CN101094753A - 生产纤维强化连接件的方法以及由此获得的纤维强化连接件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种纤维强化叠片(101)的制造方法，所述叠片包括在叠片表面被构造成具有突出纤维以使叠片连接在一个或多个其它构件上的至少一块面积。该方法包括在叠片的最外端放置混合垫板(505)，所述混合垫板包括至少两层，纤维(105)横向穿过所述层的连接面(402)。混合垫板的最外层(301)在连接之前被取下，而混合垫板的最内层(506)保持作为叠片(101)的组成部分。本发明涉及使纤维从叠片表面突出的不同方法，所述纤维由此具有对连接件的强化效果。本发明还涉及通过公开的方法制成的叠片以及用于风力发电厂的包括所述叠片的叶片。

Description

生产纤维强化连接件的方法以及由此获得的纤维强化连接件

技术领域

本发明涉及一种纤维强化叠片以及制造叠片的方法，所述叠片包括在叠片的表面上被构造成与一个或多个其它主体互连的至少一个区域。本发明还涉及一种用于风力发电厂的包括所述叠片的叶片。

背景技术

当组装几个部件时，经常是连接件的强度决定了最终构件的强度。纤维强化叠片情形下，单纯机械连接件例如螺栓连接件、铆接件等大多时候不是特别合适。作为替代大多经常采用胶合，或者如果两个纤维强化构件相连，则可选择地通过将一个构件浸渍在另一个上形成连接件。为了获得具有足够强度的连接件，通常必须处理待连接构件中的一个或两个上的面积，以获得更大的表面面积并由此提高粘附力。

可以利用几种这样的表面处理，最简单且可能最常用的是研磨实施连接的那些地方的表面以随后进行胶合或通过任何其它方式实现连接。由此获得具有多个露出纤维的粗糙表面。然而，研磨是非常耗时并且劳动强度大的过程，同时去除加工过程产生的出于工作环境和健康考虑不希望出现的磨屑很困难且成本很高。如果完成的最终的复合制品随后受潮，留下的磨屑还会带来极大的麻烦，因为在吸潮时磨屑会积聚形成非常硬的块。

提高表面面积并由此提高粘附力的其它方法包括喷砂、化学脱脂或采用激光，其中由于材料从表面上的蒸发而在构件表面上形成凹痕。然而，表面喷砂具有与研磨相同的缺陷，那就是产生尘屑以及工作环境差。工作环境也是化学脱脂和激光处理情况下存在的问题。这些方法还共同具有的特征是它们都在一定程度上破坏叠片的表面或者叠片得到处理的地方，这样更难以确保连接区域外部和内部的叠片具有相同的质量。那些表面处理方法的另一缺陷是它们劳动强度都相对较大并由此耗时。最经常的是还必须使叠片在表面处理过程中保持其形状并保持牢固连接，由于这样浪费空间并阻碍了对其它构件采用工作架，同时最终的叠片在其它地方固化，因此成为一个缺陷。另外连接一个或另一个构件优选应该在表面处理之后立刻进行以使其发挥最佳效果。当涉及激光处理时，从设备的购置成本和实施成本来说都是一种高成本的方法。

美国专利US 5,968,639中教导了一种连接几个部件的方法，其中采用Z形销连接使纤维从一个部件表面突出。在叠片的制造过程中填充有所需数量和定向的Z形销的泡沫构件布置在叠片的顶部以及真空织物的下面。在注入过程中，泡沫材料因温度和/或压力而皱缩，由此Z形销部分地压入叠片内并通过模制结合在其表面内。其余的泡沫材料会在将叠片连接在另一部件上之前被去除，并由此用于同时保护Z形销。在此Z形销使连接件的强度有了极大的提高，但制造方法很复杂，需要在注入过程中相当精确地控制温度和压力以确保泡沫材料发生适当程度地皱缩。而且布置Z形件显著增加了生产时间。

