专利名称：预成型件和制备所述预成型件的方法
技术领域：
本发明涉及纤维增强复合材料。具体地，本发明涉及包括树脂和若干层纤维束的半成品。
背景技术：
在现有技术中包含树脂和纤维的预成型件是公知的。
美国专利6,139,942披露了一种具有部分浸渍纤维和非浸渍纤维的堆叠的预成型件。所述堆叠的层可在固结之前滑动并且因此难于处理。建议使用斜交帘布层避免这个问题，然而，这种处理是冗长乏味的并且可能会在固结期间对于所述堆叠的形状带来不期望的限制。
EP-0 475 883专利还披露了一种具有多个定向纤维层的预成型件。然而，所述预成型件要求灌注树脂以便于进行固结，这是耗时的并且在一定程度上限制了固结期间纤维和树脂的重新排列。
WO 02/090089披露了一种在其他连续树脂层中具有排气结构的模塑材料。所述排气结构被设计得允许在树脂的平面中和/或增强材料的平面中的处理期间气体从模塑材料中被去除。当模塑材料的水平投影增加时，由于在处理期间增加了堵塞的危险因此从模塑材料中去除气体变成为更不安全的方法。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种预成型件，所述预成型件可用于增强复合材料的制造，并且所述预成型件提供了良好的再生产性、低孔隙率和良好的物理特性。
本发明的另一个目的是提供一种用于预先固结包含树脂的部分固结的预成型件的方法。
本发明的另一个目的是提供一种预成型件和适合于自动化处理的制造预成型件的方法。
通过附图、优选实施例和权利要求中所描述和解释的本发明可实现上述以及更多目的。
预成型件是包括纤维和(除非另外指明)未固结树脂的复合材料。所述纤维最好以定向纤维层的方式提供，例如像音根纤维、纤维束、纤维束-浸料、预浸料坯。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。本发明提供了包括树脂和至少两层定向纤维束的预成型件，然而，使用预成型件或本发明所涉及的方法的优点将随着定向纤维束的层数量的增加而增加。因此，预成型件最好包括至少三层定向纤维束。在本发明的保护范围内可使用较高数量的层，例如4、5、8、10、15、20、50、100或更多层。
除纤维和树脂以外，本发明所涉及的预成型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。
定向纤维层是纤维束或与预浸料坯相反的束-浸料，由于这提供了更高的设计自由度并且将考虑预成型件的随后处理(例如，预先固结或固结)期间纤维的更低粘性和流动性。而且，用音根纤维、纤维束、纤维束-浸料制备的预成型件优越于用预浸料坯制备的预成型件之处在于，制造成本降低了并且通常也降低了废料量。纤维束是大量音根纤维的束，例如1000、10000或100000纤维的纤维束。纤维束-浸料是至少局部浸渍的纤维束。
因此可得出这样一个理论，即，复合材料的强度尤其取决于纤维与粘结材料(即，固结的树脂)之间的界面的强度。当纤维的刚度增加时，对于界面强度的敏感性也增加了。孔隙的存在可弱化界面但是孔隙的实际作用例如取决于所述孔的位置和尺寸。通常来说，孔越大并且孔数量越大就越不好。另一个方面是纤维的润湿。当纤维直径减小时在获得纤维的良好润湿性方面的难度就增加了。本发明的程序和产品对于包含薄刚性纤维(例如类似于碳纤维)的预成型件来说是尤为有利的，然而，当使用其他类型的纤维作为增强件时这些程序和产品也优越于现有技术，所述其他类型的纤维例如为玻璃纤维、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。
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，当增强件是单向纤维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，因此本发明的发明理念的优点是适合于任何类型的纤维定向，即使当使用单向纤维定向时优点是最大的。
“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。
纤维可为不止一种类型的纤维的混合物。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，在独立纤维层中具有不同的浓度，或者在任何纤维层中具有不同粘度的纤维。纤维的混合可是有利的，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，或者可提供尤其适合于连接于其他材料的预成型件。然而，在优选实施例中，纤维主要(或排他性地)为碳纤维。
“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的纤维、无定形碳或碳毫微管。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。
“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，基本从预成型件的一个边缘发展到另一个边缘的纤维。
