CN101277814B - 可成形的芯材 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用在层压或夹层结构中的柔软和可悬垂的芯材，其包括至少一个由至少部分可渗透的材料形成的外部面，所述外部面形成至少一个空间，所述空间内填充有由可自由移动的离散物体构成的填料。这些空间可以具有沟槽的形状，形成方形图案或与层压物形状相对应的图案。本发明还涉及以这种芯材为特征的层压或夹层结构以及风力涡轮机叶片，以及以这种芯材为特征的层压或夹层结构的用途和制造。此外，本发明涉及一种用在层压或夹层结构中的芯材的制造方法，其包括以下步骤：用至少部分可渗透的材料形成至少一个空间，并将填料填充到这个空间中。

Description

可成形的芯材
技术领域
本发明涉及一种用于层压或夹层结构的芯材。
背景技术
在制造复合元件时，为了获得所需要的结构性能，通常希望让元件具有一定厚度，然而优选地不显著增加元件的重量。这可以通过夹层结构来实现，在夹层结构中，相对厚和轻的芯材层被一个或多个刚度更大且更坚固的层限定到两侧。聚合体泡沫通常被用作芯材，这种泡沫诸如为泡沫PVC、轻质木材或具有蜂窝结构的材料。然而，这些材料都存在着一些缺陷。一方面，它们都是相对较昂贵的材料，另一方面，难以使这些材料适用具有相当复杂的几何形状的复合元件。具体地，曲面或-更糟糕的-双曲面就具有这个问题。此时，芯材可被切割成合适的尺寸和形状(这一方面是一个非常耗时和劳动密集的过程，而且另一方面还会浪费相当多的材料)，或者可以从芯材的一侧或两侧形成切面(section)，籍此它更易于适应曲面。然而，后者会导致在复合元件的模制过程中，切面被打开和形成楔块的区域被树脂填满，该复合元件将在其成品状态下通过该材料表现出不同的强度和刚性性能。
WO2004/087410教导了一种用于制造复合元件的纤维强化结构，其由芯层两侧上的两个纤维强化层构成。在这里，芯层由一些细长纤维制成，其中在这些纤维上或在这些纤维之间固定有分开的物体，诸如中空的玻璃珠。芯层通过缝制的方式与纤维层结合。与上述芯材(诸如轻质木材)相比，该芯层更柔韧，但是该芯层仍然不能在不必被切割成合适的块件的情况下适于曲面或双曲面。
EP0596191A1披露了一种用在流体吸收材料上方的包覆层的纤维层压材料，例如与尿布、卫生巾、胶布等相关。纤维层压物包括两层放置在一起的纤维材料。通过使这两个层通过两个结合辊以一定图案将这两个层结合在一起。这两个纤维层仅仅在结合区域中位于一起，由此它们形成空腔。结合区域包括允许流体流过纤维层压材料的开口，由此流体仅仅流过在结合区域中的开口，而没有进入空腔。在EP0596191A1中没有提到芯材，所披露的纤维层压材料不能用作芯材。
EP1010793A披露了用于在封闭的模具中生产纤维强化材料相关的芯材。芯材包括纤维织物，该纤维织物具有40％vol.或更高的封闭室泡沫结构以及具有小于60％vol.的树脂可进入的空体积。芯材可通过将带有微型球(尺寸4-20μm)的起泡或未起泡的粘合剂刷到无纺纤维层上来制备。该纤维层随后被干燥和加热，由此微型球膨胀(尺寸：10-100μm)，粘合剂材料固化并且将微型球固定在纤维织物上，微型球随后会构成芯材的封闭室泡沫结构。通过使用注入技术可将微型球进一步导入纤维织物。优选地，微型球以均匀图案布置在纤维织物，以形成与区域(通道)分开的“隔离体”，该区域没有微型球，由此允许树脂流到芯材中。微型球被布置在纤维织物中，由此芯材需要形成为在使用前适应结构。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于层压或夹层结构的芯材，从而避免上述问题。