发明内容

本发明的目的是提供具有极大强度和粘附力并用于纤维强化叠片的连接件，由此避免上述与表面处理例如研磨有关的问题。

因而，本发明涉及一种制造叠片的方法，包括向一个或多个纤维强化层涂敷树脂并随后进行固化；所述叠片还包括在叠片表面被构造成连接在一个或多个其它构件上的至少一块面积；在该表面面积上以至少一些纤维从所述面积表面突出的方式布置多个纤维。在叠片的最外端布置混合垫板，所述混合垫板包括至少两层，纤维横向穿过所述层的连接面；并且在连接在其它主体上之前至少混合垫板的最外层被取下，至少混合垫板的最内层保持作为叠片的组成部分。

当已经取下最外层时，其余层保留在叠片的表面上，纤维从其余层突出并固定在其上。由此被促使从叠片表面突出的纤维显著增大了表面面积，从而提高了例如通过胶合连接的叠片与待连接物体之间的粘附力。而且，纤维作为连接件的纤维强化同样由此强度得到显著提高。根据本发明的方法的另一优点是不需要随后对待连接的面积进行化学以及机械处理。因此可以避免在前言部分描述的由常规研磨过程产生尘屑带来的不适；同样避免为了表面的清洁或其它处理而必须采用特定化学制品。在前言部分提及的用于增大表面面积并由此提高粘附力的现有技术还共同具有的特征是从表面去除一定量的材料，随之对其产生破坏。与此相反，根据本发明的方法的优点是叠片准备得到模制的表面不会受到破坏，并且由此确保用于连接的面积与其余叠片之间的质量保持一致。

本方法另一大的优点是连接件的质量不取决于连接相对于制成叠片是何时进行的。这意味着如果需要，可以在制造之后立即进行连接，但即使在连接之前等待一周或更长也可以获得相同质量。这与例如胶合研磨表面相比是一个主要的优点，而胶合优选应该在相应表面研磨之后快速进行。通过这种对时间的非严格要求，还实现了具有更大灵活性的生产，其中更易于采用和结合单个制造过程，这样从全局方面看使生产成本更小。

与其它已知的实现对胶合连接件改进的方法例如研磨、喷砂和激光处理相反，根据本发明的方法有利之处在于在叠片完全固化之前叠片上的连接区域就已经准备就绪，而在已知方法中最经常的情形是为了进行表面处理必须使叠片保持其形状并保持固定。由此可以省去模具的工作架，并且可以在最终叠片在其它地方固化的同时开始制造另一构件。

根据本发明的上述方法的另一优点是无需特殊要求纤维从表面突出的方式和长度就可以获得强化连接件。因而，纤维可以具有不同长度、以不同方向突出并以任意型式布置，同时仍然可以显著提高连接件的强度。其有利之处在于可以因此降低对生产过程中的精度和误差的要求，同样可以简化生产并随之将制造成本降至最低。

相反，如果纤维从表面突出的那些部分大致具有相同长度，则采用纤维有利于确保连接构件之间具有一致的距离。因此，例如在胶合的情况下，实现胶合线的等高可以提高质量。

所述的方法另一优点是假定纤维是导电材料例如碳纤维或金属纤维，则这些突出的纤维有助于组合部件之间电势均衡。这种电势均衡例如在涉及叶片避雷时很有利。

通过该方法实现的另一优点是混合垫板可以预先被制造成半成品，这一过程完全独立于叠片制造过程。通过这种半成品可选择地切割成与胶合区域或连接件的形状相一致的多段，它们随后在涂敷树脂材料之前简单地作为最终层布置在其余叠片层的顶部。因而，所述方法可以简单方式结合在通常的叠片制造过程例如VARTM过程中。因此还可以在连接面积上实现完全精确的控制。预先制造混合垫板的能力还使得可以在最佳条件和最可行的工作条件下进行生产，随之提高品质保证。本方法的另一优点是可以精确和专门地在所需位置局部形成纤维强化连接件。因此还使材料消耗降至最低。

