专利名称：模制聚合物复合材料的加热塑模的制作方法
技术领域：
本发明涉及适合于高温模制聚合物复合材料诸如热塑性和热固性复合材料组件的塑模。该塑模可以用于制造复合材料制品诸如风力涡轮机叶片。描述了较大结构的元件或制品的制造方法，其通常被认为比起例如较小的风力涡轮机叶片更难制造。这类组件的实例包括风力涡轮机叶片、飞机机身的部分、船只结构(marine structures)诸如船体以及大的汽车和运输工具面板、外层或容器。
背景技术：
复合材料和塑料材料用于使用各种模塑技术和设备制造产品。制造复合材料和塑料材料的方法通常需要将热提供给产品材料，其将导致该材料呈现模表面的形状。加热也可以在材料中激活化学固化或者聚合、或者一些其它期望的化学变化或形态变化。加热例如可以通过高压釜和印压机提供。这些方法通常产生漫长的周期时间以获得被制造部件所需要的温度状态，并且因此热加工周期通常由塑模和装备限制所限定，而不是由加工材料的最佳周期所限定。当被加工的复合材料组件的尺寸超过一定的限制时， 高压釜和印压机的成本可以变得令人望而却步。非常大的复合材料制品诸如风力涡轮机叶片的制造例如可涉及多个技术难题。这些问题由于叶片的长度被放大。此外，通常在本领域中使用的复合材料塑模没有坚固到足以被安全地操纵，并且不能够经受在复合材料制品的生产中使用的重复高温过程。金属塑模不适合于在高温制造非常大的复合材料制品，因为它们由于塑模和在其中加工的复合材料之间热膨胀系数不匹配而不可用。此外，已知的陶瓷塑模通常没有坚固到足以经受操纵。例如，当例如加工复合材料的真空压力被施加到大的陶瓷塑模时，其往往塌陷。因此，对于用于加工大的复合材料制品或其部件、具有内部加热的改进的塑模存在需求。本发明的一个目的是提供适合于加工大的复合材料组件的塑模，其具有高的强度和有效的加热设备。最近，出现了可再生能源领域的诸多研究和开发。具体地，很多研究已经集中在风能和其生成的方法。在本发明内特别感兴趣的是适合于风力发电使用的叶片，通常是用于转化天然风能成为足以驱动涡轮的转动能量的那些类型。这些叶片形状适合于捕获天然风能并从该天然风能产生转动运动。该转动运动被用于驱动发动机，其又生成电。叶片通常是转化风动能成为机械能的薄片。这些叶片常常被称为风力涡轮机叶片。复合材料制品诸如风力涡轮机叶片的制造方法在本领域是熟知的。大的复合材料制品诸如大的风力涡轮机叶片通常由以下三种方法中的一种制造手工铺叠(hand layup)；预浸渍带(pre-impregnated tape)以及一些形式的液体树脂注入干纤维和芯预制件(core perform)的方法。一般而言，涡轮叶片在两个凹形半壳中制成，其中凹表面彼此面对，结构支撑物如盒形梁(spar-box)或梁(spar)在两个匹配的半部分之间的腔中。在叶片与轮毂连接处，该部分(总称为根部分)是圆柱形单片复合材料层压板，并且通常分开地制造。整个组件然后在额外的操作中进行粘结结合——一个可能是复杂和费时的过程。
生产大的复合材料结构的最基本方法是使用手工铺叠玻璃纤维和未固化的热固性树脂诸如环氧树脂和聚酯树脂。这涉及手工施加玻璃纤维和树脂的交替层，其中刷子和辊被用于手工地施加一定压力到叠层上，以去除气穴和确保树脂已经渗透加强物。这个方法的主要优势是它便宜，因为不需要复杂设备。叶片加工可以是未被加热的，或者可能是加热的，例如至80°C，以引发固化反应。手工铺叠的主要缺点是它不干净和难以控制层压件质量。在工作场所存在与使用未固化的树脂相关的重大健康和安全问题。一般而言，大的复合材料结构的这种方法正在逐渐地被液体树脂注入方法或者使用预浸渍带所替代。
使用预浸渍带是比手工铺叠更先进的制作方法。在风力涡轮机叶片中，带通常由玻璃纤维强化的环氧树脂制成，但是碳纤维强化的环氧树脂也可以特别地在梁中使用。带通过手工铺叠或自动地铺叠在具有叶片壳的一半部分的形状的工具之上。整个铺叠物然后封装在真空袋中并进行空气抽空。然后对工具进行加热以固化树脂，通常到100°c的温度以上，持续多个小时，其可以是在4小时和8小时之间，这取决于叶片的尺寸。相同的操作在独立的工具上对叶片壳的另一半部分进行。梁和根部分在第三和第四工具上分别制造，与叶片壳的对半部分独立地进行。总的来说，整个过程——包括部件制造和粘接——可能花费M小时和36小时之间以从其单独部件(g卩，壳的半部分、梁和根部分)完全地生产大的例如长> 40m的风力涡轮机叶片。为了大量减少风力涡轮机叶片的这种漫长的制造周期，最有希望的技术是开发一些形式的一步法，其中整个叶片以一次操作生产。使用一步法避免了对粘接以及组装半部分和梁的需求。一步法导致叶片的重量减少，因为不需要粘合剂和填缝材料。该方法周期时间由于多个制造和组装步骤被去除也被减少。