃含量、碳含量、玻璃-碳比、缝合纱成分、缝合图案以及缝合长度，可以生产主要由玻璃纤维和碳纤维制成的混合增强织物，所述混合增强织物为对结构构件(例如，风力涡轮机叶片)的有效增强并且表现出可接受的灌注速率。因此，本发明构思提供一种包括有玻璃纤维和碳纤维的混合增强织物。可以以可接受的灌注速度容易地灌注所述混合增强织物，而不要求用来形成所述混合增强织物的碳纤维束被散布或预浸渍以树脂。因此，本发明的织物在复合部件成形期间提供有效的一步式(亦即，在模具中)灌注工艺。本发明构思还包含一种生产所述混合增强织物的方法。本发明构思还包含由所述混合增强织物所形成的复合部件。在本发明的示例性实施例中，如图1a-1d中所示，由玻璃增强纤维102和碳增强纤维104两者构成混合增强织物。在混合增强织物100中可以使用任何合适的玻璃增强纤维102。例如，可以使用由e玻璃、h玻璃、s玻璃、ar玻璃类型所制成的纤维。在某些示例性实施例中，可以使用玄武岩纤维代替一些或所有玻璃增强纤维102。通常，玻璃增强纤维102具有在13μm至24μm的范围内的直径。通常，混合增强织物100中的玻璃增强纤维102为由许多单独的连续的玻璃丝所构成的玻璃纤维股102(从一个或多个玻璃粗纱进给)。在混合增强织物100中可以使用任何合适的碳增强纤维104。通常，碳增强纤维104具有在5μm至11μm的范围内的直径。通常，混合增强织物100中的碳增强纤维104为由许多单独的连续的碳丝所构成的碳纤维股104(从一个或多个碳纤维束进给)。混合增强织物100为非卷曲织物，其中玻璃增强纤维102、碳增强纤维104被布置于它们各自的位置/取向中，然后通过缝合纱106保持在一起。在某些实施例中，缝合纱106由聚酯制成。在某些实施例中，缝合纱106具有在60dtex与250dtex之间的线质量密度。可以使用适合于将织物100的玻璃增强纤维102、碳增强纤维104保持在一起的任何缝合图案。在图2a-2c中示出各种示例性缝合图案200。在图2a中示出经编针织物缝合图案200，其中通过缝合纱206(例如，缝合纱106)将增强纤维202(例如，玻璃增强纤维102、碳增强纤维104)保持在一起。在图2b中示出不对称的双经编针织物缝合图案200，其中通过缝合纱206(例如，缝合纱106)将增强纤维202(例如，玻璃增强纤维102、碳增强纤维104)保持在一起。在图2c中示出不对称的菱形(金刚石状)缝合图案200，其中通过缝合纱206(例如，缝合纱106)将增强纤维202(例如，玻璃增强纤维102、碳增强纤维104)保持在一起。本发明总体构思也可以包含其它缝合图案。图1c-1d示出织物100中所使用的经编针织物缝合图案。通常，缝合图案200为重复的针脚系列，其中在限定缝合长度222(参见图2a)的每个单独的针脚部分220之间具有过渡。缝合长度222为可以影响织物100的灌注速率的另一个变量。通常，缝合长度222将在3mm至6mm的范围内。在某些示例性实施例中，缝合长度222为4mm。在某些示例性实施例中，缝合长度222为5mm。混合增强织物100为单向织物，其中重量比为91％至99％的玻璃增强纤维102、碳增强纤维104沿第一方向定向，并且重量比为0.5％至9％的玻璃增强纤维102、碳增强纤维104沿一个或多个其它方向(例如，第二和第三方向)定向。通常，第一方向将为0°(织物的纵向方向)。第二方向不同于第一方向。第二方向通常将大于0°且小于或等于90°。第三方向不同于第一方向。第三方向通常将大于0°且小于或等于90°。第三方向可以与第二方向相同(以使得在织物中仅仅存在两个不同的纤维取向)。否则，第三方向通常将等于第二方向的负取向。在图1a-1d中所示的混合增强织物100中，第一方向为0°，第二方向为80°，并且第三方向为-80°。