此外本发明涉及一种根据以上所述的叠片制造方法，其中沿混合垫板中的层的连接面横向延伸的纤维布置有Z形销、穿过混合垫板中的纤维层受到针刺以及通过纤维从混合垫板中的纤维层被拉入混合垫板中的另一层内而使所述纤维进入混合垫板中的另一层内；或者与混合垫板中的至少两层缝合在一起。通过所有这些方法要实现的是，在注入之后以及在撕下混合垫板的最外层之后，纤维紧密固定在叠片其余层顶部的最下层上；并且这些纤维从叠片表面突出。采用Z形销将纤维布置成纤维横向穿过连接面。在上述优点之外，另一优点是用于布置纤维的技术是已知并经过测试的技术，而且劳动强度不大。通过本方法还可以在合理的位置并以精确数量将横向纤维布置在使用它们的地方。还可以改变突出纤维的数量以获得根据它们能够传递的力而改变强度大小的连接件。另一优点是纤维可以通过销入或成变化角度地布置在叠片内，由此纤维将会以不同方向从叠片最终表面突出。因此得到改进且更牢固的连接件，与纤维从叠片表面垂直放置的情形相比其中的纤维可以产生更大程度地阻力。因为，根据本发明纤维可以布置成向下延伸穿过叠片的几层，由此获得牢固固定的纤维。所述使纤维从叠片表面突出的方法除了具有上述优点之外，该方法还有利于形成简单的过程，不需要任何特殊工具或特定材料。

本发明的另一实施方式涉及一种制造如上所述的叠片的方法，其中通过将纤维层覆盖在混合垫板中另一层上的凹槽内来提供横向穿过混合垫板中所述层的连接面的纤维。

本发明的另一实施方式涉及一种制造如上所述的叠片的方法，其中混合垫板中的至少一层由类似橡胶的材料制成。这种材料的优点是树脂材料不能通过所述层受到浸湿，因此可以相对容易地再次从叠片上被撕下并保持纤维从其上突出。还可以重新使用所述材料。最后这是一种可以很容易地穿过甚至双重弯曲表面布置的柔性材料。

本发明的另一实施方式涉及一种制造如上所述的叠片的方法，其中混合垫板中的至少一层由类似泡沫-橡胶的材料例如泡沫聚丙烯制成。有利地是可以在混合垫板中包含泡沫-橡胶材料例如泡沫聚丙烯，因为其可以很容易通过销入穿过并因此易于将纤维拉入、销入或缝制在其内。其还是一种低廉的材料。

本发明还涉及一种制造如上所述叠片的方法，包括在混合垫板之间布置至少一个薄膜。这一点是有利的，因为可以是真空织物或可剥布的薄膜会便于以纤维保留在表面上并从中突出的方式撕下混合垫板的最外层。由此薄膜可以防止无意中撕下整个混合垫板或者不能撕下整个最外层。最后薄膜可以确保仅有有限量的树脂经沿连接面横向放置并对薄膜穿孔的纤维渗入混合垫板的最外层。因此更容易拉下最外层。