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，原因是化学和热稳定性以及处理的容易性。更好的是，所述树脂为环氧基树脂或聚酯基树脂，最好为环氧基树脂。所述树脂可包括不止一种树脂系统。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是有利的，例如在固结程序的粘性和定时/控制方面可是有利的。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，例如类似为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。
本发明所涉及的方法适合于自动化处理。例如，可有利地由自动机械分配定向纤维束、粘合剂和树脂的层。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定向纤维束层中的干扰。当粘合剂仅涂覆于预成型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产品和程序尤为适合于自动化，因此本发明所涉及的产品和程序对于工作环境带来了显著的改进。
图1示出了预成型件的示意性横截面图。
图2示出了预成型件中的优选几何水平投影和纤维定向的示意图。
图3示出了树脂层的优选结构的示意图。
图4示出了粘合剂的优选结构的示意图。
图5示出了具有锥形部分的预成型件的示例。
图6示出了制备树脂的优选方法的示意图。
图7示出了用具有基本相同尺寸的纤维层制备的锥形部分的预成型件的示例。
图8示出了用于包括两种不同类型增强纤维的两种复合部件的连接的增强的预成型件的示例。
具体实施例方式
在图1中，示出了预成型件的示意性截面图的示例，其中示出了部件顺序的示例。在真实的预成型件中，层之间的距离会更小并且树脂和粘合剂将通常部分地被吸收在纤维层中。定向纤维的层以与定向纤维束2的层成一角度(这里为垂直)的方式装有粘合剂6的带(见图4)。还提供了两层树脂4。树脂4以与定向纤维束2的层成一角度(这里为垂直)的多条线的方式分布。因此树脂被分布在非连续层中以允许气体从预成型件中沿垂直于纤维束的方向逸出。
在图1中树脂被设在两层纤维束之间。这是树脂的优选位置，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一层纤维束相接触，即，在预成型件的顶部或底部处相接触。在这种情况下，最好在预成型件的底部处提供树脂并且由于气体不必总是通过树脂层选出因此所述树脂可被设置在连续层中。在优选实施例中，树脂仅被提供在预成型件的顶部或底部处，即，仅在纤维层之间提供粘合剂。在另一个优选实施例中，树脂仅被提供在预成型件的底部处，即，仅在纤维层之间提供粘合剂。
粘合剂6应至少部分地固定设在粘合剂顶部上的纤维。粘合剂可为任何连续的粘合剂，然而，所述粘合剂应与树脂相容，最好粘合剂是树脂类型的粘合剂并且在包含相同类型化学性质的这个意义上与预成型件的树脂相关。例如，粘合剂可包含树脂的至少一种成分(例如，公共环氧成分)。确保树脂与粘合剂之间相容性的一种方法是基本使用相同的成分。在优选实施例中，粘合剂的成分与粘合剂的成分相同。在预成型件中使用不止一种粘合剂是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，而其他部分可具有不同的成分。
在图2中示出了预成型件的几何水平投影10的优选实施例的示例。线2表示纤维层的主纤维定向。纤维的每层通常都包括沿主方向和随意的其他方向定向的大量(例如，数以百万计)纤维。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得出多个其他几何水平投影。图2A示出了矩形预成型件，它可具体适用于平坦或圆柱形结构。图2B-图2F示出了基本具有梯形水平投影的预成型件。角度α和β可为相同或不同的，然而，由于预成型件可用于制造例如圆锥形结构，因此这些角度最好基本是相同的。
由于所述预成型件可具体用于制造长的略为圆锥形状的结构(类似于风轮机叶片的杆(spar))，平行侧之间的距离与任何平行侧的长度的比率最好至少为3，更好的是至少为5。图2F中的水平投影具有大约为6的比率。
图2G示出了具有三角形水平投影的预成型件。而且，角度α和β最好基本是相同的。这样一种预成型件尤其适用于增强具有较尖锐拐角的结构。图2H中的预成型件具有更不规则的四边形水平投影。所述四边形水平投影可具有或不具有一个或两个90度的角度。
图2I中是具有两个主纤维定向的层的示例。这里，纤维主要平行于长边定向，然而，像多于两个主定向一样其他定向也是可行的。图2J示出了具有非直线纤维的层的示例。所述纤维最好被定向得-在成形和固结之后-相对于强度和其他特性，可确定最终结构的最佳特性。
可以任何期望的定向(例如，单向、双轴向或任意方向)提供纤维2。然而，应将纤维如此定向，以便于增强在使用期间经受更高应力的最终结构的区域。通常，通过主要单向定向所述纤维并且基本平行于预成型件的边缘或垂直于其边缘可实现这一点。在图2A、C、D、H和I中纤维被布置得基本平行于预成型件的至少一个边缘，而在图2A、B、E、F、G和H中纤维束被布置得基本垂直于预成型件的至少一个边缘。如果水平投影具有两个平行侧并且平行侧之间的距离与任何一个平行侧的长度的比率非常大，即，＞5的话，那么认为布置在两个平行侧之间的单向纤维基本平行于长边(例如见图2F)。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得出定向纤维的其他方法。
