专利名称：具有非兼容特性的复合材料之间的连接以及制备方法
技术领域：
本发明涉及纤维增强复合材料。具体地，本发明涉及包含不同类型增强纤维的复合部件之间的永久连接。
背景技术：
当设计复合材料的结构时，在强度、重量、E模数和成本等方面最适宜的材料对于结构的所有部分来说不总是相同的。例如，在用于风轮机叶片的梁中，用于基本部分的优选材料可为玻璃纤维增强复合材料(由于其具有低成本以及有限的机械要求)，而用于承重外部部分(如凸缘)的优选材料可为碳纤维增强复合材料(由于其具有较高刚度以及低重量)。然而，例如刚度和热膨胀等物理特性是极为不同的，因此本领域中通常认为这样的部分不能被有效地连接。
发明内容
因此本发明的目的是在例如用具有不同增强纤维增强的两个复合部件之间提供有效的永久连接。
本发明的另一个目的是提供用于制备所述连接的方法。
如附图、优选实施例和权利要求中所描述和解释的那样实现本发明的上述和更多目的。
本发明所涉及的连接可提供具有基本相同特性的第一复合部件与第二复合部件之间稳定的相对固定。然而，应该理解的是，所述连接也可处于具有很不相同特性的复合部件之间。例如，由通常具有甚至大约低于零的热膨胀系数(在下文中称之为CTE)的碳纤维增强的复合材料可与由足够高CTE的玻璃纤维增强的复合材料连接在一起。
本发明涉及包含第一类型纤维和第一树脂的第一复合部件与包含第二类型纤维和第二树脂的第二复合部件之间的连接。所述连接包含具有成层结构的过渡区。“过渡区”一词在这里指的是不具有与任意一个连接的复合部件的大部分相同成分和相同结构的连接的体积。所述过渡区包括两个复合部件之间的体积并且在一些情况中还可包含一个或多个复合部件的一部分。
“第一复合部件”一词是指具有基本对应于同等分离制备的第一复合部件的结构的最终连接结构的部分，第二复合部件也是如此。因此可在形成连接之前部分地或完全地制备任何一个复合部件或者可作为制备所述连接的程序的组成部分制备复合部件。
复合部件之间的体积可任选地完全或部分地由过渡部件占据。可在建立所述连接之前制备该过渡部件，可作为建立连接或这些连接的任意组合的一部分将其直接制备在过渡区中。
在建立所述连接时，每个复合部件可被独立地未固结、预固结、部分或完全固结。同样地，在建立所述连接之前部分地或完全制备的过渡部件可在建立所述连接时被未固结、预固结、部分或完全固结。然而，在建立所述连接时所述过渡部件最好未完全固结。
可仅在一个操作中建立连接结构(即，接合)。“一个操作”一词指的是在连接于其他部分时制备出复合部件和过渡区两者，通常不需要伴随复合机构的预固结或共同固结。当不使用过渡部件时这种类型的操作是尤为有用的。
建立连接的另一种方式是连接两个部件。其示例可为将复合部件布置得相互靠近或相互接触，并且(任选地)通过“就地”制备的过渡部件建立过渡区；将被制备得例如通过具有包含的部分过渡区而用于连接的一个复合部件与(任选地)也被制备得用于连接的另一个复合部件相连接；将被制备得例如具有部分或完全组合的过渡部件的一个复合部件与(任选地)也被制备得用于连接的另一个复合部件相连接；将复合部件与过渡部件相连接并且将另一个复合部件直接制备在过渡部件上等等。
或者，可通过组合三个或多个独立部件(例如，两个复合部件与一个过渡部件、三个复合部件而没有过渡部件、三个复合部件和一个过渡部件等)而建立连接。
本发明所涉及的连接可用于沿相对于主纤维方向的任何方向(例如，边与边平行，在一定角度下(垂直或任何其他角度)、或者端部与端部平行)连接复合部件。然而，如果纤维或包含纤维的层被交错于复合部件中的话，最好，交错的纤维在相对于复合部件之间的界面成一定角度下被定向或者在相对于复合部件与过渡部件之间的界面成一定角度下被定向。这相对于平行定向将倾向于增加接触的机械强度。
术语“复合部件”一词在这里指的是各种类型的复合材料，包括固结或未固结的纤维，不管其结构是否为层状的。预成型件和预固结的预成型件-固结或未固结-是复合部件的重要子群。在一个优选实施例中，第一复合部件包含第一类型纤维和第一类型树脂，第二复合部件包含第二类型纤维和第二类型树脂。
过渡区以及过渡部件包含树脂和纤维。纤维可以任何适合的形式被提供，包括以下形式预浸料坯、半浸料坯、机织织品或无纺布、粗糙编织品、预成型件、预固结的预成型件、单根纤维或纤维组、束、束浸料坯、等。在过渡区或过渡部件的贮存(即，从制备直到树脂的凝固和/或固结前那一点)期间，树脂无需包含在包括纤维(例如，预浸料坯或半浸料坯)的层中或者包括纤维的层之间。然而，树脂应在固结之后形成连续基质。树脂无需包含在包括纤维的两个相邻层中或者之间。在一个优选实施例中，在这种情况中粘合剂可被提供在至少一些所述层对之间以便于至少临时以及至少部分地固定包含纤维的相邻层。
“预浸料坯”一词在这里指的是基本或完全浸渍的纤维、纤维束、机织织品或无纺布等的集合。“半浸料坯”一词在这里指的是部分浸渍的纤维或纤维束的集合。部分浸渍用于增强凝固和/或固结期间通过干燥纤维或沿干燥纤维的气体的去除。半浸料坯的一个示例是在上部部分中和/或在下部部分中部分浸渍的纤维层(例如，玻璃纤维或文中提及的任何其他类型纤维)。机织织品或无纺布是基本干燥的(即，未由树脂浸渍的)单根纤维或纤维束的集合。纤维束是大量单根纤维的束，例如1000、10000或100000纤维的纤维束。束浸料坯是至少局部浸渍的纤维束。
通过本发明所涉及的连接和方法连接三个或多个复合部件也在本发明的保护范围内，这是由于可将其看作是本发明所涉及的多个连接的协作。
如下所述的，可将过渡区或过渡部件制备为预成型件。预成型件是包含纤维和-除非另外指明-未固结树脂的复合材料。所述纤维最好被提供在定向纤维层(例如音根纤维或纤维组、纤维束、纤维束-浸料、预浸料坯、半浸料坯、机织织品或无纺布或粗糙编织品等)中。在一些情况中，音根纤维、纤维束、纤维束-浸料具有优越于预浸料坯的优点，这是由于音根纤维不易于受限制因此在随后的处理期间可更容易地重新排列。此外，音根纤维、纤维束、纤维束-浸料优越于预浸料坯之处在于，它们可以更大的混合和定向的自由度提供在预成型件中，价格降低了并且废料量也可降低。预成型件最好包括至少三层定向纤维。在本发明的保护范围内可使用具有较高数量的层、例如4、5、8、10、15、20、50、100或更多层的预成型件。
“纤维”一词在这里指的是具有大于10纵横比(长度/等效直径)的微粒。“等效直径”一词在这里指的是具有与微粒的横截面面积相同面积的圆的直径。然而，在一个优选实施例中，纤维为连续纤维，即，基本从预成型件或部件的一个边缘发展到另一个边缘的纤维。纤维增强复合材料的特性很大程度上取决于纤维的特性。然而，不同类型纤维的特性也显著不同。例如，碳纤维的热膨胀系数非常低，并且在一些情况下甚至是负的。第一类型纤维和第二类型纤维可为在复合部件的特性上具有影响的任何类型的纤维；然而，所述纤维最好是从由碳纤维、玻璃纤维、芳族聚酰胺纤维、合成纤维(例如，丙烯酸、聚酯、PAN、PET、PE、PP或者PBO纤维等)、生物纤维(例如，大麻纤维、黄麻纤维、纤维素纤维等)、矿物纤维(例如，RockwoolTM等)、金属纤维(例如，钢、铝、黄铜、铜等)或硼纤维或其任意组合构成的组中选择出来的。