因此，本发明涉及一种用于层压或夹层结构的芯材，该芯材至少包括由至少部分渗透的材料制成的外部面，该外部面形成至少一个空间，在该空间内容纳有由可自由移动的离散物体构成的填料。通常情况下，该芯材可同等有利地用于层压物和类似的夹层结构。当在下文中用到术语“层压物”时，其也应被理解为包括夹层结构。填料由可自由移动的离散物体构成，可以得到这样的有利方面，即，芯材变得非常柔韧，因此它非常易于适应和包裹所有的形状，同样也易于适应和包裹例如曲面和双曲面形状。在此描述的芯材的优点还在于：其制造简单且廉价，且还能方便和非常简单地将其放置在模具中。
一个实施例涉及一种芯材，其包括多个通道形状的空间、多个方形图案的空间或多个具有与层压或夹层结构形状相适应的图案的空间。通过提供多个空间，填料可得到更加精确地控制，即使芯材放置在倾斜表面上，也可确保均匀和一致的分布。通过均匀地散布填料，还确保了树脂在最终的层压或夹层结构中的均匀分布，这对于层压或夹层结构的最终强度而言是重要的。此外，本发明的优点在于：填料的量和种类可以得到控制，且能够在芯材中的不同空间中发生变化，因此可针对最终的层压或夹层结构定制芯材的性质，诸如强度、刚度、厚度、重量和悬垂性。类似地，芯材外部的形状可以被定制成层压或夹层结构的形状，从而完全避免出现皱痕和折痕。
然而，另一个实施例涉及一种如上所述的芯材，其包括彼此之间至少部分重叠的多个空间。从而以简单的方式确保填料在整个芯材上的均匀分布，因为重叠的空间可将两个空间之间的接缝周围的填料相对较少的区域隔开。由此还能够构筑均匀且更厚的芯材，同时不会使其柔韧性和悬垂性受到损失。
根据一个实施例，芯材的外部面由至少一个接合起来的层构成，这是一种简单且容易的形成空间的方式。
根据本发明的一个实施例，芯材的一个层通过缝制、胶粘或熔接(这都是一些简单且方便的接合技术)等方式至少部分地接合起来。
芯材中的至少可部分渗透的材料可被制成织物(web)、毡片和/或羊毛，从而确保在模制过程中树脂可渗透芯材，与此同时，材料保持其挠性和适于加工性能。
根据本发明，用于芯材的填料包括中空玻璃物体或其他中空材料，诸如泡沫塑料。这些材料的优点在于：与重量相比，它们具有较大的体积，且它们也可用作最终的层压或夹层结构中的树脂强化物。
此外，本发明涉及由多个材料层构成的层压或夹层结构-尤其是风力涡轮机的叶片-其包括根据上述一个或多个部分的芯材。其优点与随后的实施例相同，与上述的芯材的优点相同。
本发明还涉及用于层压或夹层结构的芯材的制造方法，其包括以下步骤：形成由至少部分可渗透的材料构成的至少一个空间，并向该空间添加填料。其优点与在上文中与芯材有关的内容中提及的优点相同。
一个实施例还涉及芯材的制造方法，其中通过接合两个至少部分可渗透的层来形成第一空间，接着通过偏移地将另外的层接合到起初的两个层之一上来形成至少部分位于所述第一空间上方的另外的一个或多个空间。
本发明还涉及一种层压或夹层结构的制造方法，其包括：将多个材料层放置在模具中，施加树脂并随后使之变硬；还包括：在供应树脂之前，将根据上述公开内容的芯材放置在模具区域中。
一个实施例涉及一种根据上述公开内容的层压或夹层结构的制造方法，其中通过供应树脂来固定芯材中的填料。
最后，本发明涉及根据上述公开内容的芯材在层压或夹层结构制造中的使用。
附图说明
在下文中，将参考附图来描述本发明，其中：
图1示出了根据本发明的芯材，其中在由以缝制的方式接合在一起的两个层形成的通道中具有填料；
图2示出了在用VARTM工艺(真空辅助树脂传递模制法)制造复合元件的过程中具有各种材料层的模具；
图3-4示出了具有方形空腔的芯材的不同实施例；
图5示出了空腔内具有不同量的填料的芯材；
图6示出了由多个层构造而成且具有部分重叠的空腔的芯材；以及
图7示出了根据本发明的芯材的另一个实施例。
具体实施方式