本发明还涉及一种通过以上所述的一种或多种方法制成的纤维强化叠片。其优点如上所述。

本发明还涉及一种如上所述的叠片，其中纤维从表面突出的那些部分至少部分地得到浸渍。因此可以控制纤维从表面突出的方式例如所成的角度以及纤维从表面延伸的远近。

此外本发明涉及一种如上所述的叠片，其中纤维以相对于所述表面的平面优选成锐角地从表面突出，由此可以实现纤维进一步有助于提高连接件的强度。

本发明还涉及一种用于风力发电厂的叶片，其包括如上所述的叠片。

附图说明

下文将参照附图对本发明进行描述，图中：

图1表示叠片，其具有用于制备纤维强化连接件的面积；

图2表示用于风力发电厂的叶片，其具有用于纤维强化连接件的面积；

图3表示通过在叠片顶部附加层的Z形销连接制造纤维强化连接件；

图4表示在应用树脂之前具有混合垫板的叠片的一部分的横截面图；

图5是制备纤维强化连接件的最终叠片的一部分的横截面图；

图6表示利用针刺制造混合垫板；

图7表示通过从一层中穿过第二层向上拉出纤维来制造混合垫板；

图8表示通过对层进行缝制连接来制造混合垫板；以及

图9表示通过将层向上覆盖在另一层上的凹槽中制造混合垫板。

具体实施方式

图1表示通过多个层或叠层102构成叠片101，所述层或叠层中的一些或全部通过纤维加强。这种纤维强化不是本发明的实际研究结果，并且可以通过许多不同的方式构成，例如通过具有织物垫板的长均匀定向纤维、任意布置的短小纤维等等。在表面104的所示面积103上，叠片101被连接在其它(未示出)构件上，并用于提高连接件的强度，通过使纤维105固定装配并从表面104中突出而使连接件得到加强。可以例如通过胶合或通过在面积103的顶部敷设干或半浸渍成分，之后通过真空织物覆盖所述成分并在叠片101上局部执行最终的注入而获得上述连接件。一些叠片表面104在图中以放大剖视图示出。而且，示出了通过叠片101的任意截面，其表示准备用于连接的面积103的一部分，所述连接具有从表面104突出的纤维105。纤维105不必以一定型式放置并且还可以具有不同长度。同样，与连接件的尺寸相比突出纤维的数量可以变化，并且已经发现仅1％的纤维就可以显著提高连接件的强度。纤维可以是未浸渍也就是干的，以及完全或部分浸渍的。通过使纤维完全或部分浸渍，可以控制由纤维相对于表面形成的角度106。如果纤维以锐角106从表面突出，则会进一步增加连接件的强度。如果纤维以不同方向突出，则该强度得到进一步的提高。

例如，所述纤维强化连接件可以用于风轮机的叶片，其中每个叶片通过由两个大型叶片壳体组装而成。叶片壳体201在图2中示出。两个叶片壳体201通常沿边缘周长的主要部分胶合在一起并胶合在一个或多个加固内梁上。该图表示壳体上的面积103，其中构成叶片壳体的叠片101得到胶合。通过这些面积103，将叠片101由此制成具有从表面104突出的纤维，所述纤维显著提高了连接件的强度。通常所述表面在设置连接件的地方得到研磨以获得粗糙表面和对胶合在其上的构件具有足够好的粘附力。然而，研磨是非常耗时而且劳动强度大的过程，同时去除加工过程产生的磨屑困难而且成本高，所述磨屑出于工作环境和健康的考虑是不希望出现的。同时，在叶片投入使用之后磨屑也是不希望出现的，因为留有任何尘屑都会引起吸潮和形成堵塞叶片排泄孔的淤泥和非常硬的块的问题。根据本发明的纤维强化连接件不需要研磨叠片。另外在叶片固化的同时已经可以去除用于叶片壳体模具的工作架。通常这是不可能的，因为在例如通过研磨形成连接区域的同时必须具有工作架。在常规研磨过程中，在研磨之后相对快速地进行胶合对胶合连接件的质量也是至关重要的。然而，这一点对于根据本发明的具有强化纤维的连接件不是必要的，因此可以更容易地使连接过程的时序适应其它过程并由此优化了工序。

图3表示用于制造用于纤维强化连接件的面积的另一方法，所述连接件如上所述具有从叠片表面104突出的纤维105。在需要设置连接件的地方的最外端布置附加层301。层301通过多个短纤维105连接在叠片上，所述短纤维通过例如Z形销401压入、推入或移入。在此纤维105比叠片的总厚度更小，由此使它们置于叠片内部，但横向放置成穿过叠片101与附加层301之间的连接面402。与常规Z形销不同，纤维105不必紧密固定叠片并且不必以一定型式布置；相反它们仅需要相当均匀地分布并按这样的数量设置，即在最终连接件中它们可以确保所需的粘附力。为了连接件的质量无需使所有纤维布置成具有等同距离也无需相对于表面成相同角度。相反，如果纤维不是垂直于表面放置，则会提高连接件的强度，并且如果纤维在不同方向突出会进一步提高强度。因而，纤维105可以根据连接件能够承受的载荷以所设计的各种数量布置。叠片组件也就是叠片101与附加的最外层301利用树脂注塑，并且最外层301在最终固化之前或刚好连接在其它构件上之前被撕下，由此留下销入的纤维105从表面104突出。该层301可以是例如玻璃纤维或泡沫材料例如泡沫聚丙烯。对于纤维105，可以选取多种已知材料，例如碳纤维或玻璃纤维。为了便于撕下最外层301并确保在连接面402上完成撕开，可以在叠片的表面104与附加的最外层301之间布置薄膜。该薄膜可以是可剥布或真空织物。

