CN101570064A - 用于制造纤维增强层压件和横向延伸材料的方法 - Google Patents

用于制造纤维增强层压件和横向延伸材料的方法 Download PDF

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Abstract

这里提供了一种用于制造纤维增强层压件和横向延伸材料的方法，其中用于制造纤维增强层压件的方法包括以下步骤：a)使用至少一层纤维材料来形成层压件(13、15)的一部分(15)至确定厚度；b)将横向延伸层(13)布置在该局部完成的层压件(15)顶上，该层(13)沿第一横向方向(21)的刚性大于沿第二横向方向(22)的刚性，且沿第一横向方向(21)的刚性大于构成层压件的其它层的刚性；c)形成层压件(15)的新的一部分至预定厚度；以及d)当根据步骤a)－c)形成的层压件的厚度并不与成品层压件的所需厚度一样大时，重复步骤b)和c)，直到形成的层压件的厚度等于成品层压件的所需厚度。

Description

用于制造纤维增强层压件和横向延伸材料的方法
技术领域
本发明涉及一种用于制造纤维增强层压件的方法；涉及一种用于制造横向延伸材料的方法，该横向延伸材料沿第一方向的刚性大于沿第二方向的刚性；涉及一种横向延伸材料的应用，该横向延伸材料沿第一方向的刚性大于沿第二方向的刚性；还涉及一种横向延伸纤维材料。
背景技术
纤维增强层压件的结构特征通常由增强纤维的量、类型和方位来支配。通常，只有在沿纵向纤维方向产生负载时才考虑纤维的刚性和强度。因此，普通设计的层压件假定最终层压件的纤维将定向成方向与纤维在布置于模具中时的方向相同。不过，在一些情况下，可能由于制造工艺而在纤维层中产生褶皱。在这种情况下，褶皱的纤维不再具有合适的方位，且可能导致层压件的严重过载。
褶皱可能由于多种原因而产生。层压件在固化过程中的热膨胀可能超过模具的热膨胀，在这种情况下，层压件可能在基体材料(通常是热塑性或热固性材料)充分固化以便使纤维保持合适方位之前处于压缩压力下。层压件下面的不平整结构或者表面(层压件在该表面上形成)中的起伏也可能引入褶皱。
在纤维增强层压件中的褶皱通常通过结构的组合来防止。层压件的厚度保持低于特定限度，以便减小产生的放热热量。模具和用于形成层压件的其它表面保持高质量。固化在仔细控制的温度梯度下进行，以便减小热膨胀差异。
用于避免纤维层中的褶皱的另一方法包括在纤维层之间包含防褶皱材料层。防褶皱材料制造成使它比正常纤维材料更刚性。当位于例如玻璃纤维垫层之间时，大大防止了垫中的纤维发生褶皱，因为这些垫由防褶皱材料保持扁平。
防褶皱材料可以是预固化的实心、穿孔或网状的层压件、或者不同于层压件的实心、穿孔或网状材料(例如木头或金属)。
在US2005/0048260A1中公开了一种用于制造包括金属箔和多个纤维层的层压复合体的方法。该方法包括穿孔金属箔板，以预定顺序和方位将穿孔的金属箔板以面对面的关系堆垛在该多个纤维层中，并将树脂灌注至所堆垛的板和层中，这样，树脂流过金属箔板中的孔，并散布在该多个纤维层之间，以便形成层压复合体。代替穿孔金属箔，也可以使用多个金属箔条来制造层压纤维金属复合结构。
在WO2004/071761A1中公开了一种由铝合金形成的至少两个板的层压件，在该至少两个板之间有基于塑料的中间层，该中间层包含至少两组连续和相互平行的纤维。中间层与该金属板连接。
在WO95/20479中公开了一种制造具有多个单向定向层(例如由单向定向纤维增强的基体材料层)的复合层压件的方法。至少一个内部金属层(例如并不形成层压件外表面的金属层)与其它层一起布置形成平衡且对称的层压件。
当在纤维增强层压件中产生褶皱时(尽管有预防作用)，层压件通常需要修理或报废，因为在褶皱中损失的刚性和/或强度通常超过任何实际的安全限度。
发明内容
因此，本发明的第一目的是提供一种用于制造纤维增强层压件的优选方法。本发明的第二目的是提供一种横向延伸材料的优选应用，该横向延伸材料沿第一横向(lateral)方向的刚性(stiffness)大于沿第二横向方向的刚性。第三目的是提供一种用于制造横向延伸材料的方法，该横向延伸材料沿第一横向方向的刚性大于沿第二横向方向的刚性。本发明的第四目的是提供一种横向延伸的纤维材料，该横向延伸纤维材料沿第一横向方向的刚性大于沿第二横向方向的刚性。