在某些示例性实施例中，沿第二方向定向的所有增强纤维为玻璃增强纤维102。在某些示例性实施例中，沿第三方向定向的所有增强纤维为玻璃增强纤维102。在某些示例性实施例中，沿第一方向定向的玻璃增强纤维102包含与沿第二方向定向的玻璃增强纤维102不同的玻璃成分。在某些示例性实施例中，沿第一方向定向的玻璃增强纤维102包含与沿第三方向定向的玻璃增强纤维102不同的玻璃成分。在某些示例性实施例中，沿第二方向定向的玻璃增强纤维102包含与沿第三方向定向的玻璃增强纤维102相同的玻璃成分。混合增强织物100包括重量比为65％至95％的玻璃增强纤维102以及重量比为5％至35％的碳增强纤维104。缝合纱106最多占织物100的3％(重量比)。沿第一方向进给的玻璃增强纤维102的线质量密度在1200tex与4800tex之间。沿非第一方向(亦即，第二/第三方向)进给的玻璃增强纤维102的线质量密度介于68tex与300tex之间。沿第一方向进给的碳增强纤维104的束尺寸在6k与50k之间。术语#k意味着碳纤维束由#x1,000个单独的碳丝制成。织物100中的碳增强纤维104的单位面积重量在80g/m2至500g/m2之间。在某些示例性实施例中，混合增强织物100具有重量比为大约7％的碳增强纤维104，其中织物100具有大约2500g/m2的单位面积重量。在某些示例性实施例中，混合增强织物100具有重量比为大约15％的碳增强纤维104，其中织物100具有大约1300g/m2的单位面积重量。在某些示例性实施例中，混合增强织物100具有重量比为大约15％的碳增强纤维104，其中织物100具有大约1400g/m2的单位面积重量。在某些示例性实施例中，混合增强织物100具有重量比为大约25％的碳增强纤维104，其中织物100具有大约1300g/m2的单位面积重量。如本领域中已知的，玻璃增强纤维102可以具有在纤维102成形期间施加于其上的化学物质。通常呈水性形式的该表面化学物质被称为上浆剂。上浆剂可以包含比如成膜剂、润滑剂、偶联剂(以促进玻璃纤维与聚合树脂之间的相容性)等等的组分，所述组分有助于玻璃纤维的成形和/或玻璃纤维在基体树脂中的使用。在某些示例性实施例中，玻璃增强纤维102包含聚酯相容的上浆剂。在某些示例性实施例中，玻璃增强纤维102包含环氧树脂相容的上浆剂。同样，如本领域中还已知的，碳增强纤维104可以具有在纤维104成形期间施加于其上的化学物质。通常呈水性形式的该表面化学物质被称为上浆剂。上浆剂可以包含比如成膜剂、润滑剂、偶联剂(以促进碳纤维与聚合树脂之间的相容性)等等组分，所述组分有助于碳纤维的成形和/或碳纤维在基体树脂中的使用。在某些示例性实施例中，碳增强纤维104包含聚酯相容的上浆剂。在某些示例性实施例中，碳增强纤维104包含环氧树脂相容的上浆剂。在某些示例性实施例中，玻璃增强纤维102和/或碳增强纤维104还可以具有施加于其的后涂层。与上浆剂不同，在纤维成形之后施加后涂层。本文中所公开的混合增强织物(例如，混合增强织物100)具有结构组分和/或性能的组合，所述结构组分和/或性能改善织物的树脂灌注速率，即使当构成织物的增强纤维未被预浸渍以树脂时。如上所述，这些组分/性能包含混合增强织物中所使用的玻璃含量、碳含量、玻璃-碳比、缝合纱成分、缝合图案以及缝合长度。用于测量织物的树脂灌注速率的一种测试被称为穿过厚度的灌注速度(ttis)测试。将参考图3解释说明ttis测试。在ttis测试300中，将待测试的织物304(例如，混合增强织物100)的多个层302放置于灌注工作台306上。通常，织物304的许多层302被用于ttis测试300。通常，层302的数量基于目标“测试厚度”。