风力涡轮机叶片的一步方法也是有利的， 因为获得叶片尾端的更好模制定形(moulded definition)，产生更好的空气动力学和更低的涡轮运转噪声是可能的。Siemens AG 的 EP 1310351B1 禾Π 相应的 US2003/0116^2A1 (受让人 Bonus EnergyA/S)描述作为单一模制使用液体树脂注入方法生产热固性复合材料风力涡轮机叶片的方法。在这个方法中，用于生产夹层结构的强化纤维材料与芯材料一起被置于闭合的塑模中。随后，液体树脂通过施加真空被注入纤维材料中。在EP 1310351中描述的方法的一个实施方式中，热固性预浸料被放置在叶片的高负荷部分中，以利用这些预浸料提供的高纤维体积分数。占叶片更大部分的剩余干纤维材料在施加真空下用液体树脂注入。特别构造的具有柔性外部件和坚固或可工作内部的模塑芯在浸润和固化期间被保留在塑模中， 在此后被移走。芯在加工期间必须被保留在适当位置，因为描述的树脂浸润过程在浸润期间必需降低真空压力。因为真空压力是加工期间充当支撑复合材料叠层的唯一外力时，芯必须被留在适当位置以阻止组件由于材料重量而坍塌。然而，它不是以一步将液体注入大的热固性复合材料风力涡轮机叶片的简单方法。EP 1310351B1和US2003/0116262A1描述树脂供应管道的复杂系统，其被用于分配许多树脂通过层压板的夹层芯。保持恒定的纤维体积分数的困难由于叶片的厚部分坚固层压区域例如梁帽(spar-cap)和轮毂部分的浸润而出现。EP 1310351B1和US2003/0116262A1公开了在这些区域中预先放置热固性浸渍材料的方法，其然后通过树脂注入方法完全地浸润。然而，整个结构中的规定纤维体积分数的获得对于满足负荷结构诸如风力涡轮机叶片的设计要求是至关重要的，并且这对于使用液体树脂注入获得可能是困难的。因此，本领域技术人员将意识到与制造复合材料制品的已知方法相关的困难。具体地，在涉及使用干燥材料叠层的方法的情况中，存在与加工之前在工具(塑模)上精确放置叠层相关的困难。尽管现有技术，例如，因此存在对制造复合材料制品诸如风力涡轮机样品的改进方法的需求。具体地，存在对改进的一步法的需求，通过该方法，可以容易地生产具有期望的纤维体积分数的完全浸润和聚合的复合材料制品，诸如风力涡轮机叶片。因此本发明的一个目的是提供制造复合材料制品的改进的方法，特别是风力涡轮机叶片，由此可以以一步法制造复合材料结构。
发明内容
因此，一方面，本方面提供制造用于模制聚合复合材料的塑模的方法，所述方法包括在可涂抹的陶瓷材料中埋置多个加热元件和至少一层纤维增强聚合物，所述陶瓷材料的固化温度小于聚合物的熔点，在小于所述聚合物的熔点的温度下固化所述陶瓷材料以产生固体陶瓷体，和在所述聚合物的熔点以上的温度加热所述陶瓷体。本文描述的实施方式并入了在用陶瓷材料浸渍的纤维增强聚合物的层内埋置的电加热元件。固化温度可以高于60°C、高于70°C、高于80°C或甚至高于90°C。这些固化温度可以用基本加热方法获得，比如在其中生成热空气流的通道。埋置的步骤包括(a)施加可涂抹陶瓷材料的第一层到塑模模型，(b)施加纤维增强聚合物的层至所述第一层，(c)施加陶瓷材料的第二层至所述纤维增强聚合物并使其进入，(d)任选地，重复步骤(a)至(C) 一次或多次，(e)施加加热元件的层至陶瓷材料的暴露表面，和(f)用陶瓷材料的另外的层覆盖所述加热元件的层。如本文使用的术语“使其进入(work it in)”指将压力施加至被施加至纤维增强聚合物的陶瓷材料的层上，使得陶瓷材料浸渍聚合物材料并且任何夹带空气的大部分被去除。压力例如可以通过辊施加。可选地，压力例如可以通过施加至压力袋上的真空压力施加，或者例如通过高压釜施加正压力至真空袋上。本领域技术人员将意识到施加压力的任何其它合适的方法可以被使用，以确保陶瓷糊状物浸渍纤维增强的聚合物。优选地，步骤(f)包括重复步骤(a)至(C)至少一次。合适地，所述方法进一步地包括步骤加热所述塑模到25至100°C范围的温度一段足以干燥所述陶瓷材料的时间。这个步骤包括脱湿步骤，由此所述陶瓷材料被干燥并且随后从所述塑模模型中移去。这通过经过加热电线最初引入低水平的电力一段干燥陶瓷所必需的时间来完成。通过执行脱湿步骤，加热电线的任何短路的可能性被避免。脱湿步骤优选地在加热所述陶瓷体到聚合物的熔点温度以上的温度之前进行。脱湿有利地通过接通塑模的加热元件进行。由此可以避免使用大的高压釜或烘箱。