第一目的通过如权利要求1中所述的用于制造纤维增强层压件的方法来实现。第二目的通过如权利要求10中所述的横向延伸材料的应用来实现。第三目的通过如权利要求12中所述的用于制造横向延伸材料的方法来实现。第四目的通过如权利要求15中所述的横向延伸纤维材料来实现。从属权利要求确定了本发明的进一步发展形式。
用于制造纤维增强层压件的本发明方法包括以下步骤：a)使用至少一层纤维材料来形成该层压件的一部分至确定厚度；b)将横向延伸层布置在该局部完成的层压件的顶上，该层沿第一横向方向的刚性大于沿第二横向方向的刚性，且沿第一横向方向的刚性大于构成层压件的其它层的刚性；c)形成该层压件的新的一部分至预定厚度；以及d)当根据步骤a)-c)形成的层压件的厚度并不与成品层压件的所需厚度一样大时，重复步骤b)和c)，直到所形成的层压件的厚度等于成品层压件的所需厚度。
与第一横向方向相比，横向延伸层沿第二横向方向的更大刚性有效防止了其它纤维材料层产生褶皱。因为横向延伸层沿第一方向保持它的柔性，与完全刚性的层相比，它更容易进行悬垂(drape)。
沿第一横向方向的刚性比沿第二横向方向更大且沿第一横向方向的刚性比构成层压件的其它层更大的横向延伸层可以布置为层压件的最下侧层。而且，沿第一横向方向的刚性比沿第二横向方向更大且沿第一横向方向的刚性比构成层压件的其它层更大的横向延伸层可以布置为层压件的最上侧层。
优选是，由与构成层压件的其它层的材料相同的材料构成的局部预固化层可以用作沿第一横向方向的刚性比沿第二横向方向更大且沿第一横向方向的刚性比构成层压件的其它层更大的该材料层。
优选是，可以使用沿第一横向方向的刚性比沿第二横向方向更大且沿第一横向方向的刚性比构成层压件的其它层更大的层，该层包括局部由树脂浸渍并预固化的纤维材料，使得该树脂形成沿第一横向方向连续的间隔开的条。这意味着该层只局部由树脂浸渍。因此，该层的未浸渍部分将以与该纤维材料的其余部分相同的方式集成在该层压件中。
而且，由与构成层压件的其它层的材料不同并选择为相对于最终的纤维增强层压件的刚性提供所需刚性比的层压材料构成的局部预固化层可以用作沿第一横向方向的刚性比沿第二横向方向更大且沿第一横向方向的刚性比构成层压件的其它层更大的该材料层。
而且，沿第一横向方向的刚性比沿第二横向方向更大且沿第一横向方向的刚性比构成层压件的其它层更大的至少两个不同层可以布置成这样，即，该至少两个不同层的第一横向方向包括在0°和180°之间的角度。优选是，相继两层的具有更大刚性的第一横向方向相互垂直延伸。
而且，纤维增强层压件可以是风力涡轮机叶片的一部分。
通常，在本发明中，横向延伸材料是横向尺寸比厚度大得多的材料。而且，横向延伸层和/或横向延伸材料可以包括沿第一横向方向的刚性比沿第二横向方向的刚性更大的不同部分，其中，这些不同部分的第一横向方向可以被相互不同地定向。
在本发明的应用中，沿第一横向方向的刚性比沿第二横向方向更大且沿第一横向方向的刚性比构成层压件的其它层更大的横向延伸材料在用于制造纤维增强层压件的方法中应用。
在本发明的横向延伸材料应用中，沿第一横向方向的刚性比构成层压件的其它层更大的材料是与纤维增强层压件的其它层相同的材料，但是被局部预固化。这意味着材料(例如纤维材料)可以只局部浸渍，例如由树脂浸渍，并预固化。优选是，大部分材料可以保持干燥。这样，可以保持材料沿第二横向方向的最大柔性。
用于制造沿第一横向方向的刚性比沿第二横向方向更大的横向延伸材料的本发明方法包括以下步骤：利用树脂局部浸渍至少一层纤维材料，使得该树脂形成沿第一横向方向连续的间隔开的条；以及使树脂固化。例如，至少两层纤维材料可以在利用树脂局部浸渍它们之前一层布置在另一层顶上。所获得的材料将沿条的方向为刚性，但是沿垂直方向保持原始纤维材料的柔性。而且，该至少两层纤维材料可以有不同的长度和/或宽度。这例如可以使得横向延伸材料有厚度变化。
在本发明中，沿第一横向方向的刚性比沿第二横向方向更大的横向延伸层也称为横向延伸的防褶皱层。