在一个优选实施例中，第一类型纤维为碳纤维而第二类型纤维为玻璃纤维，或者第一类型纤维为玻璃纤维而第二类型纤维为碳纤维。尤为引人注意的是，用作为碳纤维的这些纤维类型连接复合材料是非常刚性和轻量的而用作为玻璃纤维的这些纤维类型连接复合材料是非常昂贵的。在另一个紧密相关的实施例中，第一类型纤维为碳纤维而第二类型纤维为玻璃纤维或者反过来第一类型纤维为玻璃纤维而第二类型纤维为碳纤维，并且第一和第二类型树脂都是环氧基的。
“碳纤维”一词在这里指的是主要成分为碳的纤维。因此，通过该定义碳纤维包括具有石墨、无定形碳或碳毫微管的纤维。因此，本定义包括例如通过聚丙烯腈方法和基于间距的方法所生产的碳纤维。
包含在过渡区和/或过渡部件和/或被连接的复合部件中的纤维可为不止一种类型纤维的混合物。例如，可使用玻璃纤维和碳纤维的组合，但是文中提及的两种或多种纤维类型的任何组合都是可行的。所述混合物可为同类的，在独立纤维层或区域中具有不同的集中度，或者在任何纤维层中具有不同的纤维集中度。纤维的混合可为有利的，由于这打开了材料特性的修整，例如，从组合的应力/成本观点方面。
用于复合部件、过渡区和任选的过渡部件的树脂可被提供为液体、半固体或固体的树脂。所述树脂可为热塑性树脂或热固性树脂，然而最好使用热固性树脂，因为化学和热稳定性以及处理的容易性。所述树脂例如可基于不饱和聚酯基、聚亚安酯基、乙烯聚合酯、环氧基、热塑性或相似化学成分的，包括所述成分的组合。在一个优选实施例中，第一类型树脂和第二类型树脂具有基本相同的成分。由于其减小了相容性问题因此这是优选的。
在本发明的一个优选实施例中，树脂为液体的并且树脂通过树脂注入法、树脂传递模塑(RTM)或真空辅助树脂传递模塑(VARTM)被引入到包含若干层包含纤维的实体(例如，纤维束或包含文中所述纤维的任何其他适合的集合)。包含纤维的所述实体例如可为过渡区、过渡部件、复合部件、或它们中一个或多个的任意组合。除包含纤维的层以外，所述实体可(或可不)还包括树脂和/或粘合剂。在一个实施例中，所述实体包括两个相邻层，所述层包含有在前述液体树脂引入到该部分中之前在所述层之间没有粘合剂或树脂的纤维。在另一个实施例中，在前述液体树脂引入到该部分中之前粘合剂和/或树脂被提供在实体中包含纤维的所有层中。
粘合剂的主要功能是在纤维被放置在粘合剂的顶部上时固定纤维。这可通过使用粘性粘合剂，从而纤维粘于粘性粘合剂上而实现。所述粘合剂可为任何粘性材料，或者为具有粘性表面的固体，所述粘合剂例如可包括聚酯、聚亚安酯、乙烯聚合酯、环氧或类似成分，或者这些成分的组合。使用任一种材料或具有包括具有粘性表面的固体材料的粘性表面的材料的组合也在本发明的保护范围内。在一个部件或过渡区中可使用不止一种类型的粘合剂。例如，使用树脂作为提供有所述树脂的纤维束层之间的粘合剂或在第一层纤维束下面使用第二种类型的树脂也在本发明的保护范围内。
在另一个优选实施例中，所述树脂为固体。包含有在纤维布置期间通过粘合剂被预先固定的若干层定向纤维束的实体，以及固体树脂系统在真空下被加热以便于制备预固结或固结的预成型件，所述预成型件可为过渡区、过渡部件或被复合部件中的部分。
在另一个优选实施例中，所述树脂为半固体并且起树脂和粘合剂两者的作用，即，在纤维布置期间，所述树脂将固定纤维，而在随后的处理期间，它用作主要材料。
树脂可包括不止一种系统，例如，树脂可包括两种系统或甚至多种系统。使用不止一种树脂系统以便于在可优化随后处理步骤的树脂的特性方面可为有利的，例如在固结程序的粘性和定时/控制方面可为有利的。这些系统可基于相同的树脂类型或不基于相同的树脂类型，然而，所述系统最好基于相同的树脂类型，例如两种或多种环氧基系统。在另一个优选实施例中，树脂类型不同但是树脂是相容的。在另一个优选实施例中，所述树脂包括两种基本为环氧基的系统。两种环氧基系统可包括共同成分。共同成分例如可为共同催化剂、共同胺成分或共同环氧成分，然而，共同成分最好为环氧成分。包括具有共同环氧成分的两种环氧基系统的一种树脂可包括第一环氧基系统的胺成分，所述胺成分将在第一较低温度下(例如低于50℃，最好大约为室温)与共同环氧成分起反应。在该第一温度下，第二环氧基系统最好不反应或者发生反应的比率非常低。由于第二环氧基系统发生反应的比率应非常低，因此由被激活之前非常稳定的催化剂进行催化是有利的。例如可通过紫外线、添加成分或通过加热执行所述激活；然而，最好通过加热激活催化剂。
所述树脂例如可作为离散点、作为试测线或组织线、连续或非连续层或者区域或其任意组合被分布。此外，树脂或其他树脂可在处理期间被注入。
除纤维和树脂以外，复合部件、过渡区域和-如果存在的话-过渡部件例如可包括一种或多种填料(例如，便宜的惰性物料)和/或溶剂和/或稀释液和/或流变剂和/或粘性调节剂。
传统上来说，在固结之前和固结期间封闭在预成型件中的气体通常是沿纤维的方向，即，在树脂层的平面中被去除的。因此，结构越大，气体所要行进以从结构中释放的距离就越长。因此气体被截留在固结结构内的危险就随着结构的尺寸而增加了。明显的是，当用单向纤维增强时伴随截留的气体出现的问题是尤为显著的。可推测出的是，这是由于纤维的非常紧密的包装而导致的，非常紧密的包装可出现在由单向纤维增强的复合材料的一些区域中。然而，与截留的气体相关的问题也可存在于其他类型的纤维定向中，例如，双轴向定向或任意定向。因此在本发明的优选实施例中，所述连接被制备以用于增强气体在基本垂直于表面的方向从所述连接中去除。这可通过在过渡区中有非连续的树脂层而实现。
“气体”一词在这里指的是被截留的大气空气以及与制备工艺相关的气体产物、副产物和原材料。
本发明所涉及的方法适合于自动化处理。例如，在生产过渡区或过渡部件时，可有利地由自动机械分配包含纤维、树脂和(任选地)粘合剂的层。在布置期间，由通过粘合剂至少部分固定的纤维推进所述自动化，这将防止或至少大大减少包含纤维的层中的干扰。此外，当粘合剂仅涂覆于过渡区或过渡部件的水平投影的选定区域时，与将树脂分布在整个水平投影上相比较节省了时间。
树脂系统可包含这样的成分，当与裸露皮肤相接触时，如果摄入或吸入的话，所述成分可能是刺激性或有害的。因此极为期望避免直接接触。由于本发明所涉及的方法尤为适合于自动化，因此本发明所涉及的产品和方法对于工作环境带来了显著改进。
图1示出了过渡区与一个复合部件之间的界面的总平面之间的角度的基本概念。
图2示出了具有宏观等级的本发明所涉及的连接的优选实施例。
图3示出了具有微观等级和微观等级层的细节的本发明所涉及的连接的优选实施例。
图4示出了具有包含纤维的交错层的本发明所涉及的连接的另一个优选实施例。
图5示出了本发明所涉及的连接的又一个优选实施例。
图6示出了具有包含纤维的交错层的连接的另一些优选实施例的草图。
图7示出了靠近于纤维端部的应力分布的草图。
具体实施例方式
所有附图都是高示意性的而不必为按比例的，而且图中只示出了用于说明本发明所必需的部分，其他部分被省略或仅提及。
在一些附图中示出了包含纤维的独立层。为了增加清楚性，所示出的层数是有限的，而在一些情况中在实际的连接和复合部件中层数可能相当大，例如为10层或100层。层之间的距离、层的厚度和角度是示意性部分的示例。