纤维增强聚合物层合适地包括与聚合物的纤维编织在一起的碳纤维。纤维增强聚合物层可选地包括与聚合物的纤维编织在一起的玻璃纤维、金属纤维或玄武岩纤维 (basalt fiber)或它们的混合物。可选地，纤维增强聚合物层可以包括在其上已沉积聚合物的碳纤维、玻璃纤维、金属纤维或玄武岩纤维。聚合物例如可以是固体形式诸如粉末、颗粒状或小球。在本文描述的实施方式中，纤维增强聚合物层由干碳纤维束与聚醚醚酮(PEEK) 的纤维或线的混合织物组成。依照本发明，PEEK是特别优选使用的，因为其具有高的玻璃化转变温度(Tg = 143°C )和熔解温度(343°C )，其在上至220°C的工作温度产生优良机械性能，并且在220°C和300°C之间产生中等的机械性能。使用聚醚醚酮(PEEK)聚合物的特别优势是一旦熔化和熔合到增强纤维和陶瓷材料，得到的3-组分复合材料在170至220°C 的模塑温度范围具有优良的机械性能，并且在220和300°C之间仍然具有中等的机械性能。 PEEK的加入对于陶瓷工具(ceramic tool)增加了显著的冲击和断裂韧性，这通过用玻璃或碳纤维简单地增强陶瓷工具是不会获得的。因为塑模的机械性能通过这些方法被强烈地提高时，这些塑模可以在它们的使用寿命期间经受简单得多的加热方案。聚合物可选地可以包括聚苯硫(PPS)、聚醚酰亚胺(PEI)或聚醚酮酮(PEKK)。在聚醚酰亚胺(PEI)或聚醚酮酮(PEKK)聚合物的情况中，在熔化和熔合到增强纤维和陶瓷材料后，得到的3-组分复合材料在170至220°C的模塑温度范围具有优良的机械性能，并且在220和300°C之间仍然具有中等的机械性能。在聚苯硫(PPS)聚合物的情况中，3-组分复合材料的机械性能在170至220°C的模塑温度范围具有中等的机械性能，但是将不适合于在250°C以上温度使用。使用PELL或PPS也将增加工具的断裂和冲击韧性，其中PEKK和PEEK产生最高的增韧作用。熔合增强纤维与聚合物纤维以形成结构复合材料要求材料在聚合物的熔化温度以上进行，以允许聚合物浸渍纤维束和在纤维束周围流动。在PEEK的情况下，该温度为 360°C和 390°C之间。在聚合物纤维熔化后，塑模加热器关闭，并且使该塑模自然冷却例如到室温。在该冷却过程期间，聚合物凝固并回到其半晶体形态结构。在塑模的制作中，这种高温要求可能通常不满足在塑模模型的构建中使用的材料。为了克服该困难，在塑模的构造期间将糊形式的陶瓷材料在碳和PEEK纤维的混合层之间引入。这种陶瓷材料——在该实施方式中为陶瓷的碱性硅酸铝或偏硅酸钙——可在以相对低的温度比方说60°C固化，该温度可以容易地为塑模模型忍受。可以以这种低温度固化的材料的使用是特别有利的，因为可以使用能够忍受这种温度的较不昂贵的塑模模型。在制造根据本发明的陶瓷中使用的优选的陶瓷材料可以称为“地质聚合物 (Geopolymers) ”，并且属于一类合成硅酸铝材料。本领域技术人员将意识到，其它合适陶瓷材料也可以用于制造根据本发明的塑模。通过陶瓷材料的固化和随后的凝固提供的功能是在纤维和聚合物的熔合之前结构强度和刚度被赋予给塑模。在塑模内的这种刚度程度有助于从模型中移出塑模，同时保持其完整性和形状稳定性。当塑模从模型中移出后，整体加热被用于使塑模温度在聚合物的熔化温度之上。当这样做时，聚合物熔化并流入纤维束中和在纤维束周围，这赋予塑模结构增加的强度和硬度。聚合物也保护纤维免被陶瓷腐蚀，诸如，聚合物可以例如在陶瓷基质中被玻璃纤维所经历。由此由增强纤维、聚合物和陶瓷构建的塑模具有上至230°C的工作温度和具有高的结构强度。这种结构强度是单独用陶瓷材料可获得的大约3. 5倍。将意识到塑模的工作温度将取决于在纤维增强聚合物层中使用的聚合物。塑模的工作温度因此可以大于230°C，这取决于使用的聚合物。根据本发明的第二方面，提供模制聚合物复合材料的塑模，所述塑模包括具有在其内埋置的多个加热元件和至少一层纤维增强聚合物的陶瓷体。如在本文使用的术语“塑模”和“工具”可互换地使用且具有相同含义。本文描述的塑模适合用于高温模制聚合物复合材料。该塑模特别适合于模制大的复合材料制品， 诸如风力涡轮机叶片或其部分、飞机机身和大的汽车和运输工具面板以及船只结构诸如船体、外层或容器。因此，在进一步方面，本发明提供制造复合材料制品的方法，所述方法包括步骤(i)在工具上以足够形成制品的期望叠层的量提供一层或多层的纤维预浸料；(ii)施加热和真空至所述材料；和(iii)在所述工具中保持足够的热和真空足以形成复合材料制品的一段时间；特征在于所述叠层在步骤(ii)之前封装在牺牲袋中。本文描述的塑模(工具)适合于在上述制造复合材料制品的方法中使用，其包括具有多个加热元件和至少一层纤维增强聚合物埋置在其中的陶瓷体。描述的增强塑模特别适合于在本文描述的方法中使用，因为它可以被操纵而不塌陷。增强塑模的另一个优势是其可以被加热至熔化所述牺牲袋所需要的温度。因此，本发明也提供本文描述的塑模在制造复合材料制品的方法中的应用，所述方法包括步骤(i)在工具(塑模)上以足够形成制品的期望叠层的量提供一层或多层纤维预浸料；(ii)施加热和真空至所述材料；和(iii)在所述工具(塑模)中保持足够的热和真空足以形成复合材料制品的一段时间；特征在于所述叠层在步骤(ii)之前封装在牺牲袋中。