如上述制造的横向延伸材料可以布置在模具中并在干纤维材料层之间。多层横向延伸材料可以布置在模具中并由干纤维材料层分开，以便进一步制造纤维增强层压件。当树脂灌注处理开始时，横向延伸材料的未浸渍部分可以与模具中的纤维材料的其余部分同时由树脂浸渍。因此，横向延伸的防褶皱层成为最终的层压件的整体部分。当横向延伸的防褶皱材料通过完全浸渍纤维材料来制造时，有这样的危险，即，较弱的未增强树脂层形成于横向延伸的防褶皱材料和层压件的其余部分之间，这可能导致脱层。这种危险通过用于制造纤维增强层压件的本发明方法来消除。优选是，横向延伸的防褶皱材料可以布置成这样，即，树脂条基本沿层压件的强度最关键的方向延伸。当沿多于一个的方向需要有强度时，可以使用更多的横向延伸防褶皱材料层，并将它们布置成使得相继两层中的条相互垂直延伸。
横向延伸的防褶皱材料可以由多层纤维材料来制造。各层可以有不同的长度或宽度，这样，可以形成不同厚度的横向延伸防褶皱材料。这可能在横向延伸的防褶皱材料用于截面并不恒定的层压件中时很重要。例如，当层压件的厚度朝着一端变小时，纤维材料的层数以及横向延伸的防褶皱材料的层数将在层压件的某个长度上逐渐减少。当横向延伸的防褶皱材料层较厚时，邻近横向延伸的防褶皱材料的纤维材料层将趋向于绕横向延伸的防褶皱材料的端部折叠。这可以对层压件的强度产生与横向延伸的防褶皱材料所要防止的褶皱相同的效果。优选是，使用的横向延伸材料也可以有楔形形状。
沿第一横向方向的刚性比沿第二横向方向更大的本发明横向延伸纤维材料包括局部由树脂浸渍并固化的至少一层纤维材料，使得该树脂形成沿第一横向方向连续的间隔开的条。
与在背景技术介绍中所述的预固化实心、多孔或网状的层压件相比，本发明的横向延伸纤维材料具有以下优点。它沿一个方向保持它的柔性，因此更容易进行悬垂。而且，它只局部由树脂浸渍。因此，在用于制造纤维增强层压件的方法中，材料的未浸渍部分将以与纤维材料的其余部分相同的方式集成在层压件中。而且，本发明的横向延伸纤维材料可以制造成具有不同厚度。这使它适合用于例如具有楔形形状的层压件中。
本发明的横向延伸防褶皱材料由于其沿一个方向的刚性以及沿垂直方向的柔性而适合制造风力涡轮机叶片。风力涡轮机必须沿它的纵向轴线方向具有很高强度。在与纵向轴线垂直的方向中，风力涡轮机叶片强烈弯曲。因此，沿该方向为柔性的纤维材料更容易进行悬垂。还有，风力涡轮机叶片的厚度朝着叶片的顶端逐渐变小。因此它优选是使用具有不同厚度的横向延伸防褶皱材料。
用于制造纤维增强层压件的本发明方法特别能够用于制造风力涡轮机转子叶片。
通过下面结合附图对本发明实施例的说明，将清楚本发明的其它特征、特性和优点。所述特征可有利地单独使用和相互组合。
附图说明
图1示意表示了穿过层压风力涡轮机转子叶片的剖视图。
图2示意表示了图1的细节。
图3示意表示了在制造图1的转子叶片的处理中的第一阶段。
图4表示了在制造图1的转子叶片的处理中的第二阶段。
图5表示了在制造图1的转子叶片的处理中的第三阶段。
图6示意表示了横向延伸纤维层的一部分，在透视图中，该横向延伸纤维层沿第一横向方向的刚性大于沿第二横向方向的刚性。
具体实施方式
下面将参考图1至6介绍本发明实施例。图1是层压风力涡轮机转子叶片1的示意剖视图。转子叶片1由上部外壳3和底部外壳5来制造，该上部外壳3和底部外壳5各自包括增厚部分9和非增厚部分11。上部和底部外壳3、5包括多个纤维增强层，这些纤维增强层并没有在图中单独表示。在增厚部分9中，纤维增强层的数目相对于非增厚部分11来说是增加的。
上部外壳3的增厚部分9在图2中更详细地表示。在增厚部分9中，横向延伸层13存在于纤维增强层15的堆垛之间，该横向延伸层沿第一横向方向的刚性大于沿第二横向方向的刚性，且它沿第一横向方向的刚性大于构成该层压件的其它纤维增强层的刚性。沿第一横向方向的刚性大于沿第二横向方向的刚性的该横向延伸层13还被称为横向延伸的防褶皱层。
纤维增强层15的堆垛以及横向延伸的防褶皱层13被埋入树脂基体中，该树脂基体通过树脂灌注和随后的树脂固化而形成。在灌注和固化处理中，该横向延伸的防褶皱层13防止纤维增强层形成褶皱，因为该更高的刚性将不允许夹在模具和横向延伸的防褶皱层13之间或夹在两个横向延伸的防褶皱层13之间的纤维增强层基本沿与纤维在纤维增强层中的延伸方向相垂直的方向进行折叠。