纤维增强复合材料的物理特性很大程度上由增强纤维支配。这包括例如热膨胀系数、CTE、以及弹性模数等特性。因此，当包含碳纤维的复合材料连接于由另一种类型纤维增强的复合材料时，充分的连接例如是相关的，这是由于碳纤维的CTE是非常低的并且甚至可为负的。然而，相同类型的连接可用于由另一种类型纤维增强的复合材料之间的强连接。所述纤维可为以上描述中所提及的纤维类型中的任意一种。本发明所涉及的连接例如可用于将碳纤维增强复合材料连接于玻璃纤维增强复合材料。
当在待连接的复合部件(例如，第一和第二复合部件)之间在特性方面存在明显差异时本发明所涉及的连接是最合理的。例如在复合材料的CTE中的差异可大于3×10-6℃-1或甚至大于5×10-6℃-1或者弹性模数中的差异可大于复合材料较低值的25％或者甚至大于复合材料较低值的100％。在许多情况中在特性方面具有更大差异的复合材料可通过本发明所涉及的连接进行连接。然而，当特性方面的差异较小时也可使用本发明所涉及的连接。
过渡区应具有成层结构，即，包括包含纤维的层。层数可取决于连接的设计和复合材料的尺寸和类型较大的改变。在一些情况中，仅使用很少层，例如2、3、4、6或10层而在另一些情况中需要大量层(例如20、30、50、100或更多)以获得所述连接的期望质量。在处理期间层压结构的程度通常减小。例如，过渡区或过渡部件的预固结趋向于使得所述结构同质化。过渡区的结构是层状的以便于增强纤维的控制定向，以推进复合部件之间的应力减小的最佳化以及推进生产的容易性，例如增强自动化生产的适合性。
可以任何期望的定向(例如，单向、双轴向或任意方向)在过渡区中提供纤维。然而，最好将纤维如此定向，以便于减小过渡区与复合部件之间的应力和/或减小复合部件之间的应力以及增强在使用期间经受更高应力的最终结构的区域。
在过渡区中包含纤维的所有层中纤维定向可为相同的或可为不同的；然而，在一个优选实施例中，在所有纤维层中纤维基本以相同方式定向。如果应力分析建议多轴向纤维定向的话，一个或多个纤维层例如可以与其他层不同的方式被定向。在另一个优选实施例中，包含第一类型纤维的层主要是单向的而包含第二类型纤维的层主要是双轴向的。增强在使用期间经受更高应力的最终结构的区域的另一种方式是增强所述区域中的纤维量。
所述树脂例如可作为离散点、作为试测线或有条理的线(最好与纤维定向成一定角度)、连续或非连续层或者区域或其任意组合被分布。在一个优选实施例中，气体可通过树脂的非连续层垂直于纤维的方向逸出。而且，树脂或其他树脂可在处理期间被注入。
树脂可被设在包括纤维(例如单根纤维或纤维组、纤维束、纤维束-浸料、预浸料坯、半浸料坯、机织织品或无纺布、粗糙编织品等)的两层之间。这是树脂的优选定位并且当使用该位置时，树脂最好被分布在非连续层中。然而，树脂也可被设置得仅与包含纤维的一层相接触，即，在过渡区或过渡部件的顶部或底部处相接触。在这种情况下，最好在过渡区或过渡部件的底部处提供树脂并且由于气体不必总是通过树脂层逸出因此所述树脂可被设置在连续层中。在优选实施例中，树脂仅被提供在过渡区或过渡部件的顶部和/或底部处，即，仅在包含纤维的层之间提供粘合剂。在另一个优选实施例中，树脂仅被提供在过渡区或过渡部件的底部处，即，仅在包含纤维的层之间提供粘合剂。
在一个优选实施例中，树脂被提供得用于形成非连续层，因为这有助于在随后过渡区、过渡部件或复合部件的凝固和/或固结期间气体的去除。树脂最好为半固体的并且可粘结于一层或多层的纤维和/或至少部分地固定一层或多层的纤维。在另一个优选实施例中，树脂被分布得用于形成固体或半固体颗粒的型式，并且这些颗粒例如可被喷洒在一纤维层上。或者，这些离散的树脂或粘合剂点例如可由以液体状态提供的树脂形成。液体树脂也可被提供为一条线或几条线，所述线可形成定向型式、随意型式或组合型式。还提供了非连续性树脂层作为树脂板的不同方法，树脂板中提供了多个穿通孔。如可从这些树脂型式的示例中明白的是，在不背离本发明的发明理念的前提下，本领域中普通技术人员可提供其他型式。
树脂连续层的优选实施例的示例为
-通过液体树脂的分布制备的层；-通过将树脂注入到包含纤维的层中或层之间制备的层；-用固体树脂板制备的层；-一些(但非所有)预浸料坯；等。
粘合剂应至少部分地固定与粘合剂相接触的纤维。所述粘合剂可为任何类型的粘合剂。所述粘合剂应与树脂相容，然而，最好是树脂类型的粘合剂，更好的是，在包含相容化学性的意义上来说，所述粘合剂与过渡区、过渡部件或复合部件的树脂相关。确保树脂与粘合剂之间相容性的一种方法是使用基本相同的成分。在优选实施例中，粘合剂的成分与粘合剂的成分相同。在过渡区、过渡部件或复合部件中使用不止一种类型的粘合剂在本发明的保护范围内。例如，粘合剂的一些部分可具有与树脂相同的成分，而另一些部分可具有不同的成分。
在原则上可以与树脂同样的型式提供粘合剂，然而，最好以较不密集的型式提供粘合剂以节省时间。重要的是要牢记粘合剂的目的是确保包含纤维的层被至少部分地固定以帮助纤维布置。而且，通过至少部分地将相邻纤维层彼此固定在一起，粘合剂通常将增加机械强度并且改善未固化和未固结的预成型件相对于没有粘合剂的等效结构的易操作性。确保便于纤维布置的一种方法是在纤维布置期间将粘合剂带提供得靠近于纤维层开端所处的位置或粘合剂带提供在纤维层开端所处的实际位置。其他实施例也是可行的，例如，点状的、虚线或曲线的等等。原则上可使用连续层；然而，将降低使用粘合剂优越于使用树脂的优点。在一些情况中，自动化可有助于粘合剂图案的形成，其中粘合剂以连续线，例如z形图案或十字形图案被提供。本领域中普通技术人员可理解以下优点，即，与全树脂层或接近于全树脂层或斜交帘布层缝合相比较，只提供了有限量的粘合剂，尤其是在处理期间节省时间和易于自动化方面具有优势。
三维形状可用于减小复合部件之间的界面应力。通过在纤维布置期间选择性地开始和/或终止例如纤维束或包含纤维的其他类型的层可获得所述三维形状。通常，所述三维形状将涉及沿至少一个轴线垂直于主应力方向的大的接触区域的形成。在图1中可以看到通过减小过渡区和复合部件10之间的界面2的总平面与复合部件12的表面4之间的角度α，可增加接触面积。远大于包含纤维的相邻层之间的垂直距离的距离分离锥形部分(2、4)中的纤维层的终端，因此将减小界面应力。此外，如果角度α足够低的话，包含第一复合部件的纤维的层的端部可从过渡区中的第二复合部件处被布置在包含纤维的相邻层上面。这可导致纤维层的侧与侧连接，这与端与端连接相比较是有优势的。
靠近于过渡区的复合部件中的纤维例如可以基本平行于过渡区和复合部件之间的界面的总平面的方式定向、纤维可以基本平行于复合部件的表面的方式定向、纤维可以这些定向的组合方式定向、纤维可具有随意性分布等。然而，靠近于过渡区的复合部件中的纤维最好基本平行于复合部件的表面的方式定向，因为这可在纤维之间提供侧与侧的连接(即使受限)。当角度α较低时尤其是这种情况。角度α最好应小于10°，但是当角度α小于2°时可获得更好的连接。如果所使用的纤维非常刚硬(诸如碳纤维)的话，在一些情况中α最好低至0.5°到1°或者甚至更低。
如果要连接厚复合材料的话，由于这将需要不合理的长过渡区，因此可能难于获得低角度。在这样的情况下，使用z形界面或者使用具有角度α的在彼此的顶部上的连接可能是有利的。例如这可通过将厚复合材料分离为多个较薄的复合部件或凸缘之后连接在彼此顶部上或相互靠近的复合部件或凸缘的较薄的对而实现。
