BR112021003190A2

BR112021003190A2 - tecido de reforço híbrido

Info

Publication number: BR112021003190A2
Application number: BR112021003190-1A
Authority: BR
Inventors: Chloé Bertrand; Richard Veit; Samuel Solarski; Venkata S. Nagarajan
Original assignee: Owens Corning Intellectual Capital, Llc
Priority date: 2018-08-21
Filing date: 2019-08-16
Publication date: 2021-05-11
Also published as: EP3841236A1; CN112703280A; WO2020041104A1; US20220112637A1; CA3110168A1; MX2021001955A

Abstract

TECIDO DE REFORÇO HÍBRIDO. Um tecido de reforço híbrido inclui fibras de vidro e fibras de carbono. O tecido de reforço híbrido pode ser prontamente infundido a uma velocidade de infusão aceitável, sem a necessidade de que as estopas de fibra de carbono usadas para formar o tecido de reforço híbrido sejam espalhadas ou pré-impregnadas com resina. Assim, o tecido fornece um processo de infusão de uma etapa eficaz (isto é, no molde) durante a formação da peça compósita.

Description

“TECIDO DE REFORÇO HÍBRIDO” REFERÊNCIA CRUZADA A PEDIDOS RELACIONADOS

[001]Este pedido reivindica prioridade e qualquer benefício do Pedido de Patente Provisional U.S. No. 62/720.427, depositado em 21 de Agosto de 2018, cujo conteúdo total é aqui incorporado por referência.

CAMPO

[002]Os conceitos da invenção referem-se geralmente a materiais de reforço fibrosos e, mais particularmente, a um tecido híbrido incluindo fibras de vidro e fibras de carbono.

FUNDAMENTO

[003]É conhecido o uso de fibras de vidro para reforçar componentes estruturais, tais como pás de turbinas eólicas. É também conhecido o uso de fibras de carbono para reforçar componentes estruturais, tais como pás de turbinas eólicas. Esses componentes estruturais são frequentemente formados colocando à mão uma coleção de fibras (por exemplo, na forma de um tecido) em um molde, preenchendo o molde com uma resina e curando a resina para formar a peça.

[004]Materiais de reforço de fibra de vidro exibem boas propriedades mecânicas, incluindo resistência, deformação e compressão; são relativamente econômicos; e são prontamente infundidos com uma resina. No entanto, o módulo de elasticidade dos materiais de reforço de fibra de vidro é baixo, o que pode apresentar limitações de projeto.

[005]Os materiais de reforço de fibra de carbono exibem boas propriedades mecânicas, incluindo rigidez e resistência à tração, em uma baixa densidade. No entanto, os materiais de reforço de fibra de carbono são de baixa deformação, baixa resistência à compressão e relativamente dispendiosos. Além disso, os materiais de reforço de fibra de carbono podem ser difíceis de infundir com uma resina.

[006]Seria desejável combinar fibras de vidro e fibras de carbono em um material de reforço híbrido para uso em componentes estruturais de reforço, de modo a tirar vantagem das respectivas resistências de cada fibra, enquanto compensa as respectivas fraquezas de cada fibra. No entanto, quando os tecidos são feitos apenas com estopas de carbono, as fibras de carbono muito finas que são agrupadas juntas levam a uma velocidade de infusão pobre.

[007]Tecidos de reforço contendo carbono convencionais têm tentado resolver este problema através da pré-impregnação da estopa de carbono usada para formar o tecido. Em outras palavras, a resina é aplicada às fibras de carbono antes do tecido ser colocado em um molde para formar uma estrutura compósita. Em alguns casos, a estopa de carbono também é espalhada (isto é, as fibras de carbono individuais separadas) para acelerar a taxa de infusão da estopa de carbono. Tal tecido “pré- impregnado” pode apresentar dificuldades de processamento, armazenamento e manuseio.

[008]Em vista do acima, há uma necessidade não atendida de um tecido de reforço híbrido incluindo fibras de vidro e fibras de carbono, que pode ser prontamente infundido com resina a uma velocidade de infusão aceitável.

SUMÁRIO

[009]A invenção geralmente refere-se a um tecido de reforço híbrido que inclui fibras de vidro e fibras de carbono, um método de produção do tecido de reforço híbrido e uma peça compósita formada a partir do tecido de reforço híbrido.

[010]Em uma modalidade exemplar, um tecido de reforço híbrido é fornecido. O tecido de reforço híbrido compreende uma pluralidade de primeiras fibras orientadas em uma primeira direção; uma pluralidade de segundas fibras orientadas na primeira direção; uma pluralidade de terceiras fibras orientadas em uma segunda direção; e um fio de costura mantendo as primeiras fibras, as segundas fibras e as terceiras fibras em suas respectivas orientações. As primeiras fibras são fibras de vidro. As segundas fibras são fibras de carbono. As terceiras fibras são fibras de vidro, fibras de carbono ou ambas as fibras de vidro e carbono. A primeira direção é de 0 grau. A segunda direção é diferente da primeira direção, em que a segunda direção está dentro da faixa de 0 grau a 90 graus. As primeiras fibras e as segundas fibras constituem entre 91% em peso e 99,5% em peso do tecido. As terceiras fibras constituem entre 0,5% em peso e 9% em peso do tecido. No tecido, as fibras de vidro constituem entre 65% em peso a 95% em peso do tecido, e as fibras de carbono constituem entre 5% em peso a 35% em peso do tecido.