所述方法可以进一步包括步骤(a)提供包括预浸料的一个或多个叠层；(b)在牺牲袋中封装每个叠层并施加真空；和(c)在步骤(ii)之前将叠层放置在一起，使得牺牲袋保持每个叠层的预浸料在适当位置并且在施加热时熔化。所述牺牲袋在施加热时熔化。所述牺牲袋可以与预浸料的树脂混合而没有引起对复合材料制品的机械性能的任何不良作用。本发明提供由热固性或热塑性预浸料制造复合材料制品的一步法。使用预浸料允许在叶片的整个结构中获得正确的纤维体积分数。这比本领域已知的一步液体模制方法有明显优势，其中在大的结构内的局部纤维体积分数取决于多个关键参数的控制，诸如在填充和固结过程期间的树脂温度和粘度、预制结构、温度升温速度、最大温度、在最大温度的时间和真空压力。
本领域技术人员将意识到，当加工复合预浸料时，控制干燥纤维材料的叠层可能是困难的。根据本发明的方法，使用牺牲袋提供精确放置材料到塑模(工具)上的方法，直到它们被处理。牺牲袋的使用可以仅与这些类型的预浸料一起使用，其中纤维和树脂都被包含在铺叠的层中。牺牲袋用于通过施加真空保持至少一层预浸料在适当位置。工具由此可以被操纵而对于材料的定位没有不良作用。如本文使用的术语“牺牲袋”也意欲指在施加热时熔化的袋或层。牺牲袋优选地由惰性塑料材料制成。牺牲袋优选地与复合材料叠层的成分混合。牺牲袋优选地对于复合材料的机械性能具有很小或没有不良作用。牺牲袋甚至能够提高复合材料的机械性能。根据本发明使用的袋适合于在制造大的和小的复合材料制品的方法中使用，包括风力涡轮机叶片和或其部分。将意识到袋也可以根据本发明的方法进行使用，以有助于从难于铺叠的干燥预浸料加工更小的复杂部件诸如小的风力涡轮机叶片或者汽车组件。所述牺牲袋可以包括这样的任何合适材料，其熔点低于复合预浸料的加工温度的，并且，其中，当所述材料熔化并与所述预浸料混合时，其对于预浸料的机械性能不产生任何不良影响，或者其对于预浸料的机械性能具有很小的或者没有不良影响。合适地，牺牲袋包括具有低于150°C的熔化温度的半结晶热塑性聚合物。所述牺牲袋可以可选地包括具有低于125°C的玻璃化转变温度的非晶态聚合物。所述牺牲袋合适地包括选自以下的材料低密度聚乙烯(LDPE)、聚丙烯、乙烯乙酸乙烯(EVA)材料和它们的共聚物。本领域技术人员将意识到所述牺牲袋可以包括其它合适聚合物材料。所述袋可以包括可以提高叶片的硬度或韧性的合适材料。所述工具可以被加热至170至400°C范围内的温度。合适地，所述工具被加热至170至210°C的温度。合适地，所述牺牲袋具有低于所述预浸料的加工温度的熔点。根据本发明的方法特别适合用于需要在180°C或以上温度加工的预浸复合材料。在优选的实施方式中，本发明提供制造复合材料制品诸如风力涡轮机叶片的方法，所述方法包括步骤(i)提供形成制品的第一部分和第二部分的工具；(ii)在所述工具上提供一层或多层纤维预浸料，以形成所述制品的所述第一部分的期望叠层；(iii)在所述叠层上放置牺牲袋并施加真空以将所述叠层与所述工具密封；重复步骤(ii)和(iii)以形成所述制品的第二部分的期望叠层；(iv)放置所述制品的所述第一部分的叠层至所述制品的所述第二部分的叠层；(ν)施加热和真空至所述工具；和(vi)在所述工具中保持足够热和真空一段足以形成复合材料制品的时间。优选地，所述工具包括具有多个加热元件和至少一层纤维增强聚合物埋置在其中的陶瓷体。本领域技术人员将意识到，根据本发明的方法也可以用于制造除风力涡轮机叶片之外的复合材料制品。所述牺牲袋可以用于帮助铺叠复合材料制品的不同部分。例如，根据本发明的方法允许例如叶片的上半部分在开放的塑模(工具)上进行铺叠、封装在牺牲袋中和在袋和塑模之间施加真空以密封它。塑模的该半部分然后可以转动和放置在另一半部分的上面而不打乱叠层。由于所述牺牲袋，叶片可以一步法生产。牺牲袋的使用没有阻碍在两个叶片半部分的连接处形成树脂前部。这种一步法不要求在两个半部分之间合适位置保留任何芯。 因此，在该方法结束时不需要取走芯。该方法的成本由此显著地降低。在该方法期间塑模的总重量也降低。这种一步法不需要任何树脂注入。塑模的总重量由于抑制了注入加工也显著地减少。由于塑模重量减少，可以生产更长的叶片。在优选的实施方式中，根据本发明的方法进一步包括通过以下方法制备至少一个复合材料支撑件的步骤(a)提供一层或多层的预浸料和(b) —层或多层的泡沫材料，由此所述层以交替方式提供以形成叠层；和(c)封装所述叠层在所述牺牲袋中并施加真空。整个复合材料支撑件然后以一个部件转移至所述塑模(工具)而没有打乱叠层。复合材料支撑件合适地包括梁。所述方法可以进一步地包括在所述工具上，在所述制品的所述第一部分的叠层上放置所述梁；在所述梁上放置牺牲袋，和在步骤(iv)之前施加真空。