可以各种方式制备过渡区。在一个优选实施例中，过渡区包括过渡部件。所述过渡部件是包括包含纤维和树脂的层的复合材料。在一个优选实施例中，以与待连接的复合部件无关的方式制备过渡部件。在该实施例中所述过渡部件例如可被制备为预成型件并且在连接于复合部件之前被任选地预固结。用于制备包含过渡部件的连接的方法可包含以下步骤-为过渡部件提供包含第一类型纤维的至少一层；
-为过渡部件提供包含第二类型纤维的至少一层；-为过渡部件提供与包含纤维的至少一层相接触的树脂；-将过渡部件与第一复合部件相连接；-将过渡部件与第二复合部件相连接；-固结过渡部件；以及-任选地，与过渡部件的固结一起共同地固结第一和/或第二复合部件。
如果纤维类型被混合的话，分别包含第一类型纤维或第二类型纤维的层可为相同层。所述树脂可(或不可)具有与一种复合部件相同的成分，然而，所述树脂最好与复合部件的树脂相容，或者更好的是，所述树脂成分基本与一种或两种复合部件的成分相同。就气体可从垂直于树脂层的过渡部件中去除的意义上来说，树脂最好(但非必须)是非连续的。所述过渡部件例如也可在包含纤维的两层或多层之间包括粘合剂，如果需要的话。一个或多个复合部件可与过渡部件的固结一起被共同地固结。在一个优选实施例中，整个结构在一个操作中被共同地固结。
在一个优选实施例中，过渡部件最好在复合部件的连接之前被预固结。当待连接的至少一个复合部件在形成连接之前被固结时，过渡部件的预固结是尤为有利的，这是由于预固结可减少固结期间的收缩。
在一个优选实施例中，未固结或预固结的过渡部件可在未先期固结的情况下被输送或长时间(诸如数周或数月)储存。
过渡区的成层结构的层通常基本平行于过渡区和至少一个复合部件之间的界面的总平面的方式定向或者所述层可以基本平行于至少一个复合部件的表面的方式定向。在一些实施例中，两种选项都是可行的，因此应取决于最终结构的期望特性和所包含的复合部件类型选择具体设计。
设计过渡区的一种方法是提供包含纤维的层的成分从第一复合部件的成分到第二复合部件的成分的渐变。在图2中通过宏观等级实现了该渐变。“宏观等级”一词这里指的是过渡区包含多个层，每个层都包含具有基本与第一复合部件10相同的纤维成分14或基本与第二复合部件12相同的纤维成分16的纤维。在优选实施例中，所述层的堆叠的第一侧与第一复合部件10相连接而所述层的堆叠的第二侧与第二复合部件12相连接。因此，所述层通常是平行于过渡区和至少一个复合部件之间的界面的总平面定向。
图2中所示的过渡区最好被直接制备在一个或两个复合部件上，但是其他制备方式也是可行的，例如包含独立过渡部件的制备方式。第一复合部件与过渡区之间的界面无需与第二复合部件与过渡区之间的界面平行，然而在优选实施例中这些界面基本是平行的，因为这有利于更容易的制造。
如图2中所示的，例如可通过改变包含纤维的层的两种类型的频率可实现所述渐变。其他示例如下所述的序列堆(Bulk)A-B-A-堆B堆A-B-A-A-B-A-B-B-A-堆B堆A-B-A-A-A-B-A-A-B-A-B-B-A-B-B-B-A-基体B这里A是指包含具有基本与第一复合部件相同的纤维成分的纤维的层，B是指包含具有基本与第二复合部件相同的纤维成分的纤维的层，堆是指复合部件。
所述序列无需是对称的并且应针对具体情况中的特性、层厚度等选择最优序列。序列的示例绝不是意味着排除有用序列的，并且在不背离本发明的发明理念的前提下，本领域中普通技术人员能够提供多种序列。
当过渡区被直接制备在一个或多个复合部件上时，可提供以下这些步骤制备所述连接-提供第一复合部件；-在第一复合部件上提供包含第一类型纤维的至少一层或将其提供得与第一复合部件相连接或者在过渡区中包含纤维的先期层上提供包含第一类型纤维的至少一层；-在第一复合部件上提供包含第二类型纤维的至少一层或将其提供得与第一复合部件相连接或者在过渡区中包含纤维的先期层上提供包含第二类型纤维的至少一层；-提供与过渡区中包含纤维的至少一层相接触的树脂；-将所述结构与第二复合部件相连接；-固结所述过渡区；以及-与过渡区的固结一起任选地共同固结第一和/或第二复合部件。
如果期望的话，过渡区可同时被直接制备在第一和第二复合部件两者上。
用于制备包含包括纤维的交错层的连接的方法例如包含这些步骤-提供包含第一类型纤维的层；-提供用于至少部分地固定所述纤维的装置，所述装置例如包含粘合剂或树脂；-提供包含第二类型纤维的层，所述层至少部分地交错在包含第一类型纤维的层之间，包含第二类型纤维的所述层延伸得超过第一复合部件；-提供与包含纤维的至少一层相接触的树脂；-将所述结构与第二复合部件相连接；-固结所述过渡区和第一复合部件；以及-与过渡区的固结一起任选地共同固结第二复合部件。
以相似的方式，过渡区可部分地包含于第二复合部件中。
过渡区可在任选地同时在过渡区和至少一个复合部件上执行预固结之前被预固结。
用于包含纤维的层的纤维例如可被提供为预浸料坯、半浸料坯、机织织品或无纺布、粗糙编织品、预成型件、预固结的预成型件、单根纤维或纤维组、纤维束、束浸料坯或它们的组合。
逐渐改变包含纤维的层的成分的另一种方法涉及微观等级。“微观等级”一词这里指的是第一类型纤维和第二类型纤维被混合在包含纤维的过渡区中的至少一层中。或者，存在包含纤维或具有第一类型纤维和第二类型纤维的中间特性的纤维类型的混合物的层；对于连接是关键性的具体特性(例如CTE和弹性模数)应是第一类型纤维和第二类型纤维的中间数。在图3A中示出了微观等级的一个示例，其中所述连接在第一复合部件10和第二复合部件12之间具有两个微观等级层20a和20b。由于在图3A中是用10、20a、20b和12的相对阴影线示出的，因此第一类型纤维与第二类型纤维的比率最好从第一复合部件朝向第二复合部件逐渐减小。微观等级部件20、20a和20b例如可由包含第一类型纤维和第二类型纤维的同质混合物与树脂的厚纤维粗糙编织品制备，但是本领域中普通技术人员还将知道获得微观等级材料的其他方法。微观等级部件例如可由多个包含纤维的较薄层制备。这些较薄层在图3B和3C中被示为暗线22。这些层可如图3B中所示的以通常平行于最终结构的表面的方式定向或者如图3C中所示的以平行于微观等级的较大表面的方式定向。例如直接用包含例如一层纤维、一层纤维束或预浸料坯的较薄微观等级层制备过渡区或过渡部件也在本发明的保护范围内。
在微观等级连接的优选实施例中，包含第一类型纤维和第二类型纤维的混合物的微观等级层中的纤维以同质或非同质的方式被分布在独立层中。在图3D中，示出了同质分布的一个示例。可以观察到第一类型纤维束15和第二类型纤维束17的集中是恒定的。甚至如图3D中所示的，第一和第二类型纤维的定向也无需是相同的。在图3E中示出了纤维束的不同质分布的一个示例。可以观察到第一类型纤维束15相对于第二类型纤维束17的集中在靠近于边缘的位置处远大于靠近于层中央的位置处的。同样也可取代纤维束或与纤维束一起使用其他纤维源。在不同质层中，第一类型纤维的集中和/或定向最好与第二类型纤维的集中和/或定向不同，但是本领域中普通技术人员在考虑了这些示例的基础上也可提供不同质方式的其他示例。如果不止两个复合部件被连接或者如果至少一个复合部件是不同质方式的话，这种类型的层例如可为有利的。