[011]Em uma modalidade exemplar, o fio de costura constitui menos do que 3% em peso do tecido.

[012]Em uma modalidade exemplar, o fio de costura é um fio de poliéster.

[013]Em uma modalidade exemplar, o fio de costura tem uma densidade de massa linear dentro da faixa de 60 dTex a 250 dTex. Em uma modalidade exemplar, o fio de costura tem uma densidade de massa linear maior do que 85 dTex. Em uma modalidade exemplar, o fio de costura tem uma densidade de massa linear maior do que 200 dTex. Em uma modalidade exemplar, o fio de costura tem uma densidade de massa linear maior do que 225 dTex.

[014]Em uma modalidade exemplar, o fio de costura forma um padrão de costura através do tecido, o padrão de costura sendo um padrão de costura tricotado.

[015]Em uma modalidade exemplar, o fio de costura forma um padrão de costura através do tecido, o padrão de costura sendo um padrão de costura tricotado duplo simétrico.

[016]Em uma modalidade exemplar, o fio de costura forma um padrão de costura através do tecido, o padrão de costura sendo um padrão de costura tricotado duplo assimétrico.

[017]Em uma modalidade exemplar, o fio de costura forma um padrão de costura através do tecido, o padrão de costura sendo um padrão de costura diamantado simétrico.

[018]Em uma modalidade exemplar, o fio de costura forma um padrão de costura através do tecido, o padrão de costura sendo um padrão de costura diamantado assimétrico.

[019]Em uma modalidade exemplar, o fio de costura define um comprimento de costura entre 3 mm a 6 mm. Em uma modalidade exemplar, o fio de costura define um comprimento de costura de 5 mm. Em uma modalidade exemplar, o fio de costura define um comprimento de costura de 4 mm.

[020]Em uma modalidade exemplar, as primeiras fibras são fibras de vidro e as terceiras fibras são fibras de vidro, em que uma composição de vidro das primeiras fibras difere de uma composição de vidro das terceiras fibras.

[021]Em uma modalidade exemplar, o tecido de reforço híbrido ainda compreende uma pluralidade de quartas fibras orientadas em uma terceira direção, em que as terceiras fibras são fibras de vidro e as quartas fibras são fibras de vidro, e em que uma composição de vidro das terceiras fibras é a mesma que uma composição de vidro das quartas fibras.

[022]Em uma modalidade exemplar, um valor absoluto da segunda direção é igual a um valor absoluto da terceira direção.

[023]Em uma modalidade exemplar, uma diferença entre a primeira direção e a segunda direção é maior ou igual a 45 graus.

[024]Em uma modalidade exemplar, uma diferença entre a primeira direção e a segunda direção é maior ou igual a 80 graus.

[025]Em uma modalidade exemplar, uma densidade de massa linear das primeiras fibras está entre 600 Tex e 4.800 Tex.

[026]Em uma modalidade exemplar, as terceiras fibras são fibras de vidro, em que uma densidade de massa linear das terceiras fibras está entre 68 Tex e 300 Tex.

[027]Em uma modalidade exemplar, as segundas fibras são alimentadas a partir de uma ou mais estopas de carbono com um tamanho na faixa de 6K a 50K.

[028]Em uma modalidade exemplar, um peso de área das segundas fibras está entre 80 g/m2 e 500 g/m2.

[029]Em uma modalidade exemplar, as segundas fibras constituem 7% em peso do tecido, em que um peso de área do tecido é de 2.500 g/m2.

[030]Em uma modalidade exemplar, as segundas fibras constituem 15% em peso do tecido, em que um peso de área do tecido é de 1.300 g/m2.

[031]Em uma modalidade exemplar, as segundas fibras constituem 15% em peso do tecido, em que um peso de área do tecido é de 1.400 g/m2.

[032]Em uma modalidade exemplar, as segundas fibras constituem 25% em peso do tecido, em que um peso de área do tecido é de 1.300 g/m2.

[033]Em geral, o tecido de reforço híbrido não contém resina, isto é, nenhuma das fibras formando o tecido é pré-impregnada com uma resina.

[034]Em uma modalidade exemplar, uma resina de poliéster tem uma taxa de infusão através de uma espessura do tecido de reforço híbrido (aproximadamente 30 mm) de 9 minutos. Em um caso, onde o tecido tinha um teor de carbono de 15%, a taxa de infusão foi de 0,41 cm por minuto.

[035]Em uma modalidade exemplar, uma resina epóxi tem uma taxa de infusão através de uma espessura do tecido de reforço híbrido (aproximadamente 30 mm) de 16 minutos. Em um caso, onde o tecido tinha um teor de carbono de 15%, a taxa de infusão foi de 0,23 cm por minuto.

[036]Em uma modalidade exemplar, uma resina epóxi tem uma taxa de infusão através de uma espessura do tecido de reforço híbrido (aproximadamente 30 mm) de 8 minutos. Em um caso, onde o tecido tinha um teor de carbono de 7%, a taxa de infusão foi de 0,419 cm por minuto.

[037]Em uma modalidade exemplar, uma resina epóxi tem uma taxa de infusão através do tecido de reforço híbrido na primeira direção entre 0,238 cm por minuto e 0,5 cm por minuto.