在所有纤维层中纤维的定向可为相同的或不同的；然而，在优选实施例中，在所有纤维层中纤维的定向基本是相同的。当一个或多个纤维层以其他层的另一种方式定向时，这可例如假定应力分析提出了多轴向纤维布置，但是出于制造方面原因的考虑单向纤维布置是有利的。
用于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，增加这些区域中的纤维量。在图2E中示出了其一个示例，其中靠近于预成型件中央部分的区域比预成型件的外部区域具有更大量的纤维束。
即使在预成型件的随后的巩固期和/或固结时气体不通过树脂层选出的情况下不需要树脂层时，也最好将树脂提供得用于形成非连续层。树脂最好是半固化并且可粘接于一层或多层纤维或至少部分地固定一层或多层纤维。在优选实施例中，树脂被分布得用于形成固体或半固体颗粒4b型式，如图3B中所示的，这些颗粒例如可被喷洒在纤维的一层上。这些离散点例如可选择性地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。在图3A中示出了定向型式的一个示例，其中树脂被分布为垂直于主纤维定向的树脂4a的线。作为图3A中所示的分布的变体，树脂可被部分地提供在边缘上，即，线的转动部分可在水平投影以外，以提供更均匀的树脂密度。然而，这将导致不期望的浪费并且应通过控制涂覆期间树脂的流动而省略。在图3C中示出了随意型式的一个示例，其中树脂被分布为曲线。在图3D中示出了非连续性树脂层的不同方法，其中提供了具有多个穿通孔12的树脂板4d。如可从这些树脂型式中明白的是，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。
原则上可以与树脂同样的型式提供粘合剂6。然而，最好以较不密集的型式提供粘合剂以节省时间。在图4中示出了粘合剂分布的一些优选实施例。重要的是要牢记粘合剂的目的是确保纤维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从而增强预成型件的未固结预成型件的易操作性。确保推进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开端所处的位置或粘合剂带提供在纤维开端所处的实际位置。在图4A中，纤维布置的方向由箭头14指示。因此，纤维最初靠近于粘合剂6a。确保纤维较好固定的优选方法是在靠近于纤维的终端处提供粘合剂6b。如果粘合剂6a和6b不能提供纤维的充分固定的话，可再提供粘合剂6c。在图4A中，粘合剂被提供为带形的，然而，其他实施例也是可行的，例如，点状的、虚线或曲线的等等。在一些情况中，自动化可促成粘合剂型式，其中如图4B中所示的，粘合剂以连续线，例如z形图案被提供。这是与图4A的型式相比较减少了粘合剂开端和终端的数量的例子。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。
在一些应用中，预成型件最好为具有非圆形横截面的增强结构，例如为具有基本为矩形横截面的杆(梁)，其中所述预成型件应关于锐边可弯曲。这种情况下纤维的优选定向是，主纤维定向平行于边缘，例如，沿图5中I-I的方向。之后可有利地将至少一部分预成型件形成为三维的以增强预成型件的定型。为了获得三维定型的明显效果，预成型件通常最好应包括至少三层定向纤维束。这是由于如果预成型件仅由两层构成的话，在不使用预成型件三维定型的情况下预成型件通常可被弯曲。层的数量越大，从预成型件的三维定型中获得的益处就越大。在优选实施例中，如图5中所示的，提供了一个预成型件，该预成型件朝向基本平行于纤维定向的边缘具有两个锥形部分22；然而，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得出多个变体。所述变体可使用例如一个、三个或其他数量的锥形部分，使用一个或多个阶取代锥形部分，将锥形部分布置得远离边缘，例如，靠近于中央等。
“以三维方式形成”一词在这里指的是厚度(例如，层的数量或纤维和/或树脂的量)和/或水平投影的形状相对于预成型件的主体(例如，24)被调节为预成型件的一部分(20、22)。
三维形状也可用于减小预成型件与相邻结构之间的界面应力。所述相邻结构的示例是其它预成型件并且是较大结构的部分，例如，风轮机叶片的根部。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接触区域的形成。在图5中，一部分20是用于减小预成型件与相邻结构之间的界面应力的三维形状的示例。如沿图5中的I-I的横截面所示的，远大于垂直距离的距离分离锥形部分20中的纤维层的终端，因此将减小界面应力。
例如通过在纤维布置期间选择性地开始和结束纤维束可获得特定的水平投影或三维形状。
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、环氧或类似成分，或者这些成分的组合。使用任意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。在预成型件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。