在某些示例性实施例中，目标厚度为30mm。将真空箔308放置于工作台306的顶部上的层302之上，以形成气密的外壳350(亦即，真空袋)。树脂312的供应源310位于工作台306下方或以其它方式接近工作台306，以使得树脂312可以在织物304的层302下方被抽吸至外壳350中(例如，通过工作台306的底部中的一个或多个开口(未示出))。在某些示例性实施例中，树脂312位于远离工作台306的位置，但是通过供应软管(未示出)被进给至工作台306。由箔308所形成的真空袋中的开口320与软管322接合，以使得可以使用真空源(未示出)来从外壳350抽空空气并且将树脂312抽吸穿过织物304。以这种方式，树脂312被从供应源310拉动至外壳350中(参见箭头330)；穿过织物304的层302(参见箭头332)；并且通过软管322离开开口320(参见箭头334)。给定外壳304内的织物304的层302的紧密贴合尺寸，树脂312行进的唯一路径穿过织物304的层302，亦即，穿过织物304的层302的厚度(z-方向)。ttis测试300测量直至在织物304的顶层302的上表面340上首先可见树脂312为止所花费的时间量。该时间量(例如，以分钟为单位)被用作对织物304的灌注速率的量度。只要其它测试参数大致上相同，ttis测试300就可以被用来比较不同的织物的灌注速率。另外，出于比较目的，织物应当具有相似的克重。用于测量织物的树脂灌注速率的另一种测试被称为平面内灌注测试(ipit)测试。将参考图4a-4b解释说明ipit测试。在ipit测试400中，将五(5)层待测试的织物404(例如，混合增强织物100)放置于灌注工作台406上。将真空箔408放置于工作台406的顶部上的层的边缘上，并且密封至工作台406(例如，使用胶带)以形成气密的外壳410(亦即，真空袋)。外壳410中的织物404的所有层彼此对准，以便在外壳410内面向同一方向(例如，织物404的每一层的第一取向与织物404的其它每一层的第一取向对准)。除了在织物404的相对的端附近形成的输入开口412和输出开口414之外，真空箔408(和胶带)形成气密的外壳410。树脂420的供应源邻近输入开口412或以其它方式接近输入开口412。如所构造的，树脂420可以通过输入开口412被抽吸至外壳410中。在某些示例性实施例中，树脂420位于远离工作台406的位置，但是通过与输入开口412接合的供应软管(未示出)被进给至工作台406。在外壳410的另一侧上的输出开口414与软管(未示出)接合，以使得可以使用真空源422来从外壳410抽空空气并且将树脂420抽吸穿过织物404。以这种方式，树脂420被从供应源拉动至外壳410中(参见箭头430)；穿过织物404的层(参见图4b中的箭头440)；并且通过软管离开开口414(参见箭头432)。给定外壳410内的织物404的层的紧密贴合尺寸，树脂420行进的唯一路径穿过织物404的层，亦即，穿过织物404的层的长度(x-方向，生产方向)或宽度(y-方向)，这取决于外壳410的开口412、414之间的织物404的取向。因此，仅仅织物404的层内的树脂通道被用来输送树脂420。ipit测试400测量树脂420随着时间而覆盖的距离。在2、4、6、8、10、12、16、20、26、32、38、44、50、55和60分钟之后记录树脂420的流动前沿(距离)。树脂420已经行进穿过织物404的当前距离被称为灌注长度。相对于灌注长度(例如，以厘米为单位)的所测量的时间量(例如，以分钟为单位)被用作对织物404的灌注速率的度量。只要其它测试参数大致上相同，ipit测试400就可以被用来比较不同的织物的灌注速率。另外，出于比较目的，织物应当具有相似的经线克重。