[038]Em uma modalidade exemplar, uma resina de poliéster tem uma taxa de infusão através do tecido de reforço híbrido na primeira direção de 0,73 cm por minuto.

[039]Em uma modalidade exemplar, o tecido tem uma taxa de infusão através do tecido em uma direção perpendicular à primeira direção de 0,3 cm por minuto.

[040]Em uma modalidade exemplar, o tecido é infundido com uma resina que é curada para formar um artigo compósito. Em uma modalidade exemplar, o artigo é uma pá de turbina eólica ou componente relacionado (por exemplo, coroa de longarina).

[041]Outros aspectos, vantagens e características dos conceitos da invenção se tornarão evidentes para os versados na técnica a partir da seguinte descrição detalhada, quando lida à luz dos desenhos anexos.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[042]Para uma compreensão mais completa da natureza e das vantagens dos conceitos da invenção, deve-se fazer referência à seguinte descrição detalhada tomada em conexão com os desenhos anexos, nos quais:

[043]As Figuras 1A-1D ilustram um tecido de reforço híbrido, de acordo com uma modalidade exemplar da invenção. FIG. 1A é uma vista plana superior do tecido de reforço híbrido. FIG. 1B é uma vista plana inferior do tecido de reforço híbrido. FIG. 1C é uma vista detalhada do círculo A na FIG. 1A. FIG. 1D é uma vista detalhada do círculo B na FIG. 1B.

[044]As Figuras 2A-2C ilustram padrões de costura que podem ser usados no tecido de reforço híbrido da FIG. 1. FIG. 2A mostra um padrão de costura tricotado.

FIG. 2B mostra um padrão de costura tricotado duplo assimétrico. FIG. 2C mostra um padrão de costura diamantado assimétrico.

[045]A Figura 3 é um diagrama que ilustra um teste de velocidade de infusão de espessura (TTIS) para medir a taxa de infusão de um tecido.

[046]As Figuras 4A-4B ilustram um teste de infusão em plano (IPIT) para medir a taxa de infusão de um tecido.

[047]A Figura 5 é um gráfico que ilustra os resultados do teste IPIT da FIG. 4 realizado em dois (2) tecidos diferentes para medir a taxa de infusão (na direção x) dos tecidos.

[048]A Figura 6 é um gráfico que ilustra os resultados do teste IPIT da FIG. 4 realizado em dois (2) tecidos diferentes para medir a taxa de infusão (na direção y) dos tecidos.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[049]Embora os conceitos da invenção sejam suscetíveis de modalidade em muitas formas diferentes, são mostrados nos desenhos e serão descritos aqui em detalhes várias modalidades exemplares dos mesmos, com o entendimento de que a presente invenção deve ser considerada como uma exemplificação dos princípios dos conceitos da invenção. Desta maneira, os conceitos da invenção não são destinados a serem limitados às modalidades específicas ilustradas aqui.

[050]A menos que definido de outra forma, os termos usados aqui têm o mesmo significado como comumente entendido por um versado na técnica abrangendo os conceitos da invenção. A terminologia usada aqui é para descrever modalidades exemplares dos conceitos da invenção apenas e não é destinada a ser limitante dos conceitos da invenção. Conforme usado na descrição dos conceitos da invenção e nas reivindicações anexas, as formas singulares "um", "uma" e "o/a" são destinadas a incluir as formas plurais também, a menos que o contexto indique claramente o contrário. Além disso, o termo "entre" ao definir uma faixa é destinado a ser inclusivo dos pontos finais especificados também, a menos que o contexto indique claramente o contrário.

[051]Foi descoberto que, controlando uma ou mais variáveis do produto específicas, incluindo, mas não necessariamente limitadas a, teor de vidro, teor de carbono, relação vidro-carbono, composição de fio de costura, padrão de costura e comprimento de costura, um tecido de reforço híbrido feito principalmente de fibras de vidro e fibras de carbono, podem ser produzidas como um reforço eficaz para componentes estruturais (por exemplo, pás de turbina eólica) e que exibem uma taxa de infusão aceitável.

[052]Desta maneira, os conceitos da invenção fornecem um tecido de reforço híbrido que compreende fibras de vidro e fibras de carbono. O tecido de reforço híbrido pode ser prontamente infundido a uma velocidade de infusão aceitável, sem a necessidade de que as estopas de fibra de carbono usadas para formar o tecido de reforço híbrido sejam espalhadas ou pré-impregnadas com resina. Assim, o tecido da invenção fornece um processo de infusão de uma etapa eficaz (isto é, no molde) durante a formação da peça compósita. Os conceitos da invenção também abrangem um método de produção do tecido de reforço híbrido. Os conceitos da invenção também abrangem uma peça compósita formada a partir do tecido de reforço híbrido.

[053]Em uma modalidade exemplar da invenção, um tecido de reforço híbrido 100 é construído a partir de ambas as fibras de reforço de vidro 102 e fibras de reforço de carbono 104, como mostrado nas FIGURAS 1A-1D.