所述树脂可为液体、半固体或固体材料。所述树脂例如可为不饱和聚酯基、聚亚安酯基、环氧基、热塑性或相似化学成分的，包括所述成分的组合。
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定向纤维束的实体中，所述定向纤维束在纤维布置期间通过粘合剂被预先固定。
在另一个优选实施例中，所述树脂为固体。包括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的预成型件。
在另一个优选实施例中，所述树脂为半固体并且起强度树脂和粘合剂两者的作用，即，在纤维布置期间，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。这些系统可为不同或相同类型系统的任何组合，然而，所述树脂最好包括两种基本为环氧基的系统。在优选实施例中，两种环氧基系统包括共同成分。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。
在图6所示的一个实施例中，预混合料36包含胺成分30a和30b以及催化剂32，所述催化剂32最好用于催化第二环氧基系统的固结。所述预混合料应为稳定的溶液或悬浮液，并且如果粘性太低从而导致无法阻止固体成分(例如，催化剂)的沉淀的话，可加入少量环氧成分(最好为所述系统的共同环氧成分)。通常来说，0.1到5％重量百分比的环氧应足以调节所述粘性。所述预混合料和共同环氧成分应在树脂40分配之前立刻混合。所述树脂可被加热以降低粘性，但是最好所述树脂在室温下为半固体的。
可以本领域中普通技术人员惯用的大多数传统方法制备本发明所使用的树脂，并且图6中所示的关于树脂的制备的本实施例应被理解为该任何制备树脂的一个示例。该实施例不应被看作是对于本发明保护范围的限制。
或者，如图7中所示的，可提供一种简单的三维形状，其中多个相同的定向纤维的水平投影50被布置在彼此的顶部，但是略为偏移。水平投影50上示出的线不表示纤维束的定向而只用于当它们组合在一起时增强不同层之间的分辨率。在图7的中间部分中，所述层逐步地放置在彼此的顶上，因此在图7的底部中形成预成型件，所述预成型件具有少数量纤维层的部分52、中等数量纤维层的部分54以及大数量纤维层的部分56。当提供更高数量的层时，那么可将部分52和54制备为显示出几乎锥形形状。这种方法可同时提供具有两个、三个、四个或多个锥形部分的预成型件。
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。因此非常难于将碳纤维增强复合材料连接于由其他类型纤维增强的复合材料，因此包含碳纤维的预成型件可在用于连接于包含第二类型纤维和树脂的复合部件方面被有利地增强。第二类型纤维的示例为玻璃纤维、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。
在优选实施例中，通过为预成型件提供第二类型纤维而增强预成型件的连接。这些第二类型纤维可延伸得超过预成型件以便于提供用于连接的部分。第二类型纤维以及碳纤维可被提供在富有各个纤维的交错层中。例如，所述层可排外地仅具有一种类型的纤维。在优选实施例中，包含第二类型纤维的层被设为预浸料坯。所述预浸料坯可为单向预浸料坯，然而，令人惊奇的是，试验结果证明，包含第二类型纤维的双轴向预浸料坯对于预成型件与由第二类型纤维增强的结构之间的连接提供了更好的基础。
靠近于交错在具有不同特性材料中的纤维层的端部，将形成应力集中。为了减少或避免从一层的端部到另一层的端部的应力耦合，交错的距离应大于应力集中的范围。由于难以确定应力集中的范围，因此最好使用安全余量，因此，应将两个相邻层的端部分开得至少是应力集中范围的两倍。
确保相同类型纤维的最近的层端部之间的距离应隔开相当于应力集中范围的距离也是合理的，最好具有安全余量，因此，使用2的因数。
应力集中的范围取决于因数的数量，例如层的厚度、纤维的类型、树脂的类型等，并且可通过标准方法或经验方法确立。
本发明所涉及并且由本发明方法提供的预成型件对于预固结来说非常有用，这是由于树脂的非连续层的存在推进了气体从预成型件中的逸出。或者，所述预成型件可通过固结直接用于复合部件的制备。尤其是，所述预成型件对于风轮机叶片的部件的制备非常有用，这是由于可生产出实现了质量要求和再生产性要求的复合材料。
当要制备包含本发明所涉及的预成型件或通过本发明方法生产的预成型件的较大结构时，可伴随这样一种方法，其中预成型件被至少部分地塑性成形。预成型件可在成形之前或之后与另一个预成型件相连接以提供更大结构。预成型件也可被连接于其他结构。所述连接最好(但非必须)涉及锥形部分或包含第二类型纤维的层。组合结构可被放置在真空密封中并且在固结之前被供以真空。最后，预成型件结构被固结。
图8示出了预成型件的横截面的一个示例，所述预成型件在与一种结构或由第二类型纤维增强的预成型件的连接方面被增强。当待连接结构的物理特性明显不同时更彻底的连接是尤为重要的。通常，增强纤维将物理特性指示为较高程度，并且相关物理特性的示例是热膨胀系数、CTE、以及弹性模数。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，这些类型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。第二类型纤维可为以上描述中所提及的纤维类型中的任意一种，例如这种类型的连接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。图8中的预成型件具有在预成型件块的碳纤维60的层之间交错的第二类型纤维62(例如，玻璃纤维)层。