因此，所述方法允许在适当位置用所述梁和其他组件铺叠所述制品(例如，叶片) 的第一部分并在真空下封装在牺牲袋中，这可以阻止叠层和组件在塑模闭合期间运动。所述方法可以进一步包括在步骤(iv)之前在邻近梁的每一侧放置真空袋的步骤。所述真空袋合适地包括尼龙袋且在加工期间给制品提供强度和支撑。非牺牲袋或真空袋用于在其和包含部件叠层的工具(塑模)之间产生体积。从该体积抽出空气在所述加工阶段在叠层上产生多至1巴的固结压力，其对于生产优良质量复合材料结构是必要的。真空的施加也保证叠层在加工期间保持与工具表面接触，并且这样做确保最终部件贴合工具的形状。如本文使用的术语“预浸料(pre-preg) ”指已经用树脂材料预浸渍的纤维材料诸如碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、金属纤维或其他纤维材料，树脂材料诸如原位可聚合的热塑性材料或热固性或热塑性聚合或预聚物材料，例如，在塑模中铺叠之前进行。树脂通常是在纤维之间的原位。术语预沉积指例如在塑模中铺叠之前树脂材料已经在其上沉积的纤维材料。在这种情况下树脂可以是在纤维的上面或者仅在纤维的一侧上。术语“预浸渍材料(pre-impregnated material) ”应该被认为也包括预沉积材料，并且这些类型的材料也可称为预浸料。所述牺牲袋特别适合用于热固性预浸料。实际上，真空袋保持挥发性有机成分远离环境。热固性树脂可以通过操作人员以粉末、小球或颗粒形式在纤维上分布而不需要特定的空气过滤。预浸材料可以包括任何合适的热固性或热塑性预浸材料。因此，在优选的实施方式中，本发明提供由热固性或热塑性预浸材料制造风力涡轮机叶片的一步法的应用。热固性或热塑性预浸材料可以是聚合形式或者预聚物形式。合适的热塑性材料包括在欧洲专利申请号06076443. 8中描述的那些。合适的热固性材料例如包括环氧树脂、不饱和聚酯树脂、乙烯基酯树脂、热固性聚氨脂树脂、酚醛树脂、聚酰亚胺树脂和有机硅树脂。根据本发明使用的合适的树脂材料包括环状聚(1，4_对苯二甲酸丁二醇酯)(CBT)、高温环氧树脂、聚丙烯(PP)、聚酰胺(PA)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)。预浸材料可以选自环状聚(1，4_对苯二甲酸丁二醇酯)(CBT)和玻璃纤维毡 (glass fibre mat)；环氧树脂和玻璃纤维或碳纤维；玻璃纤维增强的聚丙烯(PP)、聚酰胺 (PA)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)或聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)。优选地，预浸料包括CBT和玻璃纤维毡。环状聚(1，4_对苯二甲酸丁二醇酯)(CBT) 是活化的大环聚酯低聚物，当聚合时其形成PBT聚合物，诸如在Cyclics Corporation的多个专利中描述的，包括美国专利号6，369，157。单组份CBT系统一般包括CBT与聚合催化剂在一起的混合物。理想地，这是一组份固态形式。这种一组份系统的优势是没有必要进行催化剂加入的单独混合步骤。可选地，预浸料可以包括用活性热可固化热塑性树脂浸渍的纤维增强板，诸如由 IQ Tec Germany GmbH以商品名PreTec EP销售的那些。这些预浸料可以包括热塑性树脂诸如从Freilacke可得到的FRE0P0X树脂和从AKZO NOBEL可得到的RESIC0AT树脂。这些预浸料特别适合于根据本发明进行使用，因为本文描述的增强塑模可以被加热至这些预浸料的加工温度以上的温度。在这些预浸料中使用的树脂通过热的施加被活化，典型地在 180°C以上，本文描述的塑模(工具)的优势是该塑模在180°C以上的温度是充分耐用的，以加工这些预浸料。使用常规热固性预浸材料构成的塑模(工具)将不具有加工这些预浸料的耐热性。本发明的进一步优势是这些活性热可固化热固性树脂在固化期间不显示放热反应，因此，如发现，使得它们特别适合于厚部分复合材料的快速固化，例如，在大的风力涡轮机叶片的轮毂端或在梁帽中。这些热固性树脂当加热时也显示非常低的粘性，其保证非常良好的树脂分布而不需要注入过程。而且，树脂量可以由此被细微地调节以增加复合材料的纤维体积分数。预浸料可以在工具上制备和铺叠或脱机制备。合适地，预浸料通过粉末沉积方法制备，由此粉末被铺在玻璃或碳纤维上，例如，被加热和通过辊以挤压粉末成为纤维。预浸料然后可以放置在工具上并根据需要用于形成制品的每个部分的叠层。本发明进一步提供通过根据本发明的方法可获得的复合材料制品。在本发明中，当应用于复合材料制品时，术语“大”或“较大”涉及现有技术通常以多个零件或多个部分构造的大小的那些制品或元件。