[054]Quaisquer fibras de reforço de vidro 102 adequadas podem ser usadas no tecido de reforço híbrido 100. Por exemplo, fibras feitas de vidro E, vidro H, vidro S, e tipos de vidro AR podem ser usadas. Em algumas modalidades exemplares, as fibras de basalto podem ser usadas no lugar de algumas ou todas as fibras de reforço de vidro 102. Em geral, as fibras de reforço de vidro 102 têm um diâmetro dentro da faixa de 13 µm a 24 µm. Normalmente, as fibras de reforço de vidro 102 no tecido de reforço híbrido 100 são fios de fibra de vidro 102 (alimentados a partir de uma ou mais mechas de vidro) constituídos por muitos filamentos de vidro contínuos individuais.

[055]Quaisquer fibras de reforço de carbono 104 adequadas podem ser usadas no tecido de reforço híbrido 100. Em geral, as fibras de reforço de carbono 104 têm um diâmetro dentro da faixa de 5 µm a 11 µm. Normalmente, as fibras de reforço de carbono 104 no tecido de reforço híbrido 100 são fios de fibra de carbono 104 (alimentados a partir de uma ou mais estopas de carbono) feitos de muitos filamentos de carbono contínuos individuais.

[056]O tecido de reforço híbrido 100 é um tecido não frisado, em que as fibras 102, 104 são dispostas em suas respectivas posições/orientações e, em seguida, mantidas juntas por um fio de costura 106. Em algumas modalidades, o fio de costura 106 é feito de poliéster. Em algumas modalidades, o fio de costura 106 tem uma densidade de massa linear entre 60 dTex e 250 dTex.

[057]Qualquer padrão de costura adequado para manter as fibras 102, 104 do tecido 100 juntas pode ser usado. Vários padrões de costura exemplares 200 são mostrados nas FIGURAS 2A-2C. Um padrão de costura tricotado 200 no qual as fibras de reforço 202 (por exemplo, as fibras 102, 104) são mantidas juntas por um fio de costura 206 (por exemplo, o fio de costura 106) é mostrado na FIG. 2A. Um padrão de costura tricotado duplo assimétrico 200 no qual as fibras de reforço 202 (por exemplo, as fibras 102, 104) são mantidas juntas pelo fio de costura 206 (por exemplo, o fio de costura 106) é mostrado na FIG. 2B. Um padrão de costura diamantado assimétrico (tipo diamante) 200 no qual as fibras de reforço 202 (por exemplo, as fibras 102, 104) são mantidas juntas pelo fio de costura 206 (por exemplo, o fio de costura 106) é mostrado na FIG. 2C. As FIGURAS 1C-1D ilustram um padrão de costura tricotado usado no tecido 100.

[058]Em geral, o padrão de costura 200 é uma série de pontos de repetição, com transições entre cada porção de ponto individual 220 definindo um comprimento de costura 222 (ver FIG. 2A). O comprimento da costura 222 é outra variável que pode influenciar a taxa de infusão do tecido 100. Normalmente, o comprimento da costura 222 estará na faixa de 3 mm a 6 mm. Em algumas modalidades exemplares, o comprimento da costura 222 é de 4 mm. Em algumas modalidades exemplares, o comprimento da costura 222 é de 5 mm.

[059]O tecido de reforço híbrido 100 é um tecido unidirecional, em que entre 91% em peso a 99% em peso das fibras de reforço 102, 104 são orientadas em uma primeira direção e 0,5% em peso a 9% em peso das fibras de reforço 102, 104 são orientadas em uma ou mais outras direções (por exemplo, as segunda e terceira direções).

[060]Normalmente, a primeira direção será de 0° (direção longitudinal do tecido).

[061]A segunda direção é diferente da primeira direção. A segunda direção geralmente será maior que 0° e menor ou igual a 90°.

[062]A terceira direção é diferente da primeira direção. A terceira direção geralmente será maior que 0° e menor ou igual a 90°.

[063]A terceira direção pode ser a mesma que a segunda direção (de modo que haja apenas duas orientações de fibra distintas no tecido). Caso contrário, a terceira direção será tipicamente igual à orientação negativa da segunda direção.

[064]No tecido de reforço híbrido 100 mostrado nas FIGURAS 1A-1D, a primeira direção é 0°, a segunda direção é 80° e a terceira direção é -80°.

[065]Em algumas modalidades exemplares, todas as fibras de reforço orientadas na segunda direção são fibras de reforço de vidro 102.

[066]Em algumas modalidades exemplares, todas as fibras de reforço orientadas na terceira direção são fibras de reforço de vidro 102.

[067]Em algumas modalidades exemplares, as fibras de reforço de vidro 102 orientadas na primeira direção incluem uma composição de vidro diferente das fibras de reforço de vidro 102 orientadas na segunda direção.

[068]Em algumas modalidades exemplares, as fibras de reforço de vidro 102 orientadas na primeira direção incluem uma composição de vidro diferente do que as fibras de reforço de vidro 102 orientadas na terceira direção.

[069]Em algumas modalidades exemplares, as fibras de reforço de vidro 102 orientadas na segunda direção incluem a mesma composição de vidro que as fibras de reforço de vidro 102 orientadas na terceira direção.

[070]O tecido de reforço híbrido 100 compreende entre 65% em peso a 95% em peso de fibras de reforço de vidro 102 e entre 5% em peso a 35% em peso de fibras de reforço de carbono 104. O fio de costura 106 compreende um máximo de 3% em peso do tecido 100.