在优选实施例中，交错的覆盖距离64大于富有(或排他地包含)碳纤维的层与富有(或排他地包含)第二类型纤维的层之间的界面应力的末端条件的范围，这是由于这将防止交织层之间的耦合或形成。出于相同的原因以及出于引入安全余量的原因，更好的是，交错的距离64大于界面应力的末端条件的范围的2倍。
在另一个优选实施例中，富有在富有碳纤维的层之间交错的第二类型纤维的层端部之间的距离66被大于富有碳纤维的层与富有第二类型纤维的层之间的界面应力的末端条件的范围的距离隔开。再者，这也是用于防止交织层之间的耦合或形成。出于相同的原因以及出于引入安全余量的原因，更好的是，富有第二类型纤维的层端部之间的距离大于界面应力的末端条件的范围的2倍。
在一个优选实施例中，再通过预固结处理预成型件以形成以下部分中所述的预固结预成型件。在预固结处理期间与提供在较低粘性的预浸料坯中的纤维相比较，当纤维被提供为音根纤维、纤维束、纤维束-浸料，预固结是尤其有用的。这将增加树脂和/或纤维的重新分布，由于其增加了所获得产品的同质性，因此是非常令人期待的。
“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预成型件。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预成型件(在下文中称之为预固结的预成型件)，因此预固结是尤为有用的。此外，由于良好的再生产性、低孔隙率、高同质性、高强度、预固结的预成型件的塑性定型能力、连接于其它预成型件和/或其他结构的能力、适合于自动化的能力以及没有太早的硬化而具有长贮存寿命，使得预固结的预成型件和从预固结的预成型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预成型件塑性变形的程度。允许预成型件塑性变形的固结程度又取决于实际的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％的释放量。
通常来说，预固结处理应降低预成型件的孔隙率，然而，所得到的预固结的预成型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预成型件。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预成型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预成型件的孔隙率。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预成型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，必须在物质图谱的制备之前固结预成型件。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，预固结的预成型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。
预固结的预成型件的一个特征是它们是至少部分可变形的。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预成型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预成型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预成型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/或水平投影的形状相对于预成型件的主体被调节为预成型件的一部分。通常，只有一部分预成型件被制备为锐弯，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预成型件的所有部分实现。
在预固结处理期间获得的预成型件的刚度应确保预固结的预成型件具有足够的刚度以防止当预固结的预成型件被放置在非平坦表面上时预固结的预成型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。具体地，当包含碳纤维的预固结的预成型件被放置在玻璃纤维的交叉层上或具有局部重叠的玻璃纤维预浸料坯上时，那么预固结的预成型件在放置和固结期间应基本保持平坦，而玻璃纤维应调节为预固结的预成型件的形状/形式。因此，碳纤维应保持直的从而导致组合结构的增强强度。
预固结处理通常例如通过部分固结而导致预成型件中树脂粘性的增加。最好在室温下粘性由于至少两个因数中的一个因数而增加或者由于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，粘性将由于更高的因数(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预成型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。未固结的预成型件中树脂的粘性最好在执行预固结处理的温度下大约在100到10000cP，最好大约为500到3000cP。