图4表示在涂敷树脂材料之前的叠片101的横截面图。该图表示用于根据本发明的纤维强化连接件的制造方法。在此通过VARTM(真空助力树脂传递模塑法)过程制造叠片101，但在其它实施方式中可以选择通过其它制造过程例如通过简单的湿法敷设(可选择地手敷设)、通过RTM或在模制构件上通过拉挤成型或注塑完成制造。对于普通模制来说，材料层102布置在模制部件501内。在其顶部，注入层或注入网502可选择地放置以提高树脂材料的分布，还在其顶部布置成一定型式并相互具有距离的注入通道503，这些通道适于提供最佳的树脂注入。所有的层都用真空织物504覆盖，真空织物在模制部件边缘得到密封，由此备好叠片用于注塑。在需要制备纤维强化连接件的那些面积上，在叠片顶部以及注入层502下面的最外端设置通常所称的混合垫板505。如果连接件布置在叠片的另一侧，则混合垫板505布置在模制部件501与叠片101之间。混合垫板505的特征是其包括至少两层，纤维105沿层的连接面402横向布置。在不同的实施方式中，横向纤维105可以通过不同方式放置，或者仅在混合垫板的内部或者一直延伸穿过其最外层或最下层或它们的组合。由此预先独立于叠片101的生产而完成所述层与横向纤维105在混合垫板505中的连接，此外还可以选择按匹头生产混合垫板，在特定生产中从匹头切割所需块并将其展开。预先生产混合垫板505的能力还提供的选择是可以在最佳条件以及在最可行的工作条件下进行生产，从而确保提高垫板的质量。在注入过程中树脂材料通过整个注入层502经注入通道503得到输送，从注入层向下和向外通过叠片101和混合垫板505上的所有层。当注入结束时，真空织物504、注入通道503以及注入层502都照例被取下。此外，至少取下混合垫板505的最外层301。

此时保留的混合垫板505的最下层(多个层)506如图5所示组合并固定在叠片表面104上，纤维105从表面104突出。为了更容易地撕下混合垫板505的最外层(多个层)301并确保不会撕下整个垫板以及确保最外层301不会连接的太牢固，另一层可以布置在最外层301与最下层506之间，由此确保可以在该层实施分离。所述这一层的示例包括薄真空薄膜或薄可剥布。

图6表示制造包括最外层301和最下层纤维强化层506的混合垫板505的方法，在两层之间来自最下层506的一些纤维得到针刺，也就是推入或压入最外层301。该方法相当简单并且可以例如通过按压尖矛701等向上穿过纤维层506并如图所示向上进入第二层301来实施。根据另一实施方式，应用板或滚子安装多个尖矛以上压纤维105。

如图7所示，还可以通过将纤维层506中的纤维向上拉入第二层301来制造纤维在两层之间沿连接面402横向布置的混合垫板505。通过例如相对较细的钩针形状的工具801向上拉动纤维，工具801向下插入穿过一个层301，从纤维层506中抓住一个或多个纤维并将它们拉动。在叠片101连接在其它构件上之前撕下的最外层301上的孔802可以预先制成或者在加工过程中通过工具801制成。根据另一实施方式，采用板或滚子，其上施加多个“钩针”以摩擦打开或撕开纤维105。