[071]A densidade de massa linear das fibras de reforço de vidro 102 sendo alimentadas na primeira direção está entre 1.200 Tex e 4.800 Tex. A densidade de massa linear das fibras de reforço de vidro 102 sendo alimentadas não na primeira direção (isto é, as segunda/terceira direções) está entre 68 Tex e 300 Tex.

[072]O tamanho da estopa das fibras de reforço de carbono 104 sendo alimentadas na primeira direção está entre 6K e 50K. A nomenclatura #k significa que a estopa de carbono é composta de # x 1.000 filamentos de carbono individuais.

[073]O peso de área das fibras de reforço de carbono 104 no tecido 100 está entre 80 g/m2 a 500 g/m2. Em algumas modalidades exemplares, o tecido de reforço híbrido 100 tem aproximadamente 7% em peso de fibras de reforço de carbono 104, com o tecido 100 tendo um peso de área de aproximadamente 2.500 g/m2. Em algumas modalidades exemplares, o tecido de reforço híbrido 100 tem aproximadamente 15% em peso de fibras de reforço de carbono 104, com o tecido 100 tendo um peso de área de aproximadamente 1.300 g/m2. Em algumas modalidades exemplares, o tecido de reforço híbrido 100 tem aproximadamente 15% em peso de fibras de reforço de carbono 104, com o tecido 100 tendo um peso de área de aproximadamente 1.400 g/m2. Em algumas modalidades exemplares, o tecido de reforço híbrido 100 tem aproximadamente 25% em peso de fibras de reforço de carbono 104, com o tecido 100 tendo um peso de área de aproximadamente 1.300 g/m2.

[074]Como conhecido na técnica, as fibras de reforço de vidro 102 podem ter uma química aplicada nas mesmas durante a formação das fibras 102. Esta química de superfície, tipicamente em uma forma aquosa, é chamada de tapa-poros. O tapa- poros pode incluir componentes tais como um formador de filme, lubrificante, agente de acoplamento (para promover a compatibilidade entre as fibras de vidro e a resina de polímero), etc. que facilitam a formação das fibras de vidro e/ou o uso das mesmas em uma resina de matriz. Em algumas modalidades exemplares, as fibras de reforço de vidro 102 incluem um tapa-poros compatível com poliéster. Em algumas modalidades exemplares, as fibras de reforço de vidro 102 incluem um tapa-poros compatível com epóxi.

[075]Da mesma forma, como também é conhecido na técnica, as fibras de reforço de carbono 104 podem ter uma química aplicada nas mesmas durante a formação das fibras 104. Esta química de superfície, tipicamente em uma forma aquosa, é chamada de tapa-poros. O tapa-poros pode incluir componentes, tais como um formador de filme, lubrificante, agente de acoplamento (para promover a compatibilidade entre as fibras de carbono e a resina de polímero), etc. que facilitam a formação das fibras de carbono e/ou o uso das mesmas em uma resina de matriz. Em algumas modalidades exemplares, as fibras de reforço de carbono 104 incluem um tapa-poros compatível com poliéster. Em algumas modalidades exemplares, as fibras de reforço de carbono 104 incluem um tapa-poros compatível com epóxi.

[076]O tapa-poros também pode incluir aditivos além daqueles convencionalmente associados com o processo de formação de fibra. Por exemplo, o tapa-poros pode incluir um ou mais aditivos que conferem ou de outra forma melhoram as propriedades das fibras de reforço de vidro 102, das fibras de reforço de carbono 104 e/ou dos materiais compósitos (por exemplo, componentes estruturais) assim reforçados. Um aditivo exemplar é o grafeno. Em algumas modalidades exemplares, pelo menos, uma porção das fibras de reforço de vidro 102 e/ou pelo menos uma porção das fibras de reforço de carbono 104 têm um tapa-poros aplicado nas mesmas, durante a formação das fibras, que inclui grafeno.

[077]Em algumas modalidades exemplares, as fibras de reforço de vidro 102 e/ou as fibras de reforço de carbono 104 também podem ter um pós-revestimento aplicado às mesmas. Ao contrário de um tapa-poros, o pós-revestimento é aplicado após a formação das fibras. Tal como com o tapa-poros discutido acima, o pós- revestimento pode incluir um ou mais aditivos que conferem ou de outra forma melhoram as propriedades das fibras de reforço de vidro 102, das fibras de reforço de carbono 104 e/ou dos materiais compósitos (por exemplo, componentes estruturais) assim reforçados. Um aditivo exemplar é o grafeno. Em algumas modalidades exemplares, pelo menos, uma porção das fibras de reforço de vidro 102 e/ou pelo menos uma porção das fibras de reforço de carbono 104 têm um pós-revestimento aplicado nas mesmas, após a formação das fibras, que inclui grafeno.

[078]Os tecidos de reforço híbridos descritos aqui (por exemplo, o tecido de reforço híbrido 100) têm combinações de componentes estruturais e/ou propriedades que melhoram a taxa de infusão de resina dos tecidos, mesmo quando as fibras de reforço que constituem o tecido não são pré-impregnadas com resina. Como observado acima, esses componentes/propriedades incluem o teor de vidro, o teor de carbono, a relação de vidro-carbono, a composição do fio de costura, o padrão de costura e o comprimento de costura usado nos tecidos de reforço híbridos.