图4示出了包含两种类型包含纤维的层或板的过渡区，一种类型50包含具有基本与第一复合部件10相同纤维成分的纤维，而另一种类型52包含具有基本与第二复合部件12相同纤维成分的纤维。就至少一种类型层的过渡区的一部分延伸得超过另一种类型层的意义上来说，这两种类型的层部分地交错。至少过渡区的一些部分用于与具有基本相同纤维成分的复合部件的连接。由于交错层的存在使得接触表面非常高因此正确条件下的连接非常牢固。在一个优选实施例中，在图4中所示的接触区的一部分中两种类型层都延伸得超过其他部分。
在优选实施例中，过渡区至少部分地与一个复合部件或预成型件整体结合。在图5中，示出了这样一个实施例的示例。过渡区例如可包括包含在由包含第一类型纤维并且延伸得超过第一复合部件的层60增强的第一复合部件中开始的第二类型纤维的层62。从包含第一类型纤维的层端部到包含第二类型纤维的相邻层端部的距离64最好应足够大以防止或减小层之间的应力耦合(见以下所述的)。包含第一类型纤维的相邻层端部之间的距离66最好应足够大以防止或减小层之间的应力耦合。具有包含第二类型纤维的交错层的过渡区最好被制备为第一复合材料的预制品的一部分。在一个优选实施例中，包含第二类型纤维的层被提供为预浸料坯。所述预浸料坯可为单向预浸料坯，然而，令人惊奇的是，试验结果表明，包含第二类型纤维的双轴向预浸料坯提供了用于将预成型件与由第二类型纤维增强的结构相连接的更好的基础。因此可得出这样一个理论，即，这是由于相对主纤维定向的层之间更好的连接不是平行的，然而，也可获得其他效果。
试验结果已示出，关于图4和图5中所述的实施例能够成功地将玻璃纤维增强的用于风轮机叶片的梁基底与碳纤维凸缘增强的梁相连接。高性能应用中的成功指示出本发明的范围。
在连接的优选实施例中，过渡区包括包含从第一复合部件延伸到第二复合部件中的纤维的层和/或包含从第二复合部件延伸到第一复合部件中的纤维的层。该优选实施例例如可在一次操作中建立。在图6中示出了具有包含纤维的交错层的更多优选实施例。图6A示出了这样一种连接，其中包含纤维的每个复合部件的层都延伸到另一个复合部件10和12中。通常与纤维布置同时制备这种类型的连接，即，在一次操作中制备两个复合部件和所述过渡区。在图6A和B中包含纤维的所有层都延伸到另一个复合部件中，然而，除非要求达到期望强度否则不必如此。例如，如果所有层都延续到另一个复合材料中的话过渡区可能变得较厚，这又可导致加入到过渡区中的纤维的弯曲。在图6B中作为过渡区范围的一个示例，过渡区13已由虚线示出。
图6B示出了具有基本垂直于复合部件表面的界面的两个复合部件之间的整体连接。为了减小应力末端条件的作用(见以下所述的)，纤维层的端部被提供为z图案的。
在图6B中所示的连接的优选实施例中，在垂直于图中所示平面的界面的尺度中也提供了z图案。换句话说，在该优选实施例中，由包含纤维的层端部限定的线不是直线。
图6C示出了这样一个示例，其中，为所述连接制备了复合部件10，其中基本具有与复合部件12相同纤维成分的层40中的复合部件12已被交错于复合部件10中。在图6D中形成了复合部件之间的连接。可观察到的是，所述层40被弯曲以形成层42。所述弯曲不是预期的，但通过减小角度α可大大减小弯曲角，参照图1以限定出所述角度α。在一个优选实施例中，如已经描述的，角度α通常保持在10°以下。层42可(或不可)包含树脂(例如，预浸料坯或直接涂覆)，但是在过渡区的固结期间应存在树脂以确保固结的树脂基体。
用于制备图6A和6B中所示的连接的方法例如可包括以下步骤，在所述方法中，过渡区包括包含从第一复合部件延伸到第二复合部件中的纤维的层和/或包含从第二复合部件延伸到第一复合部件中的纤维的层-提供包含第一类型纤维的层，这些层中的至少一些延伸到类似于第二复合部件的一部分结构中；-提供包含第二类型纤维的层，这些层中的至少一些延伸到类似于第一复合部件的一部分结构中；-任选地，提供用于至少部分地固定所述纤维的装置，所述装置例如包含粘合剂或树脂；-提供预包含纤维的至少一层相接触的树脂；-任选地，预固结所述结构；以及-固结所述结构。
在优选实施例中，所述结构是共同固结的，然而，在独立操作中也可在所述结构的选定部分上进行这些固结或预固结。
当纤维增强材料受到力F的压力时，基体材料，即，树脂沿包含纤维的层受到同样的压力。然而，如果例如在用于交错的情况中包含纤维的层受到不同的压力的话，可在树脂中形成包含纤维应力的非连续层。在图7B中示出了包含纤维的四层之间的树脂中剪切应力的示意图。包含树脂的层30a、30b和30d是连续层，诸如包含第二复合部件中的第二类型纤维的连续层，而包含纤维的层30c是非连续层，诸如包含从第一复合部件交错到第二复合部件中的第一类型纤维的交错层。主竖直线表示树脂中的局部剪切应力，即，竖直线表示经历平均剪切应力的树脂而成角线表示平均树脂中经历的剪切应力中的差异。可观察到的是，在层30c端部附近存在剪切应力方面的大局部差异。
在图7A中层30c端部附近形成的剪切应力表示为沿平行并靠近于层30c的线的树脂中剪切应力相对于树脂中平均剪切应力中变化的示意图。可观察到在层30c端部处剪切应力中的差异最大。此外，可观察到在距离层30c端部一定距离处，剪切应力大约为剪切应力的平均值。当包含纤维的层端部被设置得比剪切应力的末端条件的范围34更相互靠近时，所述剪切应力可在层之间耦合因此在结构中形成弱点、线或平面。为了减小或防止从一层的端部到附近层的端部的剪切应力的耦合，交错层端部之间的距离应大于末端条件的范围。由于难于确立末端条件的范围，因此最好使用安全余量并且因此将两个相邻层的端部分开至少末端条件的范围的两倍。
确保相同类型纤维的最近的层端部之间的距离应由相当于末端条件的范围的距离分开是合理的，最好具有安全余量，因此使用二的因数。
剪切应力集中的实际范围取决于因数的数量，诸如包含纤维的层和主要包含树脂的层的厚度、纤维的类型、树脂的类型等。例如可通过并且可通过标准方法或经验方法确立应力集中的范围。
当要制备包含预成型件或复合部件的较大结构时，可遵循这样一种方法，其中未完全固结的材料至少被部分塑性成形。预成型件可在成形之前或之后被连接于另一个预成型件以提供较大结构。预成型件也可被连接于其他结构。所述连接最好(但非必须)包含锥形部分或包含第二类型纤维的层。当材料具有基本相同的特性时，可难于使用图1中所示的锥形部分以获得合理连接，然而，特性中的差异越大就越应注意。
本领域中普通技术人员知道相关固结处理和处理参数，然而，作为固结程序的一部分，压力最好被施加到结构上和/或真空被施加到所述结构上。所述压力可通过围绕所有结构或结构的部分的真空密封中的真空被施加。压力和/或真空最好在固结反应开始之前被加到所述结构上，因为这有助于气体从所述结构中的去除。
前面所述的连接和部分独立制备的过渡部件可有利地被预固结以赋予更同质材料更好的性能。过渡部件通常被看作是预成型件。
在一个优选实施例中，过渡部件或过渡区(在以下部分中称之为元件)通过预固结被处理以形成以下部分中所述的预固结元件。与提供为预浸料坯的纤维相比较，当所述纤维被提供为音根纤维或纤维组、纤维束或纤维束-浸料坯时预固结是尤为有用的，这是由于在预固结处理期间可获得更低的粘度。这将增加树脂和/或纤维的重新分布，由于这增加了所获得的产品的同质性因此是极为有用的。然而，包含提供为预浸料坯、半浸料坯、机织织品或无纺布和/或粗糙编织品的纤维的元件的预固结也是有利的。