例如，在一定大小之上时，制品的部分通常分开构造，用于后来连接在一起，并且所述制品的完整性在沿着部分之间的每一个结合处通常被损害。一般而言，复合材料由结合以产生在任何单独的组件中不存在的结构或功能性能的组件构建。对于许多应用，是复合材料的强度使它成为有吸引力的材料而使用。 对强度的损害使得复合材料较少地适合于其预期的最终用途。典型地，这种大或较大的复合材料制品具有至少一个尺寸(通常是倍长(times length))是5米或更大，例如10米或更大，诸如15米或更大。对于本发明，那些大的复合材料制品可以没有任何明显连接而制成。对于本发明，制造至少一个尺寸(通常是倍长)是20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、 70,75,80或85米或更大的制品是可能的。较大结构元件或物体是特别令人感兴趣的，虽然本发明不限于那些，并且可以应用于较小的物体。术语结构元件、复合材料制品等等因此包括由复合材料构成的所有制品。 由复合材料制造的制品包括建筑构件、车辆构件诸如汽车面板和结构、船只结构诸如船体、飞机构件诸如机翼和操纵表面。所有这些制品可以使用本发明的复合材料和通过本发明的方法制造。
以下以举例方式参照附图更详细地描述本发明，其中图1是根据本发明的实施方式的塑模的透视图；图2是图1示出的塑模的一部分的横截面视图；图3是部分制造的塑模的一部分，图解加热带的布局(layout)；图4示出在牺牲袋中封装的梁的叠层；图5示出在工具的上和下半部分中叶片的每个半部分的叠层；图6示出在牺牲袋中封装的叶片的一个半部分和梁的叠层；和图7显示具有叶片的上和下半部分和梁的闭合工具的横截面。
具体实施方式
详细因此，本发明提供适合于高温模制聚合物复合材料的增强塑模(工具)；制造所述增强塑模的方法和使用所述增强塑模制造复合材料制品的方法。图1示出塑模10，其用于模制相对大的复合材料和/或塑料组件的，诸如风力涡轮机叶片、飞机机身的部分、大的汽车和运输工具面板或其他较大组件，它们通常不适合于使用金属塑模和高压釜或烘箱组合进行模制。这些组件通常至少两米长或具有至少5m2的表面积。塑模10包括两个塑模部分 14、16。每个部分14、16包括周边法兰18以允许部分14、16相对于彼此被牢固和精确地定位。法兰18也可以作为用于模制期间紧固支撑部分14、16的框架(没有示出)的支点。每个部分14、16也可以包括在一端或两端上的法兰20，以允许特别长的塑模10由两对或更多对端对端夹紧的较短部分14、16形成。每个部分14、16是陶瓷材料28 (图2)的主体，在其中埋置碳纤维增强聚合物的层30。塑模10特别适合于在真空下可以固结的材料的加工，例如热塑性和热固性复合材料。在图1中，塑模10，特别是其内部工作表面22，被显示具有基本圆柱状的横截面，如用于模制例如风力涡轮机叶片或飞机机身部分的根部的情形。然而，根据被模制的物品的形状，工作表面22可以是任何期望的形状。例如，其可以是横截面为基本椭圆的，或翼剖面， 如在图3中示出，如用于模制风力涡轮机叶片主要长度的情形。由于相对大尺寸的塑模10，在高压釜或烘箱等等中加热它以固化在塑模10内正在形成的材料是不实际的，因为这种高压釜或烘箱的尺寸和因此成本以及复杂性将是令人望而却步的。因此，塑模10通过在其中埋置的加热元件或电线24的阵列被整体加热，图2 和3。图2是塑模10的一部分的横截面视图，并且应该理解这种相同横截面适用于围绕和限定工作表面22的塑模10的所有部分，并且优选适用于外周法兰18和末端法兰20，如果存在的话。图3示出部分制造状态(制造过程以下给出)的上部分14。加热电线24优选地包括高温柔性金属加热元件，并且特别是加热带，例如以商品名AMPTEK AWO提供的标准绝缘加热带。加热电线24位于塑模10的工作表面22的附近，以加热工作表面22，并且因此在塑模10的使用期间加热被模制的材料。加热电线24加热塑模表面22和因此加热材料使其处于可以优选在真空下贴合工作表面22的形状的充分柔软状态，以制造期望的元件。加热元件24阵列的间隔和方向是特别重要的，以在整个工作表面22中获得期望的加热分布， 并且特别是允许工作表面22的不同区域被同时加热至不同温度。这样，塑模10能够使在工作表面22上特定位置的热输出匹配于由塑模10正生产的元件的局部厚度。塑模10如下制造。步骤1 合适的坏件或樽型34(图2和3)以被模制的组件的形状生产。模型34， 或至少其表面，是与用于形成塑模10的材料相容的材料。模型34例如支撑在工作台(没有示出)上。步骤2 樽型34的上暴露表面首先用脱模剂(没有示出)覆盖，然后用凝胶涂层 26覆盖。在凝胶涂层26之前施加脱模剂确保当上部分14已经合适地固化后，它可以与模型34分离而没有损害上部分14 (塑模的上部分14首先制造，接着是下部分16)。