下面将参考图3至5介绍形成图1和2中所示的风力涡轮机转子叶片1的方法。
通常，转子叶片1的上部和底部外壳3、5这样制造，即，在模具17中将干纤维增强层19一个布置在另一个顶上，通过树脂灌注而润湿纤维增强层19，以及随后使树脂固化。应当注意，尽管通过制造风力涡轮机转子叶片1来介绍该方法，但是参考图3至5所述的方法也用于制造其它纤维增强层压结构，例如在造船中。
用于制造图1中所示的转子叶片1的方法的第一阶段在图3中表示。该图示意表示了模具17以及多个纤维增强层19(例如玻璃纤维层、碳纤维层或芳族聚酰胺纤稚层)的剖视图，这些纤维增强层19在模具17中干燥地一个布置在另一个顶上，以便形成纤维增强层19的堆垛15。
在将纤维增强层的堆垛15布置在模具17中之后，横向延伸的防褶皱层13布置在该堆垛15的顶上(见图4)。在将横向延伸的防褶皱层13布置在纤维增强层19的第一堆垛15的顶上之后，包括多个纤维增强层19的另一堆垛15布置在横向延伸的防褶皱层13的顶上，如图5中所示。
纤维增强层19的堆垛15和横向延伸的防褶皱层13可以继续交替层叠，直至达到所需的层叠厚度。堆垛15中纤维增强层19的数目可以在不对横向延伸的防褶皱层13的防褶皱效果产生不利影响的情况下尽可能高。
尽管图3至5中未示出，但是一个或多个附加的横向延伸防褶皱层13可以布置在纤维增强层19的最下侧堆垛15的下面。在这种情况下，横向延伸的防褶皱层13将是布置在模具17中的第一层。由纤维增强层19的堆垛15与横向延伸的防褶皱层13交替构成的整个堆垛的最外侧层也可以是至少一个横向延伸的防褶皱层13。
在干纤维增强层19和干横向延伸防褶皱层13层叠之后，模具17关闭，并向模具17施加真空。然后，热塑性或热固性材料，诸如前述的树脂(例如聚酯树脂或环氧树脂)，被灌注至真空模具17中。树脂润湿纤维增强层19和横向延伸的防褶皱层13。经过一定时间，全部纤维增强层19和全部横向延伸的防褶皱层13都充分润湿。然后，树脂进行固化。在固化树脂之后，将模具17拆开。
在固化处理过程中，横向延伸的防褶皱层13防止纤维增强层19形成褶皱，即防止沿与纤维增强层19中纤维的延伸方向基本垂直的方向进行折叠，因为横向延伸的防褶皱层13具有比纤维增强层19更高的刚性，使得它们自身不会折叠。因此，在模具17和横向延伸的防褶皱层13之间或者在两个横向延伸的防褶皱层13之间没有空间或只有很小空间可用于形成褶皱。而且，即使夹在模具17和横向延伸的防褶皱层13之间或夹在两个横向延伸的防褶皱层之间的一个纤维增强层堆垛15中产生了褶皱，横向延伸的防褶皱层13也会将该褶皱限制于该特定堆垛15，因为褶皱不能通过刚性的防褶皱层13传播。
图6以透视图中示意表示了横向延伸的防褶皱层13的一部分。横向延伸的防褶皱层13是沿第一横向方向21的刚性比沿第二横向方向22的刚性更大的纤维层。
横向延伸的防褶皱层13包括干纤维材料部分23和预固化的树脂浸渍纤维材料部分24。交替的干纤维材料部分23和预固化的树脂浸渍纤维材料部分24形成为沿第一横向方向21延伸的条。预固化树脂浸渍纤维材料24的间隔开的条具有比干纤维材料部分23更大的刚性。这使得整个横向延伸的防褶皱层13沿预固化树脂浸渍纤维材料24的条的方向(该方向是第一横向方向21)的刚性比沿垂直方向(该方向是第二横向方向22)的刚性更大。因此，横向延伸的防褶皱层13沿第二横向方向22为柔性，沿第一横向方向21为刚性。这意味着该材料容易进行悬垂。
横向延伸的防褶皱层13包括一层或多层纤维材料，这些纤维材料一层布置在另一层顶上，并由树脂浸渍成使得该树脂形成沿第一方向21的条。因此，该纤维材料只局部浸渍；大部分纤维材料保持干燥。当树脂固化时，横向延伸的防褶皱层13沿第一方向21(该第一方向是条23、24的方向)为刚性，但是沿第二方向22(该第二方向与第一方向21垂直延伸)保持原始纤维材料的柔性。

Claims (15)

1.一种用于制造纤维增强层压件(13、15)的方法，包括以下步骤：
a)使用至少一层纤维材料来形成该层压件(13、15)的一部分(15)至确定厚度；