[079]Um teste para medir a taxa de infusão de resina de um tecido é chamado de teste de velocidade de infusão de espessura (TTIS). O teste TTIS será explicado com referência à FIG. 3. No teste TTIS 300, múltiplas camadas 302 de um tecido 304 a ser testado (por exemplo, o tecido de reforço híbrido 100) são colocadas em uma mesa de infusão 306. Em geral, muitas camadas 302 do tecido 304 são usadas para o teste TTIS 300. Normalmente, o número de camadas 302 é com base em uma "espessura de teste" alvo. Em algumas modalidades exemplares, a espessura alvo é de 30 mm. Uma folha de vácuo 308 é colocada sobre as camadas 302 na parte superior da mesa 306 para formar um invólucro hermético 350 (isto é, saco de vácuo).

[080]Um fornecimento 310 de resina 312 está situado abaixo, ou de outra forma próximo à mesa 306, de modo que a resina 312 possa ser puxada para o invólucro 350 (por exemplo, através de uma ou mais aberturas (não mostradas) na parte inferior da mesa 306) abaixo das camadas 302 do tecido 304. Em algumas modalidades exemplares, a resina 312 está localizada distante da mesa 306, mas é alimentada através de uma mangueira de alimentação (não mostrada). Uma abertura 320 no saco de vácuo formado a partir da folha 308 é interfaceada com uma mangueira 322 de modo que uma fonte de vácuo (não mostrada) possa ser usada para evacuar o ar do invólucro 350 e sugar a resina 312 através do tecido 304.

[081]Desta maneira, a resina 312 é puxada do fornecimento 310 para o invólucro 350 (ver seta 330); através das camadas 302 do tecido 304 (ver setas 332); e para fora da abertura 320 através da mangueira 322 (ver seta 334). Dadas as dimensões ajustadas das camadas 302 do tecido 304 dentro do invólucro 350, o único caminho para a resina 312 percorrer é através das camadas 302 do tecido 304, isto é, através das espessuras (direção z) das camadas 302 do tecido 304. O teste TTIS 300 mede a quantidade de tempo que leva até que a resina 312 seja primeiro visível em uma superfície superior 340 de uma camada superior 302 do tecido 304. Esta quantidade de tempo (por exemplo, em minutos) é usada como uma medida da taxa de infusão do tecido 304. O teste TTIS 300 pode ser usado para comparar as taxas de infusão de tecidos diferentes, desde que os outros parâmetros de teste sejam substancialmente os mesmos. Além disso, para fins de comparação, os tecidos devem ter gramatura similar.

[082]Outro teste para medir a taxa de infusão de resina de um tecido é chamado de teste de infusão em plano (IPIT). O teste IPIT será explicado com referência às FIGURAS 4A-4B. No teste IPIT 400, cinco (5) camadas de um tecido 404 a ser testado (por exemplo, o tecido de reforço híbrido 100) são colocadas em uma mesa de infusão 406. Uma folha de vácuo 408 é colocada sobre as bordas das camadas na parte superior da mesa 406 e selada à mesa 406 (por exemplo, usando fita adesiva), para formar um invólucro hermético 410 (por exemplo, saco de vácuo).

[083]Todas as camadas do tecido 404 no invólucro 410 estão alinhadas umas com as outras de modo a ficarem voltadas na mesma direção (por exemplo, a primeira orientação de cada camada do tecido 404 se alinha com a primeira orientação de cada outra camada do tecido 404) dentro do invólucro 410.

[084]A folha de vácuo 408 (e fita) forma o invólucro hermético 410, exceto para uma abertura de entrada 412 e uma abertura de saída 414 formadas perto das extremidades opostas do tecido 404.

[085]Um fornecimento de resina 420 está situado adjacente ou de outro modo próximo à abertura de entrada 412. Conforme configurado, a resina 420 pode ser puxada para o invólucro 410 através da abertura de entrada 412. Em algumas modalidades exemplares, a resina 420 está localizada longe da mesa 406, mas é alimentada através de uma mangueira de alimentação (não mostrada) interfaceada com a abertura de entrada 412. A abertura de saída 414, no outro lado do invólucro 410, é interfaceada com uma mangueira (não mostrada) de modo que uma fonte de vácuo 422 possa ser usada para evacuar o ar do invólucro 410 e sugar a resina 420 através do tecido 404.

[086]Desta forma, a resina 420 é puxada do fornecimento para o invólucro 410 (ver seta 430); através das camadas do tecido 404 (ver setas 440 na FIG. 4B); e para fora da abertura 414 através da mangueira (ver seta 432). Dadas as dimensões ajustadas das camadas do tecido 404 dentro do invólucro 410, o único caminho para a resina 420 percorrer é através das camadas do tecido 404, isto é, através do comprimento (direção x, direção de produção) ou largura (direção y) das camadas do tecido 404, dependendo da orientação do tecido 404 entre as aberturas 412, 414 do invólucro 410. Assim, apenas os canais de resina dentro das camadas do tecido 404 são usados para transportar a resina 420.