示例使用ipit测试400评估两(2)种不同的织物，以测量沿x-方向和y-方向的灌注速率。第一织物仅仅包含玻璃增强纤维(亦即，无碳增强纤维)，并且用作参考织物。第二织物包含15％的碳增强纤维(并且因此包含85％的玻璃增强纤维)，并且根据本发明总体构思生产。在表1中提供对第一织物(ud1200)的测量。在表2中提供对本发明的混合织物(15％的碳含量)的测量。时间(分钟)长度(y)(cm)长度(x)(cm)26.59.547.411.068.212.388.713.3109.114.1129.414.61610.115.62010.716.52611.417.73212.218.93812.919.94413.520.85013.921.75514.222.36014.722.8表1时间(分钟)长度(y)(cm)长度(x)(cm)28.111.549.013.869.915.4810.716.91011.518.11211.919.11612.620.72013.122.12614.423.93215.225.83816.027.34416.828.85017.430.25518.031.46018.532.4表2图5为曲线图500，曲线图500示出为了测量织物的灌注速率(沿x-方向)而在两(2)种不同的织物上执行的ipit测试400的结果。第一织物502由100％的玻璃增强纤维(亦即，无碳增强纤维)制成，使用聚酯缝合纱，使用110dtex的缝合纱，并且使用5mm的缝合长度。第二织物504由85％的玻璃增强纤维和15％的碳增强纤维制成，使用聚酯缝合纱，使用220dtex的缝合纱，并且使用4mm的缝合长度。第一织物502对应于上面的表1中详述的织物，而第二织物504对应于上面的表2中详述的织物。图6为曲线图600，曲线图600示出为了测量织物的灌注速率(沿y-方向)而在两(2)种不同的织物上执行的ipit测试400的结果。第一织物602由100％的玻璃增强纤维(亦即，无碳增强纤维)制成，使用聚酯缝合纱，使用110dtex的缝合纱，并且使用5mm的缝合长度。第二织物604由85％的玻璃增强纤维和15％的碳增强纤维制成，使用聚酯缝合纱，使用220dtex的缝合纱，并且使用4mm的缝合长度。第一织物602对应于上面的表1中详述的织物，而第二织物604对应于上面的表2中详述的织物。本文中所描述的混合增强织物(例如，混合增强织物100)可以比如在模具中与树脂基质结合，以形成复合制品。可以使用任何合适的树脂体系。在某些示例性实施例中，树脂为乙烯基酯树脂。在某些示例性实施例中，树脂为聚酯树脂。在某些示例性实施例中，树脂为环氧树脂。在某些示例性实施例中，树脂包含粘度调节剂。在下面的表3中示出各种树脂体系的穿过混合增强织物的不同的实施例(例如，不同的碳含量)的灌注速率。表3可以使用任何合适的复合材料成型工艺，比如真空辅助树脂传递模塑(vartm)。通过混合增强织物来增强复合制品。在某些示例性实施例中，复合制品为风力涡轮机叶片或相关的构件(例如，翼梁帽)。本文中所公开和提出的混合增强织物可以实现改进的机械性能(与类似的仅仅玻璃织物相比)。例如，与类似的仅仅玻璃织物(例如，具有相同的克重，比如1323g/m2)相比，混合增强织物(具有15％的碳含量)可以表现出大约30％的模量改善以及在40％与50％之间的疲劳改善。已经通过示例的方式给出对具体实施例的以上描述。根据给定的公开，本领域技术人员将不仅理解本发明构思以及它们的伴随的优点，而且还将发现对所公开的结构和构思的显而易见的各种改变和修改。因此，力求涵盖落入如本文中所限定的以及由所附权利要求以及其等同形式所限定的本发明总体构思的精神和范围内的所有这样的改变和修改。当前第1页12