凝胶涂层的优选材料包括与合适的轻质玻璃表面薄织物——诸如每平方米薄织物30克——结合的陶瓷性碱硅酸铝或或偏硅酸钙。将意识到有其他可以单独地或组合地使用的陶瓷材料。步骤3 纤维增强聚合物织物的层30然后布置在陶瓷糊状物层28A之上。织物 30包括干燥碳纤维的束与聚合物PEEK的纤维或条的混合织物。优选的材料是Schappe Techniques SA的Carbon/PEEK TPFL 材料。这种材料是混合的2D机织织物60/40% (Vf 53%),4的缎纹组织，具有每平方米650克的表面重量。PEEK在343 °C的温度熔化。步骤4 陶瓷糊状物的另一层28B被施加并用辊引讲织物30,以用陶瓷糊状物充分浸渍织物并去除夹带的空气。最后的层厚度典型为每层1.5mm左右。步骤5:重复步骤3至5两次，以形成具有陶瓷糊状物28与埋置的纤维层30的厚层。步骤6 加热元件24作为一层被施加至陶瓷糊状物28的暴露表面。加热元件可以是在美国Amptek提供的所谓加热带的类型中并入的电线。预先确定长度的带24提前准备。带从一卷切割，制备末端并确认电阻。带24的长度被正确地布置在陶瓷糊状物28上并按入糊状物中以保证它们保持在它们的位置。在该阶段，准备塑模部分的详细草图和加热带的设计图案。步骤7 重复步骤3至5超过两次，以进一步形成陶瓷糊状物28与埋置的纤维层 30的厚度，并且在该结构中埋置加热带24。总的厚度范围为10-20mm。 Μ^在这之后，塑模部分在60°C固化过夜，在该阶段它被脱模(从模型34移出)。脱模步骤可以在其中生成热空气流的通道中进行。该步骤同样具有帮助去除可能在工具中残留的任何湿气的优势。进一步加热至100°c及以上完全消除了留下的任何残留湿气。步骤9:在脱樽后，加热带24的所有末端根据较早准备的草图定位和标记。每个加热带的电阻被检查以确保所有端子是正确的。加热带然后与合适的外部控制电路连接。 在这个阶段，塑模部分准备使用埋置的加热系统进行加热。步骤10 将塑模部分升高至约390°C以熔化聚合物纤维并且形成碳纤维和聚合物之间的结合。这种结合大大增加塑模的结构强度，其一般是只使用陶瓷可得到的强度的3. 5倍。这完成了上部分14的制造。模型34现在翻转，使得模型的以前底面现在是最上面，并且重复整个的过程以形成下部分16。塑模10现在准备投入使用以生产期望的组件，例如风力涡轮机叶片，其可以是12 米或更长。这种尺寸的组件不适合于通过常规模制技术进行制造，常规模制技术需要在高压釜或烘箱等等中加热所述塑模，以帮助传统上用于制造此类涡轮叶片的聚合物复合材料的加工和固结。加热电线24优选地适合于生成100°C至500°C的工作表面22温度。精确的温度将取决于塑模10中被处理的材料的性质。例如，热塑性基质材料诸如聚丙烯和聚酰胺6、 聚酰胺12、聚酰胺11和聚对苯二甲酸丁二醇酯可以在180至240°C之间的温度进行加工。 热固性基质材料诸如聚酯和环氧树脂可以在200°C以下加工。其它热塑性材料诸如聚对苯二甲酸乙二醇酯可以在250°C至300°C之间加工。其它热塑性聚合物诸如聚苯硫、聚醚酰亚胺、聚醚醚酮和聚醚酮酮可以在300°C和400°C之间加工。加热装置24的额定电功率一般典型地在工作表面22的5kW/m2的30kW/m2的范围，但是当然可以变化以适应要求的特定生产速度以及被加工材料的厚度或局部厚度。功率密度也可以局部地变化以适应材料的厚度和类型的局部变化，以在塑模10内被局部地加工。这是使用加热电线24的阵列的主要益处之一，其热输出可以单独地变化或者在预先限定的组中变化，以定制热输出以便精确地匹配被模制的组件的规格。为此，每个单独的加热电线24或可选地为加热电线24的组可以具有专用电接头(没有示出)，其因此允许工作表面22进行这种差别加热。本发明也提供制造复合材料制品诸如风力涡轮机叶片的单一固化周期(一步)方法。本文描述的增强塑模特别适合于描述的一步法。本发明的这方面参照大的风力涡轮机叶片的制造进行描述，但是将意识到本发明不限于风力涡轮机叶片，并且可以制造由复合材料构建的其它制品。以下实施例说明根据本发明的方面用于制造风力涡轮机叶片的方法。根据本发明的增强塑模可以用于制造复合材料制品。
实施例在这个实施例中，CBT热塑性风力涡轮机叶片根据本发明的方法、使用由CBT和玻璃纤维毡形成的预浸料制造。本领域技术人员将意识到各种大小的叶片或叶片部分可以使用根据本发明的方法制造。在这个实施例中，用于制造预浸料的方法是粉末沉积，其中CBT或环氧树脂粉末被铺在被加热的纤维毡的上部并通过辊挤压粉末成为纤维。将意识到也可以使用商业可得的包括合适树脂材料的预浸料叶片的生产涉及以下阶段眷材料制备 工具制备 叠层支撑 材料铺叠 加热循环材料制备