图1描绘了一种用于制造层压或夹层结构的根据本发明的芯材101。在示出的实施例中，该芯材包括外部面110，其在此例中由两个材料层102构成，所述两个材料层被缝制或以其它方式接合在一起，同时形成纵向延伸的接缝103。在两个材料层102之间的空间104(在此成形为通道的形状)中设有填料105，其由大量的离散物体106组成。这些物体是离散的且能够在材料层之间被到处推动和移动，因此芯材非常柔韧且非常易于适应和悬垂成所需要的形状，与此同时它还易于处理。虽然在此示出的填料为尺寸各异的小珠子，但是它还可以采用其它形状或者是不规则的。填料可以由本身不会与树脂发生化学反应的材料制成。在选择材料和形状时，重要的一点是：与其重量相比，它的体积要大的多。填料的实例可包括：中空的小玻璃珠，或者膨胀或泡沫塑料，诸如聚苯乙烯、聚氯乙烯或类似物。
在最常见的情况下，包封填料105的外部面110由通过某种方式接合起来以形成空间的单个材料层102构成。各种接合技术都是合适的选择，诸如例如缝制、熔接或胶粘-通过类似的连续或非连续接合。
图2描述了模具201之间的横截面，其中层压物将在该模具中被生产出来。在模具中，首先设置一些纤维强化材料层202，随后设置芯材101，然后在芯材上设置另外一些层202。如果层压物采用真空树脂注塑法制造-所谓的VARTM工艺(真空辅助树脂传递模塑法)-配置一些树脂输入管在将参与到层压物中的材料层上方。然后模具由真空布(vacuum cloth)封闭并且供应树脂。包封填料105的芯材层102对于树脂来说是完全或部分可渗透的，因此在模制期间，树脂能够渗透穿过层压物中的所有层并填充所有空间。因此，在树脂固化时，芯材中的填料被固定。在本图中，描绘了如何在施加真空之前将层压物的各层布置在模具中的方式。真空的施加将把这些层压紧在一起。如前所述，由离散物体组成的填料产生的芯材柔韧性还意味着即使这种模具具有例如复杂的几何形状或双曲面，芯材仍然能够轻易地散布在模具中。如前所述，芯材层102对于树脂来说必须是完全或部分可渗透的，且可以例如以羊毛、毡片或玻璃或碳纤维材料织物的形式被提供。
以上述方式制造而成的层压物的一个实例为用于风力涡轮机叶片的叶片壳体。
图3和4说明了根据本发明的芯材101的其他的不同实施例。图3中，一个或两个可渗透层102通过交叉接缝103接合成方形图案。各个方形空间104均填充有填料(未示出)。这种图案的优点在于：填料因此被保持在由各正方形104构成的限定区域中，藉此确保不会所有的填料都例如下移到芯材的一端中。因此以简单的方式确保填料的分布近似均匀一致，同时芯材仍然具有非常好的柔韧性和悬垂形。也可以通过提供一些具有所需形状的各不相同的空间(这些空间随后被缝制在一起或以其它方式接合在一起)来形成该方形图案，如同图1所示的通道形状那样。
根据一个实施例，芯材的外层102被连接成不规则形状，如图4所示。因此，芯材的尺寸和形状以及填料的分布可适应该芯材将参与其中的最终层压物的形状。例如，在其中将要放入芯材的模具具有许多圆锥形表面的区域中，可以有利地使用小区域(field)或小空间104，藉此确保填料不会仅仅堆积在模具底部。相应地，在模具非常平坦的情况下，使用大区域104就足够了。此外，除了在图3和4中描绘的近似平面的层以外，还可以将芯材制造成其它形状。通过让最外面层与芯材接合使得图案区域的顶侧例如大于其底面，芯材将发生弯曲，这有利于制造对应弯曲的层压物。在图7中描绘了这样的实例。还能够将不同的填料填充到不同的空间中，从而以简单的方式使芯材的刚性和强度性能适应层压物的不同区域。
图5是穿过根据本发明的芯材101的剖面图，其中，此时在整个芯材上，不同空间104中的单位体积内的填料105的量是不同的。因此，最终的层压物中的芯材厚度相应不同。