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℃，最好至少增加5℃，由于Tg中的增加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。当未固结的预成型件的Tg非常低时尤其会是这种情况。
通常来说，本发明所涉及的具有环氧基树脂系统的预固结的预成型件通常应具有-10到+30℃的Tg并且最好应具有-5到10℃的Tg。在一个优选实施例中，预固结的预成型件的树脂的Tg高于0℃，最好大于3℃。而树脂的未固结的预成型件的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预成型件的固结将产生具有相当于真空固结预成型件的特性的材料，这是由于在固结之前的预固结处理期间消除或大大减少孔隙率。
树脂可包含不止一种系统，例如，树脂可包含两种系统。这些系统可为不同或相同类型系统的任何组合，然而，所述树脂最好基本包括两种环氧基系统。树脂的系统应为相容的。在优选实施例中，两种环氧基系统包括共同成分。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。
在预固结预成型件的优选方法中，预成型件被放置在例如板、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。之后向预成型件施加压力。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。激活预固结。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。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预成型件冷却到一定温度下的结果，其中预固结的预成型件的固结反应足够缓慢和/或粘性足够低以获得期望储存寿命所需的稳定性。
在一个优选实施例中，待预固结的预成型件具有至少一个非连续树脂层，尽管气体可在预固结处理期间被排出。因此，气体无需从树脂层的平面中或纤维层的平面中的预成型件中被去除。大大减小了传输距离和在预固结的预成型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。
用于确保在预固结期间气体可连续地从预成型件中被去除的方法的示例包括从预成型件的中心开始朝向表面的预固结处理的逐渐激活或从侧部或边缘开始穿过预成型件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预成型件的侧部逐渐激活，或者通过控制微波加热，因此从预成型件的内部逐渐激活并且朝向表面移动而实现这一点。
本发明所涉及并且由本发明方法提供的预成型件对于通过固结而制备复合部件来说非常有用。尤其是，所述预成型件对于风轮机叶片的部件(尤其是风轮机叶片的梁)的制备非常有用，这是由于所述复合材料实现了质量要求和再生性要求。
当要制备包含本发明所涉及的预成型件或通过本发明方法生产的预成型件的较大结构时，可伴随这样一种方法，其中预成型件被至少部分地塑性成形。预成型件可在成形之前或之后与一个或更多个预固结的预成型件和/或未固结预成型件相连接以提供更大的结构。预成型件也可被连接于其他结构。所述连接最好(但非必须)涉及锥形部分或包含第二类型纤维的层。组合结构可被放置在真空密封中并且在固结之前被供以真空。最后，预成型件被固结。
具有定向纤维的层状结构的特性很大程度上取决于结构树脂的主要元件的分布、纤维和孔隙率。与纤维相比较树脂具有低强度并且因此如果存在太大树脂层的话可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，即，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。
压缩过程中重新分布的程度取决于树脂的粘性，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，由于固结增加了可操纵性，并且减小了预固结的预成型件的粘性，因此可进一步减小粘性。因此，预固结使得树脂和/或纤维的重新分布达到比现有技术中可实现的更大的程度。所获得的预固结的预成型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预成型件的相应复合结构相比较，其中的层更不明显。
附图标记说明2指示主纤维定向的纤维4树脂4a树脂线4b树脂的点或颗粒4c树脂的任意线
4d 树脂板6 粘合剂6a 靠近于纤维起始端的粘合剂6b 靠近于纤维终端的粘合剂6c 预成型件中央部分上的粘合剂6dz 形图案中预成型件中央部分上的粘合剂10 预成型件的水平投影12 通孔14 纤维布置的方向γ 预成型件的水平投影的边缘之间的角度α 预成型件的水平投影的边缘之间的角度β 预成型件的水平投影的边缘之间的角度20 纤维的主方向上预成型件的锥形部分22 垂直于纤维主方向上的预成型件的锥形部分24 预成型件的非锥形部分30a 第一环氧基系统的胺成分30b 第二环氧基系统的胺成分32 第二环氧基系统的催化剂34 环氧成分36 包含胺成分和催化剂的预混合料38 混合和施加单元40 被混合和分配的树脂50 定向纤维的水平投影52 具有小数量纤维层的部分54 具有中等数量纤维层的部分56 具有大数量纤维层的部分60 包含碳纤维的纤维层62 包含第二类型纤维的纤维层64 交错的覆盖距离