“预固结”一词在这里指的是一种处理，通过所述处理，预成型件内部的气体被排出并且制造出低孔隙率的元件。预固结涉及树脂的重新分布和(任选的)纤维的重新分布。而且，预固结可涉及树脂的有限固结。由于其制造出密集的元件(在下文中称之为预固结的元件)，因此预固结是尤为有用的。此外，由于在没有先期固结的情况下的良好的再生性、低孔隙率、高同质性、高强度、塑性定型能力、连接于其他元件和/或其他结构的能力、适合于自动化的能力以及长贮存寿命，使得预固结的元件和从预固结的元件中制备的复合材料也将增值。
当预固结涉及有限的固结时，该有限的固结可涉及高达占树脂的完全固结将释放的能量的50％的释放量。然而，固结的程度最好局限于允许所述预固结元件塑性变形的程度。允许所述预固结元件塑性变形的固结程度又取决于树脂以及取决于纤维类型和纤维含量。通常，有限的固结最好涉及占树脂的完全固结将释放的能量的小于20％的释放量，更好的是，有限的固结最好涉及占树脂的完全固结将释放的能量的3到15％之间的释放量。
通常来说，预固结处理应降低元件的孔隙率，并且，所得到的预固结的元件的孔隙率最好按容积低于5％，更好的是，按容积低于2％，最好的是，按容积低于1％。在一些情况下，甚至1％的孔隙率都可较大地降低复合材料的特性。在这些情况中，应该理解的是，可以低于1％的孔隙率良好地产生所述方法和所述预固结的元件。例如，按容积大约0.2％的再生孔隙率是环氧中具有60％碳纤维的复合材料实现的。孔隙率的降低可为例如将元件暴露于与预固结处理相关的压力和/或真空中的结果。
由于密度是未知的并且在材料中是可变的，因此可能无法直接确立预固结的元件的孔隙率。因此，应通过光学法根据物质图谱样本(materialographic sample)确立孔隙率。由于材料包含非常柔软的元件(即，树脂)和非常坚硬的元件(即，纤维)，因此从未固结的预固结的元件中制备物质图谱样本是很苛求的。为了确立可重复的结果，因此必须在物质图谱制备之前固结元件。该固结应为无压的以确保孔隙率不受处理的影响。
为了确保可操纵性，预固结的元件应基本是无粘性的，即，应容易地从任何相关表面上去除并且当去除时不应在表面上留有过多的树脂量。
为了确保较长贮存寿命和/或输送期间的稳定性，重要的是树脂块的固结反应的速率在室温下足够低并且催化剂-如果存在的话-不会不小心被激活。例如，如果催化剂由于加热被激活的话，应确保激活温度大大高于储存期间预期的最大温度。
在优选实施例中，预固结的元件的至少部分是可变形的。例如可通过预固结处理期间的平衡和有限的固结实现这一点。在一个优选实施例中，至少一部分预固结的元件能够关于平行于主纤维定向的轴线弯曲大于1cm的直径，然而，在一些情况中预固结的元件可通过塑性变形弯曲大于5cm的直径。可通过树脂和/或纤维的重新布置或通过元件的三维形状实现低弯曲直径。“三维形状”一词在这里指的是厚度(即，层的数量或纤维和/或树脂的量)和/或平面投影的形状相对于元件的主体被调节为元件的一部分。通常，只有一部分预固结元件被制备为非常弯曲，而具有更大直径的关于轴线的弯曲，例如，50cm通常可通过预固结的元件的所有部分实现。
在预固结处理期间获得的元件的刚度应确保预固结的元件具有足够的刚度以防止当预固结的元件被放置在非平坦表面上时预固结的元件在纤维的长度方向上松弛并且仍然允许在平行于纤维长度方向上的轴线的塑性变形。
预固结处理通常例如通过部分固结而导致元件中树脂粘性的增加。最好在室温下粘性通过至少两个因数中的一个因数而增加或者最好通过至少五个因数中的一个因数而增加，这是由于粘性中的增加将增强可操纵性、强度和非粘性。在一些情况中，粘性将通过更高的因数(例如，10、100或1000)而增加。例如，如果部分树脂作为室温下的液体被注入到元件中的话就是这样一种情况。表示粘性增加的另一种方式是直接观察粘性。未固结的元件中树脂的粘性在执行预固结处理的温度下最好大约在10到10000cP之间，最好大约为500到5000cP。
具体地，取决于树脂的成分，执行预固结处理的温度可显著改变。通常，环氧基树脂系统的预固结温度为50到90℃，最好为60到80℃，然而，在一些系统中更高和更低的温度也是可行的。
预固结处理可通过部分固结导致树脂的玻璃态转化温度Tg的增加。在预固结处理期间树脂的Tg最好至少增加2℃，或者最好至少增加5℃，由于Tg中的增加通常表示树脂的平均分子量的增加，因此这将增强可操纵性、强度和非粘性。在一些情况中，Tg可更大地增加。当未预固结的元件的Tg非常低时尤其会是这种情况。
在一个优选实施例中，本发明所涉及的具有环氧基树脂系统的预固结的元件通常应具有-10到+30℃的Tg并且最好应具有-5到+10℃的Tg。在一些情况中，预固结的元件的树脂的Tg高于0℃，最好大于3℃。对于未固结的元件来说，树脂的Tg应低于5℃，最好低于2℃。
在一些情况中，没有暴露于真空中的预固结的元件的固结将产生具有相当于真空固结元件的特性的材料，这是由于在固结之前的预固结处理期间消除或大大减小了孔隙率。这可用在例如当在其中建立真空可能非常耗时的较大结构中制备连接的情况中。
在预固结和/或固结元件的优选方法中，元件被放置在例如板、模具等反应器表面上。反应器表面最好是平坦的并且将经受得起加热和/或真空。之后向元件施加压力。可通过压力机或-最好-真空密封中的真空施加所述压力。如果使用真空的话，那么应在压制之前获得真空密封。所述真空密封例如可包括真空袋，或者可包括反应器表面和以真空密封方式连接于反应器表面的挠性盖。可通过反应器表面或通过真空袋或挠性盖中的开口抽出气体。之后激活预固结或固结。可在施加压力之前和/或期间和/或之后发生所述激活。所述激活包括树脂粘性的降低。例如可通过物理方式(例如，加热、添加溶剂、压力等)和/或通过化学反应实现这一点。在预固结处理期间，可发生或可不发生有限的固结。当孔隙率已被减小到期望程度或者实现了预固结的另一个目的时，终止预固结处理。该终止例如可作为第一树脂系统的排出或预固结的元件冷却到一定温度下的结果，其中固结反应足够缓慢和/或预固结元件的粘性足够高以获得期望储存寿命所需的稳定性。
在一个优选实施例中，待预固结或待固结的元件具有至少一个非连续树脂层，尽管气体可在预固结或固结处理期间被排出。因此，气体无需通过树脂层的一个平面或包括纤维的层的平面中从元件中被去除。因此，大大减小了传输距离和在预固结的元件中具有截留气体的危险。在更优选的实施例中，所有树脂层-任选地，除纤维顶层顶部上或纤维底层下面的层以外-都是非连续的。
用于确保在预固结或固结期间气体可连续地从元件中被去除的方法的示例包括从元件的中心开始朝向表面移动的预固结处理的逐渐激活或从侧部或边缘开始穿过元件移动的预固结处理的逐渐激活。例如可通过仅从反应表面加热，因此从与反应表面相接触的元件的侧部逐渐激活，或者通过控制微波加热，因此从元件的内侧逐渐激活预固结处理并且朝向表面移动而实现这一点。