在描述的实施方式中，叶片部分由以下原材料制成Cyclics Corporation 提供的 CBT 160 粉末由Ahlstrom Glassfibre提供的具有1152g/m2的面积重量的0° /90°玻璃纤维由Ahlstrom Glassfibre提供的具有600g/m2的面积重量的+/_45°玻璃纤维来自 Fagerdala Hicore 的 PET 泡沫,密度为 110kg/m3表1提供用于12. 6m叶片的材料叠层的细节表 权利要求
1.制造用于模制聚合物复合材料的塑模的方法，所述方法包括在可涂抹陶瓷材料内埋置多个加热元件和至少一层纤维增强聚合物，所述陶瓷材料的固化温度小于所述聚合物的熔点，在小于所述聚合物的熔点的温度下固化所述陶瓷材料以产生固态陶瓷体，和在所述聚合物的熔点以上的温度下加热所述陶瓷体。
2.权利要求1所述的方法，其中所述埋置的步骤包括(a)施加所述可涂抹陶瓷材料的第一层到模制模型，(b)施加所述纤维增强聚合物的层至所述第一层，(c)施加所述陶瓷材料的第二层至所述纤维增强聚合物且使它进入其中，(d)任选地重复步骤(a)至(c)一次或多次，(e)施加所述加热元件的层至所述陶瓷材料的暴露表面，和(f)用所述陶瓷材料的另外层覆盖所述加热元件的层。
3.权利要求2所述的方法，其中步骤(f)包括重复步骤(a)至(c)至少一次。
4.权利要求1、2或3所述的方法，其中所述纤维增强聚合物的层包括与所述聚合物的纤维编织在一起的碳纤维、玻璃纤维、金属纤维或玄武岩纤维或它们的混合物。
5.权利要求1、2或3所述的方法，其中所述纤维增强聚合物的层包括与所述聚合物的纤维编织在一起的碳纤维。
6.权利要求1、2或3任一项所述的方法，其中所述纤维增强聚合物的层包括在其上已经沉积聚合物的碳纤维、玻璃纤维、金属纤维或玄武岩纤维。
7.权利要求1至6任一项所述的方法，其中所述聚合物选自聚醚醚酮(PEEK)、聚苯硫 (PPS)、聚醚酰亚胺(PEI)和聚醚酮酮(PEKK)。
8.权利要求1至7任一项所述的方法，进一步地包括步骤加热所述塑模到25至100°C 范围的温度一段足以干燥所述陶瓷材料的时间。
9.用于模制聚合物复合材料的塑模，所述塑模包括具有在其内埋置的多个加热元件和至少一层纤维增强聚合物的陶瓷体。
10.权利要求9所述的塑模，其中所述纤维增强聚合物层包括与所述聚合物的纤维编织在一起的碳纤维。
11.权利要求9所述的塑模，其中所述纤维增强聚合物层包括与所述聚合物的纤维编织在一起的碳纤维、玻璃纤维、金属纤维或玄武岩纤维或它们的混合物。
12.权利要求9所述的塑模，其中所述纤维增强聚合物层包括在其上已经沉积聚合物的碳纤维、玻璃纤维、金属纤维或玄武岩纤维。
13.权利要求9至12的任一项所述的塑模，其中所述聚合物选自聚醚醚酮(PEEK)、聚苯硫(PPS)、聚醚酰亚胺(PEI)和聚醚酮酮(PEKK)。
14.根据权利要求9至13任一项所述的塑模在制造复合材料制品的方法中的应用，所述方法包括步骤(i)在工具(塑模)上以足够形成制品的期望叠层的量提供一层或多层纤维预浸料；( )施加热和真空至所述材料；和(iii)在所述工具(塑模)中保持足够的热和真空足以形成复合材料制品的一段时间； 特征在于所述叠层在步骤(ii)之前封装在牺牲袋中。
15.权利要求14所述的应用，其中所述方法进一步包括步骤(a)提供包括预浸料的一个或多个叠层；(b)在牺牲袋中封装每个叠层并施加真空；和(c)在步骤(ii)之前将所述叠层放置在一起，使得所述牺牲袋保持每个叠层的所述预浸渍材在适当位置并在施加热时熔化。
16.权利要求15所述的应用，其中所述预浸料包括热固性或热塑性预浸料。
17.权利要求16所述的应用，所述预浸料选自环状聚(1，4_对苯二甲酸丁二醇酯) (CBT)和玻璃纤维毡；环氧树脂和玻璃纤维或碳纤维；和玻璃纤维增强的聚丙烯(PP)、聚酰胺(PA)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)或聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)。
全文摘要
制造用于模制聚合复合材料的塑模的方法，包括在可涂抹陶瓷材料28内埋置纤维增强聚合物的至少一层30和多个加热元件24。所述陶瓷材料的固化温度小于所述聚合物的熔点。在小于所述聚合物的熔点的温度下固化所述陶瓷材料以产生固态陶瓷体，所述陶瓷体然后被加热至所述聚合物的熔点以上的温度，使得后者与纤维融合以加强所述塑模。所述塑模适合用于制造聚合物复合材料。也描述了使用该塑模模制聚合物复合材料的方法。
文档编号B29C33/38GK102202849SQ200980143405
公开日2011年9月28日 申请日期2009年7月7日 优先权日2008年10月10日
发明者A·多伊尔, C·奥布拉戴格, D·多伊尔, P·费瑞克, P·马伦 申请人:爱尔兰复合材料有限公司