66 包含第二类型纤维的层端部之间的距离
权利要求
1.一种预成型件，包括纤维和至少两层定向纤维束，最好至少三层定向纤维束。
2.依照权利要求1所述的预成型件，其特征在于，所述纤维为碳纤维、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。
3.依照权利要求1到2所述的预成型件，其特征在于，所述纤维为连续纤维。
4.依照权利要求1到3任意一项所述的预成型件，其特征在于，所述树脂主要是热固性树脂。
5.依照权利要求4所述的预成型件，其特征在于，所述树脂主要是环氧基树脂或聚酯基树脂。
6.依照权利要求4所述的预成型件，其特征在于，所述树脂包含两种树脂系统，最好为两种环氧基系统。
7.依照权利要求1到6任意一项所述的预成型件，其特征在于，所述预成型件的水平投影基本为矩形。
8.依照权利要求1到6任意一项所述的预成型件，其特征在于，所述预成型件的水平投影基本为梯形，最好具有基本相同的角度(α、β)。
9.依照权利要求7到8任意一项所述的预成型件，其特征在于，平行侧之间的距离至少为任意一个平行侧的长度的3倍，最好为大于任意一个平行侧的长度的5倍。
10.依照权利要求1到9任意一项所述的预成型件，其特征在于，所述预成型件的水平投影基本为四边形或三角形。
11.依照权利要求1到10任意一项所述的预成型件，其特征在于，所述纤维被基本地单向地定向。
12.依照权利要求1到10任意一项所述的预成型件，其特征在于，所述纤维基本被垂直于预成型件的一个边缘定向。
13.依照权利要求1到10任意一项所述的预成型件，其特征在于，所述纤维基本被平行于预成型件的一个边缘定向。
14.依照权利要求1到13任意一项所述的预成型件，其特征在于，所述纤维被定向以便于加固在使用期间将经受较高应力的最终元件的区域。
15.依照权利要求1到14任意一项所述的预成型件，其特征在于，所述纤维的定向在所有层中基本是相同的。
16.依照权利要求1到14任意一项所述的预成型件，其特征在于，第一层中的纤维定向不同于第二层中的纤维定向。
17.依照权利要求1到16任意一项所述的预成型件，包括至少三层纤维。
18.依照权利要求17所述的预成型件，其特征在于，所述预成型件的一部分被形成为三维的以减小所述预成型件与相邻结构之间的界面应力。
19.依照权利要求18所述的预成型件，其特征在于，所述预成型件的所述部分是锥形的。
20.依照权利要求17所述的预成型件，其特征在于，所述预成型件的一部分被形成为三维的以便于增强所述预成型件的定型。
21.依照权利要求20所述的预成型件，其特征在于，所述预成型件的所述部分是锥形的。
22.依照权利要求1到21任意一项所述的预成型件，其特征在于，所述预成型件包括碳纤维，并且所述预成型件被增强以便于所述预成型件与包含第二类型纤维与树脂的复合部件之间的连接，所述第二类型纤维最好从以下组中选择出来玻璃纤维、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。
23.依照权利要求22所述的预成型件，其特征在于，所述预成型件朝向所述复合部件的一部分具有第二类型纤维，并且所述第二类型纤维延伸得超过所述预成型件。
24.依照权利要求22所述的预成型件，其特征在于，所述预成型件朝向所述复合部件的一部分具有在富有(或排他地包含)碳纤维的层之间交错的富有(或排他地包含)第二类型纤维的层，并且所述第二类型纤维延伸得超过所述预成型件。
25.依照权利要求24所述的预成型件，其特征在于，交错的覆盖距离大于富有(或排他地包含)碳纤维的层与富有(或排他地包含)第二类型纤维的层之间的界面应力的末端条件的范围，交错的覆盖距离最好大于富有(或排他地包含)碳纤维的层与富有(或排他地包含)第二类型纤维的层之间的界面应力的末端条件的范围的2倍。
26.依照权利要求24到25所述的预成型件，其特征在于，富有在富有碳纤维的层之间交错的第二类型纤维的层端部之间的距离被大于富有碳纤维的层与富有第二类型纤维的层之间的界面应力的末端条件的范围的距离隔开，富有第二类型纤维的层端部之间的距离最好大于富有(或排他地包含)碳纤维的层与富有(或排他地包含)第二类型纤维的层之间的界面应力的末端条件的范围的2倍。
27.用于制备预成型件的方法，包括以下步骤提供定向纤维束的层；在所述纤维层之间提供粘合剂以便于至少部分地固定所述纤维；提供与纤维束的至少一层相接触的树脂。
28.依照权利要求27所述的方法，其特征在于，所述树脂被提供在两层纤维束之间。
29.依照权利要求27所述的方法，其特征在于，所述粘合剂包含树脂成分的至少一种，最好所述粘合剂具有与所述树脂基本相同的成分。
30.依照权利要求27到29任意一项所述的方法，其特征在于，所述树脂被提供以用于形成非连续层。
31.依照权利要求30所述的方法，其特征在于，所述树脂被提供为连续层，其中最好已通过冲孔而引入了通孔。
32.依照权利要求30所述的方法，其特征在于，所述树脂被提供为固体或半固体颗粒。