具有包含定向纤维的层的层状结构的特性很大程度上取决于结构的主要元件的分布，即树脂、纤维和孔隙率。与纤维相比较树脂具有低强度，如果存在太厚树脂层的话可通过结构提供裂纹扩展的通道。孔隙率可显著降低结构的强度，但是该逆境取决于孔的尺寸、形状和分布，例如，小的影响，隔离的球形孔是有限的，而布置在树脂和纤维之间接触面中的较大孔对于结构来说是毁灭性的。因此能够控制元件的分布是至关重要的。
预固结或固结期间重新分布或同质性的程度取决于压缩过程中树脂的粘性，即，粘性越低，元件的重新分布越容易。通过利用预固结处理可使得树脂的粘性大大低于现有技术中的可行的粘性，这是由于所述结构不局限于在处理期间支持具体形状。当预固结涉及树脂的有限固结时，由于有限的固结增加了可操纵性并且减小了预固结的元件的粘性，因此可进一步减小粘性。因此，预固结通常允许树脂和/或纤维的重新分布达到比直接固结可实现的更大的程度。所获得的预固结的元件可具有非常低的孔隙率以及更为同质性的结构。这例如可产生具有低明显层状结构的复合结构，即，与仅包含在固结之前未预固结的元件的相应复合结构相比较，其中的层更不明显。
本发明所涉及的连接和方法可用于两种不相容复合部件的连接，同时使用本发明所涉及的连接和方法也可连接具有相容特性的复合部件。当试图连接两种不相容复合部件时可最好地体现本发明的范围。不相容复合部件的示例为在特性(诸如热膨胀系数和/或弹性模数等)方面具有较大差异的复合部件。
本发明所涉及的连接和方法对于风轮机叶片的制备是尤为有用的。例如在风轮机叶片的梁的制备期间，可使用所述连接将主要由玻璃纤维增强的部分(例如，基底)与梁的主要由碳纤维增强的部分(例如主要部分)相连接。当用碳纤维增强的复合材料替代用玻璃纤维增强的复合材料的部分时，由于可显著减小叶片的重量，因此在制造更大的叶片时本发明是尤为有用的。
附图标记说明2 过渡区预复合部件之间界面的总平面4 复合部件的表面α 角度10 复合部件12 复合部件13 过渡区14 包含具有基本与复合部件10相同成分的纤维的层15 第一类型纤维束16 包含具有基本与复合部件12相同成分的纤维的层17 第二类型纤维束20 具有微观等级的层20a 具有微观等级的层20b 具有微观等级的层22 包含纤维的层F 力30 包含纤维的层30a、b、d 包含纤维的连续层
30c 包含纤维的非连续层32 表示经历应力与平均树脂中的差异的线34 应力的末端条件的范围40 基本具有与复合部件相同纤维成分的层42 基本具有与复合部件相同纤维成分并且被弯曲以遵循界面形状的层50 包含第一类型纤维的板或层52 包含第二类型纤维的板或层60 包含第一类型纤维的层62 包含第二类型纤维的层64 包含第一类型纤维的层与包含第二类型纤维的相邻层之间的距离66 包含第二类型纤维的相邻层之间的距离
权利要求
1.包含第一类型纤维和第一树脂的第一复合部件与包含第二类型纤维和第二树脂的第二复合部件之间的一种连接，其特征在于所述连接包含具有成层结构的过渡区。
2.依照权利要求1所述的连接，其特征在于，第一复合部件的至少一个物理特性明显不同于第二复合部件的物理特性。
3.依照权利要求2所述的连接，其特征在于，第一复合部件的热膨胀系数明显不同于第二复合部件的热膨胀系数，最好热膨胀系数中的差异大于3×10-6℃-1。
4.依照权利要求2所述的连接，其特征在于，第一复合部件的弹性模数明显不同于第二复合部件的弹性模数，最好弹性模数中的差异大于大于较低值的25％。
5.依照权利要求1到4中任意一项所述的连接，其特征在于，第一类型纤维是从由碳纤维、玻璃纤维、芳族聚酰胺纤维、合成纤维(例如，丙烯酸、聚酯、PAN、PET、PE、PP或者PBO纤维等)、生物纤维(例如，大麻纤维、黄麻纤维、纤维素纤维等)、矿物纤维(例如，RockwoolTM等)、金属纤维(例如，钢、铝、黄铜、铜等)或硼纤维或其任意组合构成的组中选择出来的，第一类型纤维最好是碳纤维。
6.依照权利要求1到5中任意一项所述的连接，其特征在于，第二类型纤维是从由碳纤维、玻璃纤维、芳族聚酰胺纤维、合成纤维(例如，丙烯酸、聚酯、PAN、PET、PE、PP或者PBO纤维等)、生物纤维(例如，大麻纤维、黄麻纤维、纤维素纤维等)、矿物纤维(例如，RockwoolTM等)、金属纤维(例如，钢、铝、黄铜、铜等)或硼纤维或其任意组合构成的组中选择出来的，第二类型纤维最好与第一类型纤维不是相同类型的，第二类型纤维最好是玻璃纤维。
7.依照权利要求1到6中任意一项所述的连接，其特征在于，所述第一类型树脂和第二类型树脂其中至少一种树脂是基于不饱和聚酯基、聚亚安酯基、乙烯聚合酯、环氧基、热塑性、相似化学成分的或者这些的组合。
8.依照权利要求7所述的连接，其特征在于，第一类型树脂和第二类型树脂具有基本相同的成分。
9.依照权利要求1到8中任意一项所述的连接，其特征在于，过渡区和至少一个所述复合部件之间的界面的总平面与一个所述复合部件的表面构成了小于大约10°的总体角，最好与一个所述复合部件的表面构成小于大约2°的总体角。
10.依照权利要求1到9中任意一项所述的连接，其特征在于，过渡区中的层包含定向纤维，最好为单向纤维或双轴向纤维。
11.依照权利要求1到10任意一项所述的连接，其特征在于，纤维可被提供为预浸料坯、半浸料坯、机织织品或无纺布、粗糙编织品、预成型件、预固结的预成型件、音根纤维或纤维组、纤维束、束浸料坯、或其组合等。
12.依照权利要求1到11任意一项所述的连接，其特征在于，在制备所述连接时至少一个复合部件至少部分未固结。
13.依照权利要求1到12任意一项所述的连接，其特征在于，在制备所述连接时至少一个复合部件基本或完全固结。
14.依照权利要求1到13任意一项所述的连接，其特征在于，所述过渡区包括过渡部件。
15.依照权利要求14所述的连接，其特征在于，所述过渡部件被直接制备在至少一个复合部件上。
16.依照权利要求14到15任意一项所述的连接，其特征在于，所述过渡部件是至少一个复合部件的组成部分。
17.依照权利要求14所述的连接，其特征在于，所述过渡部件独立于所述复合部件被制备，最好在连接于所述复合部件之前所述过渡部件预固结。
18.依照权利要求1到17中任意一项所述的连接，其特征在于，所述过渡区的所述成层结构的层基本平行于过渡区和至少一个所述复合部件之间的界面的总平面。
19.依照权利要求1到18中任意一项所述的连接，其特征在于，所述过渡区包含宏观等级，即，多个层，每个层都包含具有基本与第一复合部件相同的纤维成分或基本与第二复合部件相同的纤维成分的纤维，最好，所述层的堆叠的第一侧与第一复合部件相连接而所述层的堆叠的第二侧与第二复合部件相连接。
20.依照权利要求1到18中任意一项所述的连接，其特征在于，所述过渡区和/或过渡部件包含微观等级，即，至少一个层，所述层包括包含第一类型纤维和第二类型纤维的混合物的纤维或者包括具有第一类型纤维和第二类型纤维的中间特性的纤维或纤维混合物。
21.依照权利要求20所述的连接，其特征在于，所述过渡区和/或过渡部件包含至少包含纤维的两层，并且当从第一复合部件朝向第二复合部件离开时第一类型纤维与第二类型纤维的比率从任意一层向相邻的层减小。
22.依照权利要求20到21中任意一项所述的连接，其特征在于，纤维层包含纤维粗糙编织品或机织织品或无纺布织物和树脂，所述纤维粗糙编织品或机织织品或无纺布织物包含第一类型纤维和第二类型纤维的混合物。