b)将横向延伸层(13)布置在该局部完成的层压件(15)的顶上，该层(13)沿第一横向方向(21)的刚性大于沿第二横向方向(22)的刚性，且沿第一横向方向(21)的刚性大于构成层压件的其它层的刚性；
c)形成该层压件(15)的新的一部分至预定厚度；以及
d)当根据步骤a)-c)形成的层压件的厚度并不与成品层压件的所需厚度一样大时，重复步骤b)和c)，直到所形成的层压件的厚度等于成品层压件的所需厚度。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，沿第一横向方向(21)的刚性比沿第二横向方向(22)更大且沿第一横向方向(21)的刚性比构成层压件的其它层更大的横向延伸层(13)布置为层压件的最下侧层。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，沿第一横向方向(21)的刚性比沿第二横向方向(22)更大且沿第一横向方向(21)的刚性比构成层压件的其它层更大的横向延伸层(13)布置为层压件的最上侧层。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的方法，其中，由与构成层压件的其它层的材料相同的材料构成的局部预固化层用作沿第一横向方向(21)的刚性比沿第二横向方向(22)更大且沿第一横向方向(21)的刚性比构成层压件的其它层更大的该材料层(13)。
5.根据权利要求1至4中任意一项所述的方法，其中，使用沿第一横向方向(21)的刚性比沿第二横向方向(22)的刚性更大且沿第一横向方向(21)的刚性比构成层压件的其它层更大的层，该层包括局部由树脂浸渍并预固化的纤维材料，使得该树脂形成沿第一横向方向(21)连续的间隔开的条(24)。
6.根据权利要求1至3中任意一项所述的方法，其中，由与构成层压件的其它层的材料不同并选择为相对于最终的纤维增强层压件的刚性提供所需刚性比的层压材料构成的局部预固化层用作沿第一横向方向(21)的刚性比沿第二横向方向(22)的刚性更大且沿第一横向方向(21)的刚性比构成层压件的其它层更大的该材料层(13)。
7.根据权利要求1至6中任意一项所述的方法，其中，沿第一横向方向(21)的刚性比沿第二横向方向(22)的刚性更大且沿第一横向方向(21)的刚性比构成层压件的其它层更大的至少两个不同层布置成这样，即，该至少两个不同层的第一横向方向(21)包括在0°和180°之间的角度。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，相继两层的具有更大刚性的第一横向方向(21)相互垂直延伸。
9.根据权利要求1至8中任意一项所述的方法，其中，纤维增强层压件(13、15)是风力涡轮机叶片的一部分。
10.沿第一横向方向(21)的刚性比沿第二横向方向(22)更大且沿第一横向方向(21)的刚性比构成层压件的其它层更大的横向延伸材料(13)在用于制造纤维增强层压件的方法中的应用。
11.根据权利要求10所述的应用，其中，沿第一横向方向(21)的刚性比构成层压件的其它层更大的材料是与纤维增强层压件的其它层相同的材料，但是被局部预固化。
12.一种用于制造沿第一横向方向(21)的刚性比沿第二横向方向(22)更大的横向延伸材料(13)的方法，包括以下步骤：
利用树脂局部浸渍至少一层纤维材料，使得该树脂形成沿第一横向方向连续的间隔开的条(24)；以及
使树脂固化。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，至少两层纤维材料在利用树脂局部浸渍它们之前一层布置在另一层顶上。
14.根据权利要求13所述的方法，其中：该至少两层纤维材料有不同的长度和/或宽度，从而导致横向延伸材料(13)的变化的厚度。
15.一种沿第一横向方向(21)的刚性比沿第二横向方向(22)更大的横向延伸纤维材料(13)，包括至少一层纤维材料，该至少一层纤维材料局部由树脂浸渍并固化，使得该树脂形成沿第一横向方向(21)连续的间隔开的条(24)。
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