33.依照权利要求30所述的方法，其特征在于，所述树脂被提供为液体，最好用于形成线的定向或随意图案、若干线或点。
34.依照权利要求27到33任意一项所述的方法，其特征在于，所述粘合剂被提供在非连续层中，最好所述粘合剂沿与纤维的定向具有一定角度的线被提供，更好的是，所述角度相对于纤维的定向成约90°角。
35.依照权利要求27到33任意一项所述的方法，其特征在于，所述树脂是热固性树脂，最好基本为环氧基的。
36.依照权利要求35所述的方法，其特征在于，所述树脂包括两种环氧基的系统，最好所述环氧基系统包括共同成分，更好的是所述共同成分为环氧成分。
37.依照权利要求35到36任意一项所述的方法，其特征在于，所述环氧基系统包括不同的胺成分，最好，第一环氧基系统的胺成分在第一温度下与环氧成分起反应，而第二环氧基系统的胺成分在所述第一温度下将主要不起反应，所述第一温度最好低于50℃，更好的是所述第一温度大约为室温。
38.依照权利要求37所述的方法，其特征在于，所述第二环氧基系统的所述胺成分将在相应催化剂的激活的基础上固结，最好所述相应催化剂通过加热被激活。
39.依照权利要求36到38任意一项所述的方法，还包括以下步骤制备包含所述胺成分和催化剂的预混合料以便于形成稳定的流体或悬浮液，任选地，通过进入0.1到5％重量比的环氧成分而调节粘性。
40.依照权利要求39所述的方法，还包括以下步骤在涂覆所述树脂混合物以制备预成型件之前制备包含所述预混合料36和所述环氧成分34的树脂混合物38。
41.依照权利要求27到40任意一项所述的方法，其特征在于，所述树脂在室温下是半固体的。
42.依照权利要求27到41任意一项所述的方法，其特征在于，所述纤维和任选地所述树脂被提供得用于形成预成型件的基本为矩形的水平投影。
43.依照权利要求27到41任意一项所述的方法，其特征在于，所述纤维和任选地所述树脂被分布得用于形成预成型件的基本为梯形的水平投影，最好具有基本相同的角度(α、β)。
44.依照权利要求27到41任意一项所述的方法，其特征在于，所述纤维和任选地所述树脂被分布得用于形成预成型件的基本为四边形或三角形的水平投影。
45.依照权利要求27到44任意一项所述的方法，其特征在于，所述纤维被提供得用于通过最好在纤维布置期间纤维的选择性地切除和/或启动而形成期望定向和/或水平投影的形状。
46.依照权利要求27到45任意一项所述的方法，其特征在于，提供脱离前述纤维层边缘的纤维层，从而获得的预成型件的锥形部分，最好将所述纤维层提供在由所述前述纤维层限定的区域中，更好的是通过纤维的选择性地切除和/或启动而提供所述纤维。
47.依照权利要求27到45任意一项所述的方法，其特征在于，提供具有与脱离前述纤维层边缘的前述纤维层相同尺寸的纤维层，从而同时获得预成型件的至少两个锥形部分。
48.依照权利要求27所述的方法，其特征在于，定向纤维层包含碳纤维，并且还包括以下步骤提供包含第二类型纤维的层，包含第二类型纤维的所述层最好从预成型件的内部延伸得超过预成型件的至少一侧。
49.依照权利要求48所述的方法，其特征在于，包含第二类型纤维的所述层是预浸料坯，最好是双轴向预浸料坯。
50.依照权利要求48到49任意一项所述的方法，其特征在于，从预成型件的内部包含第二类型纤维的层的端部到包含碳纤维的定向纤维的相邻层的端部的覆盖距离大于定向的碳纤维的所述层与包含第二类型纤维的所述层之间的界面应力的末端条件的范围，最好大于定向的碳纤维的所述层与包含第二类型纤维的所述层之间的界面应力的末端条件的范围的2倍。
51.依照权利要求48到50任意一项所述的方法，其特征在于，预成型件的内部包含第二类型纤维的层的端部之间的距离被大于定向的碳纤维的所述层与包含第二类型纤维的所述层之间的界面应力的末端条件的范围的2倍的距离隔开。
52.依照权利要求27到51任意一项制备的预成型件。
53.权利要求1到26或52中任意一项所涉及的预成型件的使用，以便于制备预固结的预成型件。
54.权利要求1到26或52中任意一项所涉及的预成型件的使用，以便于制备复合部件。
55.权利要求1到26或52中任意一项所涉及的预成型件的与风轮机相关的使用，尤其是用在风轮机叶片中，更具体地说，用在风轮机叶片的梁中。
56.制备复合部件的方法包括以下步骤使得预成型件基本塑性地成形为期望形状；任选地，与所述预成型件相连接地布置一个或多个预成型件；任选地，将所述预成型件结构布置在真空密封中；固结所述预成型件结构。
全文摘要
本发明提供了一种预成型件和制备预成型件的方法。所述预成型件包含树脂和至少两层定向纤维束。所述预成型件包含纤维束(取代传统的预浸料坯)以增强在随后处理期间树脂和/或纤维的重新布置，以及提供了更大的自由度、降低了价格和/或减少了浪费。所述预成型件被三维地形成以增强与另一些预成型件或其他结构的连接和/或增强所述预成型件成为最终三维形状的定型。制备预成型件的方法涉及在纤维层之间提供粘合剂并且提供与至少一个纤维层相接触的树脂。所述树脂最好被提供在连续层中以便于沿垂直于树脂层方向的气体的至少部分地去除。所述预成型件适用于制备复合结构，例如用于风轮机叶片的梁的制备。
文档编号B29C70/54GK1758995SQ03826228
公开日2006年4月12日 申请日期2003年3月6日 优先权日2003年3月6日
发明者A·贝克 申请人:维斯塔斯风力系统公司