[087]O teste IPIT 400 mede a distância percorrida pela resina 420 ao longo do tempo. Uma parte frontal de fluxo (distância) da resina 420 é registrada após 2, 4, 6, 8, 10, 12, 16, 20, 26, 32, 38, 44, 50, 55 e 60 minutos. A distância atual que a resina 420 percorreu através do tecido 404 é referida como o comprimento de infusão. A quantidade de tempo medida (por exemplo, em minutos) em relação ao comprimento da infusão (por exemplo, em centímetros) é usada como uma medida da taxa de infusão do tecido 404. O teste IPIT 400 pode ser usado para comparar as taxas de infusão de tecidos diferentes, desde que os outros parâmetros de teste sejam substancialmente os mesmos. Além disso, para fins de comparação, os tecidos devem ter gramatura de trama similar.

EXEMPLOS

[088]Dois (2) tecidos diferentes foram avaliados usando o teste IPIT 400 para medir a taxa de infusão em ambas a direção x e a direção y. O primeiro tecido continha apenas fibras de reforço de vidro (isto é, sem fibras de reforço de carbono) e servia como o tecido de referência. O segundo tecido continha 15% de fibras de reforço de carbono (e, portanto, 85% de fibras de reforço de vidro) e foi produzido de acordo com os conceitos da invenção gerais. As medições para o primeiro tecido (UD 1200) são fornecidas na Tabela 1. As medições para o tecido híbrido da invenção (15% de teor de carbono) são fornecidas na Tabela 2. Tabela 1 Tempo (min.) Comprimento (Y) (cm) Comprimento (X) (cm) 2 6,5 9,5 4 7,4 11,0 6 8,2 12,3 8 8,7 13,3 10 9,1 14,1 12 9,4 14,6 16 10,1 15,6 20 10,7 16,5 26 11,4 17,7 32 12,2 18,9 38 12,9 19,9 44 13,5 20,8 50 13,9 21,7 55 14,2 22,3 60 14,7 22,8 Tabela 2 Tempo (min.) Comprimento (Y) (cm) Comprimento (X) (cm) 2 8,1 11,5 4 9,0 13,8 6 9,9 15,4 8 10,7 16,9 10 11,5 18,1 12 11,9 19,1 16 12,6 20,7 20 13,1 22,1 26 14,4 23,9 32 15,2 25,8 38 16,0 27,3 44 16,8 28,8 50 17,4 30,2 55 18,0 31,4 60 18,5 32,4

[089]A Figura 5 é um gráfico 500 que mostra os resultados do teste IPIT 400 realizados em dois (2) tecidos diferentes para medir a taxa de infusão (na direção x) dos tecidos. Um primeiro tecido 502 é feito de 100% de fibras de reforço de vidro (isto é, sem fibras de reforço de carbono), usa um fio de costura de poliéster, usa um fio de costura de 110 dTex e usa um comprimento de costura de 5 mm. Um segundo tecido 504 é feito de 85% de fibras de reforço de vidro e 15% de fibras de reforço de carbono, usa um fio de costura de poliéster, usa um fio de costura de 220 dTex e usa um comprimento de costura de 4 mm. O primeiro tecido 502 corresponde ao tecido detalhado na Tabela 1 acima, enquanto o segundo tecido 504 corresponde ao tecido detalhado na Tabela 2 acima.

[090]A Figura 6 é um gráfico 600 que ilustra os resultados do teste IPIT 400 realizados em dois (2) tecidos diferentes para medir a taxa de infusão (na direção y) dos tecidos. Um primeiro tecido 602 é feito de 100% de fibras de reforço de vidro (isto é, sem fibras de reforço de carbono), usa um fio de costura de poliéster, usa um fio de costura de 110 dTex e usa um comprimento de costura de 5 mm. Um segundo tecido 604 é feito de 85% de fibras de reforço de vidro e 15% de fibras de reforço de carbono, usa um fio de costura de poliéster, usa um fio de costura de 220 dTex e usa um comprimento de costura de 4 mm. O primeiro tecido 602 corresponde ao tecido detalhado na Tabela 1 acima, enquanto o segundo tecido 604 corresponde ao tecido detalhado na Tabela 2 acima.

[091]Os tecidos de reforço híbridos aqui descritos (por exemplo, o tecido de reforço híbrido 100) podem ser combinados com uma matriz de resina, tal como em um molde, para formar um artigo compósito. Qualquer sistema de resina adequado pode ser usado. Em algumas modalidades exemplares, a resina é uma resina de éster vinílico. Em algumas modalidades exemplares, a resina é uma resina de poliéster. Em algumas modalidades exemplares, a resina é uma resina epóxi. Em algumas modalidades exemplares, a resina inclui um modificador de viscosidade.

[092]A taxa de infusão de vários sistemas de resina através de diferentes modalidades de um tecido de reforço híbrido (por exemplo, diferentes teores de carbono) é mostrada na Tabela 3 abaixo.