图6描绘了芯材101的一个实施例，在此例中，芯材由四个层102构造而成，其中所述四个层以使得层与层之间的空间104完全或部分重叠的方式接合。通过让不同层之间的接缝103彼此相对偏移来达到这个效果。在两层接合的地方将存在填料相对较少的区域。然而，如图所示的那样，这些区域会被带有填料的第三层与两个最初层的结合处之间的其它空间104所覆盖。由此确保填料105更加均匀一致地分布在整个芯材上。同样如图所示，还能够通过在芯材的某些区域上让两个层102彼此叠置同时在601之间不设置任何填料-即保留一些空间104是空的，来调节和控制芯材的厚度和均匀性。
最后，图7说明了根据本发明的将两个层102与芯材接合的另一种方法，由此在不降低芯材的柔韧性和悬垂性的情况下使填料105更加均匀地分布在整个芯材上。此时，两个层102被接合成在两个接缝103之间，所使用的一个层要比另一个层多。这个实施例因此受到例如轻质木材的常规芯材(其中从一侧切割切片或楔块以使材料适应曲面)的青睐。然而，这种弯曲形状的楔形切割材料在楔块之间具有中空部分，这些中空部分接着将在层压物中使不期望区域具有过多树脂。通过使用根据本发明的柔性芯材可避免出现这种情况，其中，由于填料由离散物体106构成，所以填料能够散布和填充整个模具，因而即使该材料要变成弯曲形状，“楔块”701(两个空间104之间的间隙)也不会打开。
还可以通过用横壁接合两个渗透材料层来制造具有如同图7所示的那种外观的芯材。
将理解：结合附图可以改进或改变在本说明书中公开的本发明，同时仍然包含在下列权利要求的保护范围内。

Claims (15)

1.一种层压或夹层结构，该结构包括多个材料层以及芯材并且在模具中形成，所述芯材包括至少一个由至少部分树脂可渗透的材料形成的外部面，所述外部面形成至少一个空间，在所述空间内设有由可自由移动的离散物体构成的填料，所述芯材中的填料能够被供应的树脂固定。
2.如权利要求1所述的层压或夹层结构，其中，所述芯材包括多个通道形状的空间。
3.根据权利要求1或2所述的层压或夹层结构，其中，所述芯材包括多个方形图案的空间。
4.根据权利要求1所述的层压或夹层结构，其中，所述芯材包括多个具有与层压物的形状相适应的图案的空间。
5.根据权利要求1所述的层压或夹层结构，其中，所述芯材包括设置成至少部分重叠的多个空间。
6.根据权利要求1所述的层压或夹层结构，其中，所述至少一个外部面由至少一个被接合的层形成。
7.根据权利要求6所述的层压或夹层结构，其中，所述至少一个层通过缝制、胶粘或熔接至少部分地接合。
8.根据权利要求1所述的层压或夹层结构，其中，所述至少部分树脂可渗透的材料被制成织物、毡片和/或羊毛。
9.根据权利要求1所述的层压或夹层结构，其中，所述填料包括中空的玻璃物体。
10.根据权利要求1所述的层压或夹层结构，其中，所述填料包括泡沫塑料。
11.一种风力涡轮机叶片，其特征在于：该叶片包括根据权利要求1-10中任一项所述的层压或夹层结构。
12.一种层压或夹层结构的制造方法，该方法包括：将多个材料层放置在模具中，供应树脂且随后让其固化，其特征在于：该方法还包括：在供应树脂之前，将芯材放置在模具区域中，所述芯材包括至少一个由至少部分树脂可渗透的材料形成的外部面，所述外部面形成至少一个空间，在所述空间内设有由可自由移动的离散物体构成的填料。
13.如权利要求12所述的层压或夹层结构的制造方法，其中，通过供应树脂来固定芯材中的填料。
14.如权利要求12或13所述的层压或夹层结构的制造方法，该方法还包括以下步骤：用至少部分树脂可渗透的材料形成至少一个空间，然后将填料填充到所述空间中。
15.如权利要求12或13所述的层压或夹层结构的制造方法，该方法还包括以下步骤：通过将两个至少部分可渗透的层接合形成第一空间，接着通过偏移地将另外的层接合到最初的两个层之一上来形成至少部分位于第一空间上方的另外的一个或多个空间。
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