23.依照权利要求20所述的连接，其特征在于，包含第一类型纤维和第二类型纤维的混合物的所述层中的纤维以同质的方式被分布，最好第一类型纤维的集合和/或定向不同于第二类型纤维的集合和/或定向。
24.依照权利要求1到17中任意一项所述的连接，其特征在于，所述过渡区的所述成层结构的层基本平行于至少一个所述复合部件的表面。
25.依照权利要求1到17或24中任意一项所述的连接，其特征在于，所述过渡区包括包含纤维的层，每个所述层都具有与第一复合部件或第二复合部件中任意一个基本相同的纤维成分，并且在过渡区的一部分中，包含具有基本与一个复合部件相同纤维成分的纤维的层延伸得超过包含具有基本与另一个复合部件相同纤维成分的纤维的层。
26.依照权利要求1到17或24中任意一项所述的连接，其特征在于，所述过渡区至少部分与第一复合部件整体形成，并且包含具有基本与第二复合部件相同纤维成分的纤维的交错层从所述第一复合部件中延伸得超过所述第一复合部件，或者反过来从所述第二复合部件中延伸得超过所述第二复合部件。
27.依照权利要求26所述的连接，其特征在于，交错的覆盖距离大于包含具有基本与第一复合部件相同的纤维成分的纤维的纤维层与包含具有基本与第二复合部件相同的纤维成分的纤维的纤维层之间的界面应力的末端条件的范围，最好交错的覆盖距离大于包含具有基本与第一复合部件相同的纤维成分的纤维的纤维层与包含具有基本与第二复合部件相同的纤维成分的纤维的纤维层之间的界面应力的末端条件的范围的两倍。
28.依照权利要求26到27的任意一项所述的连接，其特征在于，在第一复合部件中包含具有基本与第二复合部件相同的纤维成分的纤维的纤维层的端部之间的距离大于包含具有基本与第一复合部件相同的纤维成分的纤维的纤维层与包含具有基本与第二复合部件相同的纤维成分的纤维的纤维层之间的界面应力的末端条件的范围，最好大于包含具有基本与第一复合部件相同的纤维成分的纤维的纤维层与包含具有基本与第二复合部件相同的纤维成分的纤维的纤维层之间的界面应力的末端条件的范围的两倍。
29.依照权利要求1到17或24中任意一项所述的连接，其特征在于，所述过渡区包含包括从第一复合部件延伸到第二复合部件中的纤维的层和/或包括从第二复合部件延伸到第一复合部件中的纤维的层，所连接的结构最好在一次操作中建立。
30.依照权利要求1到28中任意一项所述的连接，其特征在于，第一类型纤维为碳纤维而第二类型纤维为玻璃纤维或者反过来第一类型纤维为玻璃纤维而第二类型纤维为碳纤维，第一和第二类型树脂最好都是环氧基的。
31.过渡部件，具有增强得用于连接于第一复合部件的区域和增强得用于连接于第二复合部件的区域，所述过渡部件包括包含纤维的层。
32.一种方法，用于将包含第一类型纤维和第一树脂的复合部件连接于包含第二类型纤维和第二树脂的复合部件，其中所述连接包括成层结构。
33.用于制备权利要求32所涉及的连接的方法，所述连接包括过渡部件，所述方法包括以下步骤-为过渡部件提供包含第一类型纤维的至少一层；-为过渡部件提供包含第二类型纤维的至少一层；-为过渡部件提供与包含纤维的至少一层相接触的树脂；-将过渡部件与第一复合部件相连接；-将过渡部件与第二复合部件相连接；-固结过渡部件；以及-任选地，与过渡部件的固结一起共同地固结第一和/或第二复合部件。
34.用于制备权利要求33所涉及的连接的方法，还包括预固结过渡部件的步骤。
35.用于制备权利要求32所涉及的连接的方法，所述连接被制备在第一复合部件上并且包含以下步骤-提供第一复合部件；-在第一复合部件上提供包含第一类型纤维的至少一层或将其提供得与第一复合部件相连接或者在过渡区中包含纤维的先期层上提供包含第一类型纤维的至少一层；-在第一复合部件上提供包含第二类型纤维的至少一层或将其提供得与第一复合部件相连接或者在过渡区中包含纤维的先期层上提供包含第二类型纤维的至少一层；-提供与过渡区中包含纤维的至少一层相接触的树脂；-将所述结构与第二复合部件相连接；-固结所述过渡区；以及-任选地与过渡区的固结一起共同固结第一和/或第二复合部件。
36.用于制备权利要求32所涉及的连接的方法，其中过渡区至少部分地与第一复合部件整体形成，所述方法包含以下步骤-提供包含第一类型纤维的层；-任选地，提供用于至少部分地固定所述纤维的装置，所述装置例如包含粘合剂或树脂；-提供包含第二类型纤维的层，所述层至少部分地交错在包含第一类型纤维的层之间，包含第二类型纤维的所述层延伸得超过第一复合部件；-提供与包含纤维的至少一层相接触的树脂；-将所述结构与第二复合部件相连接；-固结所述过渡区和第一复合部件；以及-任选地，与过渡区的固结一起任选地共同固结第二复合部件。
37.用于制备权利要求36所涉及的连接的方法，还包括预固结过渡区和(任选地)第一复合部件的步骤。
38.用于制备权利要求32所述的连接的方法，其特征在于，所述过渡区包含包括从第一复合部件延伸到第二复合部件中的纤维的层和/或包括从第二复合部件延伸到第一复合部件中的纤维的层，并且所述方法包含以下步骤-提供包含第一类型纤维的层，这些层中的至少一些延伸到类似于第二复合部件的一部分结构中；-提供包含第二类型纤维的层，这些层中的至少一些延伸到类似于第一复合部件的一部分结构中；-任选地，提供用于至少部分地固定所述纤维的装置，所述装置例如包含粘合剂或树脂；-提供与包含纤维的至少一层相接触的树脂；-任选地，预固结所述结构；以及-固结所述结构。
39.依照权利要求32到38任意一项所涉及的方法，其特征在于，用于包含纤维的至少一层的纤维被提供为以下一种或多种预浸料坯、半浸料坯、机织织品或无纺布、粗糙编织品、预成型件、预固结的预成型件、音根纤维或纤维组、纤维束、束浸料坯或它们的组合。
40.依照权利要求32到38任意一项所涉及的方法，其特征在于，至少一部分树脂由树脂注入法和/或树脂传递模塑和/或真空辅助树脂传递模塑提供。
41.依照权利要求32到40任意一项所涉及的方法，其特征在于，所述固结涉及在所述结构上提供压力和/或真空，最好在开始固结反应之前。
42.权利要求1到30任意一项所涉及的用于连接两个较不相容的复合部件的连接的使用，所述两个复合部件最好具有不同的特性，诸如热膨胀系数和/或弹性模数。
43.权利要求1到30任意一项所涉及的用于制备风轮机叶片的连接的使用，最好是用于制备风轮机叶片的梁，更好的是，用于将风轮机叶片的梁的主要由碳纤维增强的部分与风轮机叶片的梁的主要由玻璃纤维增强的部分相连接。
全文摘要
本发明提供了具有不相容特性的复合部件(10、12)之间的一种连接以及用于制备所述连接的方法。所述复合部件分别包含第一和第二类型纤维以及树脂。所述连接在复合部件(10、12)之间包括过渡区(52)，所述过渡区(52)具有成层结构。所述过渡区可任选地包含过渡部件，并且所述过渡部件可任选地与一个或多个复合部件整体形成。所应理解存在连接的部分的不相容特性的例子为刚性(例如，弹性模数)或热膨胀系数中的较大差异。
文档编号B32B27/04GK1809450SQ03826229
公开日2006年7月26日 申请日期2003年4月22日 优先权日2003年3月6日
发明者A·贝克, F·A·H·哈恩 申请人:维斯塔斯风力系统公司