Tabela 3 Resina 7% de 15% de 25% de Carbono Carbono Carbono Taxa de infusão 8 min 16 min através de uma epóxi (0,419 16 min (0,23 cm/min) espessura do cm/min) tecido 9 min (aproximadamente poliéster (0,41 cm/min) 30 mm) 32 cm em 60 32 cm em 60 30 cm em 60 epóxi min min min Taxa de infusão (0,6 cm/min) (0,6 cm/min) (0,5 cm/min) através do tecido 44 cm em 60 na primeira direção poliéster min (0,73 cm/min) 20 cm em 60 18 cm em 60 epóxi min min Taxa de infusão (0,33 cm/min) (0,3 cm/min) através do tecido 16 cm em 60 na segunda direção poliéster min (0,27 cm/min)

[093]Qualquer processo de formação de compósito adequado pode ser usado, tal como moldagem por transferência de resina assistida à vácuo (VARTM). O artigo compósito é reforçado pelo tecido de reforço híbrido. Em algumas modalidades exemplares, o artigo compósito é uma pá de turbina eólica ou componente relacionado (por exemplo, coroa de longarina). Os tecidos de reforço híbridos descritos e sugeridos aqui podem alcançar propriedades mecânicas aprimoradas (versus um tecido apenas de vidro comparável). Por exemplo, um tecido de reforço híbrido (com um teor de carbono de 15%) pode exibir uma melhoria de módulo de aproximadamente 30% e uma melhoria de fadiga entre 40% e 50%, em comparação com um tecido apenas de vidro similar (por exemplo, tendo a mesma gramatura, tal como 1.323 g/m2).

[094]A descrição acima de modalidades específicas foi dada a título de exemplo. A partir da descrição dada, aqueles versados na técnica não apenas compreenderão os conceitos da invenção e suas vantagens associadas, mas também encontrarão várias mudanças e modificações aparentes nas estruturas e conceitos descritos.

Procura-se, portanto, cobrir todas as mudanças e modificações que caiam dentro do espírito e escopo dos conceitos da invenção gerais, conforme definidos aqui e pelas reivindicações anexas, e equivalentes dos mesmos.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1.Tecido de reforço híbrido, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende: uma pluralidade de primeiras fibras orientadas em uma primeira direção; uma pluralidade de segundas fibras orientadas na primeira direção; uma pluralidade de terceiras fibras orientadas em uma segunda direção; e um fio de costura mantendo as primeiras fibras, as segundas fibras e as terceiras fibras em suas respectivas orientações, em que as primeiras fibras são fibras de vidro, em que as segundas fibras são fibras de carbono, em que as terceiras fibras são, pelo menos, uma de fibras de vidro e fibras de carbono, em que a primeira direção é 0 grau, em que a segunda direção é diferente da primeira direção, em que a segunda direção está dentro da faixa de 0 grau a 90 graus, em que as primeiras fibras e as segundas fibras constituem entre 91% em peso e 99,5% em peso do tecido, em que as terceiras fibras constituem entre 0,5% em peso e 9% em peso do tecido, em que as fibras de vidro constituem entre 65% em peso a 95% em peso do tecido, em que as fibras de carbono constituem entre 5% em peso a 35% em peso do tecido, em que uma densidade de massa linear das primeiras fibras está entre 1.200 Tex e 4.800 Tex, e em que um peso de área das segundas fibras está entre 80 g/m2 e 500 g/m2.

2.Tecido de reforço híbrido, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o fio de costura constitui menos de 3% em peso do tecido, em que o fio de costura é um fio de poliéster, e em que o fio de costura tem uma densidade de massa linear entre 60 dTex e 250 dTex.

3.Tecido de reforço híbrido, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o fio de costura forma um padrão de costura através do tecido, o padrão de costura sendo selecionado a partir do grupo que consiste em um padrão de costura tricotado, um padrão de costura tricotado duplo simétrico, um padrão de costura tricotado duplo assimétrico, um padrão de costura diamantado simétrico e um padrão de costura diamantado assimétrico.

4.Tecido de reforço híbrido, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o fio de costura define um comprimento de costura entre 3 mm a 6 mm.

5.Tecido de reforço híbrido, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que as terceiras fibras são fibras de vidro, e em que uma composição de vidro das primeiras fibras difere de uma composição de vidro das terceiras fibras.

6.Tecido de reforço híbrido, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que ainda compreende uma pluralidade de quartas fibras orientadas em uma terceira direção, em que as terceiras fibras são fibras de vidro e as quartas fibras são fibras de vidro, e em que uma composição de vidro das terceiras fibras é a mesma que uma composição de vidro das quartas fibras.

7.Tecido de reforço híbrido, de acordo com a reivindicação 6, CARACTERIZADO pelo fato de que um valor absoluto da segunda direção é igual a um valor absoluto da terceira direção.

8.Tecido de reforço híbrido, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que uma diferença entre a primeira direção e a segunda direção é maior ou igual a 45 graus.

9.Tecido de reforço híbrido, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a diferença entre a primeira direção e a segunda direção é maior ou igual a 80 graus.

10.Tecido de reforço híbrido, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que as terceiras fibras são fibras de vidro, e em que uma densidade de massa linear das terceiras fibras está entre 68 Tex e 300 Tex.

11.Tecido de reforço híbrido, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que as segundas fibras constituem 7% em peso do tecido, e em que um peso de área do tecido é de 2.500 g/m2.

12.Tecido de reforço híbrido, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que as segundas fibras constituem 15% em peso do tecido, e em que um peso de área do tecido é de 1.300 g/m2.

13.Tecido de reforço híbrido, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que as segundas fibras constituem 15% em peso do tecido, e em que um peso de área do tecido é de 1.400 g/m2.

14.Tecido de reforço híbrido, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que as segundas fibras constituem 25% em peso do tecido, e em que um peso de área do tecido é de 1.300 g/m2.

15.Tecido de reforço híbrido, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o tecido não contém resina pré-impregnada no mesmo.