在图8中示出了包括几个层的混合垫板505的另一制造方法，纤维105沿层的连接面402横向延伸。在此横向纤维布置相当简单，两个或多个层通过利用普通的针901的缝制而得到连接，其中上线902和底线903在每个针脚中互锁。采用特殊形式的缝针901对本发明并不重要，所缝制的型式也是同样。在此混合垫板中的层都不需要纤维强化，但它们可以得到纤维强化。为了便于在加工后期撕下混合垫板的一层，有利地是如以上提及以及所述那样在混合垫板的层之间增加薄膜。当取下混合垫板的最外层时，仅通过将其撕下就可以实现，同时缝线中的上线902被拆开。备选地，上线902可以在拆开之前在多个位置被切断或剪成条，或者上线902可以被拉出缝线901。后者可以通过简单的方式实现，只要在缝制过程中上线902上的拉紧力超过底线903上的拉紧力。因而，在上文中主要是底线903留在叠片表面104上并突出。如上所述的方法有利之处在于成本低，快速、简单并且可以仅采用已知技术。

在图9中示出了制造混合垫板505的备选实施方式。在将在后续阶段从叠片上撕下的层301的一侧切出或另外设置纵向延伸的凹槽1001。如图所示薄薄覆盖的纤维强化层506随后覆盖在这些凹槽1001内，由此纤维层被折叠在凹槽1001内并形成一系列褶皱1002。如上所述，混合垫板505在其之后被胶合或通过任何其它方式连接在其它构件上的地方布置在叠片上。褶皱层506面向叠片。应用树脂材料，并且混合垫板301的最外层被撕下，之后层301保持紧密布置在叠片上，褶皱从表面突出并形成对连接件的纤维强化。

将会认识到在具有附图的说明书中公开的本发明可以得到变形或修改，这些变形和修改仍然包含在由以下权利要求限定的保护范围内。

Claims (13)

1.一种叠片的制造方法，包括向一个或多个纤维强化层涂敷树脂并随后进行固化，所述叠片还包括在叠片表面被构造成连接在一个或多个其它构件上的至少一块面积，在该表面面积上以至少一些纤维从所述面积表面突出的方式布置多个纤维，所述方法包括通过在叠片的最外端放置混合垫板使纤维从表面突出，所述混合垫板包括至少两层，纤维横向穿过所述层的连接面，并且至少混合垫板的最外层在连接之前被取下，至少混合垫板的最内层保持作为叠片的组成部分。

2.如权利要求1所述的叠片的制造方法，其特征在于，通过Z形销入方式布置横向穿过混合垫板中所述层的连接面的纤维。

3.如权利要求1所述的叠片的制造方法，其特征在于，通过针刺穿过混合垫板上的纤维层并进入混合垫板上的另一层内来生产横向穿过混合垫板中所述层的连接面的纤维。

4.如权利要求1所述的叠片的制造方法，其特征在于，通过从混合垫板上的纤维层中将纤维拉入混合垫板上的另一层内来生产横向穿过混合垫板中所述层的连接面的纤维。

5.如权利要求1所述的叠片的制造方法，其特征在于，通过采用缝制连接混合垫板上的至少两层来提供横向穿过混合垫板中所述层的连接面的纤维。

6.如权利要求1所述的叠片的制造方法，其特征在于，通过将纤维层覆盖在混合垫板中另一层上的凹槽内来提供横向穿过混合垫板中所述层的连接面的纤维。

7.如权利要求1-6中的一项或多项所述的叠片的制造方法，其特征在于，混合垫板中的至少一层由类似橡胶的材料制成。

8.如权利要求1-7中的一项或多项所述的叠片的制造方法，其特征在于，混合垫板中的至少一层由类似泡沫-橡胶的材料例如泡沫聚丙烯制成。

9.如权利要求1-8中的一项或多项所述的叠片的制造方法，其特征在于，所述方法包括在混合垫板中的两层之间布置至少一层薄膜。

10.一种纤维强化叠片，其特征在于，其通过如权利要求1-9中的一项或多项所述的方法制成。

11.如权利要求10所述的叠片，其特征在于，纤维从表面突出的那些部分至少部分地得到浸渍。

12.如权利要求10-11中的一项或多项所述的叠片，其特征在于，纤维以相对于所述表面的平面优选成锐角地从表面突出。

13.一种用于风力发电厂的叶片，其特征在于，其包括如权利要求10-12中的一项或多项所述的叠片。

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