CN102177012B - 通过使用两种或多种树脂制造聚合物复合材料元件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种通过树脂灌注技术制造聚合物复合材料元件的方法。所述方法包括提供模腔(5)，在其中设置有加强材料(4)。模腔具有用于第一树脂的至少一个第一树脂进口以及用于第二树脂的至少一个第二树脂进口(6b)，其中第一和第二树脂在固化之后具有不同的机械特性。所述方法进一步包括同时将第一树脂经由第一树脂进口引入到模腔的第一区域(5a)以及将第二树脂经由第二树脂进口引入到模腔的第二区域(5b)内，以及将所述第一和第二树脂传递到所述加强材料中，使得所述第一和第二树脂至少部分地在模腔的第三区域内融合。对于这个应用，第一树脂通常被用于风力涡轮机叶片或者风力涡轮机叶片的一部分的根部端。

Description

通过使用两种或多种树脂制造聚合物复合材料元件的方法
技术领域
本发明涉及一种通过使用两种或多种树脂制造聚合物复合材料元件的方法，并且尤其涉及一种树脂灌注技术，其中多种树脂被同时注入。
背景技术
诸如纤维加强复合材料的聚合物复合材料被用在风力涡轮机行业中，例如用于风力涡轮机叶片，并且一种可行的制造工艺是辅以真空的树脂传递模制。树脂材料是例如环氧树脂、聚酯或者乙烯基酯，并且每种材料都在一定的产品范围内存在，所述产品包括那些添加有至少一种添加物以改进诸如断裂韧度以及刚度的机械特性的产品。这些添加物通常导致明显更高的材料成本，并且用于给定产品的树脂选择必须由此在最优材料特性与成本之间进行折衷。
由此，一种制造聚合物复合材料元件的改进方法是有利的，并且尤其一种能够使树脂使用优化的方法将会是有利的。
发明内容
本发明的目的是提供一种制造复合材料元件的方法，通过该方法，树脂特性能够被优化，从而适合于元件的不同部分。
本发明的另一个目的是提供一种制造复合材料元件的方法，通过该方法，可以避免具有不同树脂特性的区域之间的急剧转变。由此，由于弹性特性急剧变化导致的应力集中风险能够被降低或者消除。
本发明一些实施例的另一目的是提供一种制造风力涡轮机叶片或者风力涡轮机叶片的一部分的方法，其中在叶片根部端的树脂在诸如断裂韧度、裂纹生长率和刚度的机械特性方面能够被优化，而不会导致叶片成本不必要的增加。
本发明的另一个目的是提供现有技术的一种替换方案。
发明内容
由此，上面描述的目的和多个其它目的可通过提供一种借助树脂灌注技术制造聚合物复合材料元件的方法而在本发明的第一方面实现，该方法包括以下步骤：
—提供模腔，在其中设置有加强材料，所述模腔具有用于第一树脂的至少一个第一树脂进口以及用于第二树脂的至少一个第二树脂进口，所述第一和第二树脂在固化之后具有不同的机械特性；
—同时将所述第一树脂经由所述第一树脂进口引入到所述模腔的第一区域以及将所述第二树脂经由所述第二树脂进口引入到所述模腔的第二区域；
—将所述第一和第二树脂传递到所述加强材料中，使得所述第一和第二树脂至少部分地在所述模腔的第三区域内融合；
—固化树脂。
固化树脂的步骤通常包括在预定时间段施加热量。
在本发明的一些实施例中，提供其中设置有加强材料的模腔的步骤可包括将至少一个加强材料层设置在模具装置的第一模具部分上、以及将模具装置的第二模具部分连接到第一模具部分以形成围绕着加强材料的模腔的步骤。
“在第一模具部分上”优选地意味着加强物被放置在以大致水平方式设置的第一模具部分上。然而，如果本发明应用于以大致垂直方式设置的部分，那么“在第一模具部分上”意味着表示与该模具部分相邻或贴近的放置。
第二模具部分可以是刚性的或者柔性的。如果是刚性的模具部分，那么更易于确保能够获得复合材料元件的期望外部尺寸。另一方面，柔性的第二模具部分诸如塑料片可以更加便宜以及更易于控制。
在发明的优选实施例中，将所述第一和第二树脂传递到所述加强材料中的步骤可包括使用真空辅助的树脂灌注技术。由此，能够实现最终的复合材料元件不包含任何明显量的截留空气，截留空气否则将会构成材料中的机械弱化以及对于特性的较差控制。替代地或者与之结合，树脂可在压力作用下被引入到模腔中。
加强材料可优选地包括多个纤维层。在本发明的一些实施例中，加强物包括不同纤维的多个层和/或不同纤维之间的过渡部。这些纤维通常是例如玻璃、碳、芳族聚酰胺、玄武岩或者热塑性材料的纤维垫子，其中纤维单向地或者相互成角度设置；纤维也可以交织。加强材料还可以例如具有空间延展、是蜂巢材料或木制，并且它可以代替纤维垫子使用或者与纤维垫子结合使用。“不同”优选地意味着不同的纤维材料，例如玻璃和碳纤维。“过渡部”优选地意味着避免从一种纤维到另一种纤维的急剧转变。由此，由于弹性特性急剧转变导致的应力集中风险能够被降低或者消除。两种纤维可以与两种树脂组合使用，使得第一种纤维用在模腔的第一区域内以及第二种纤维用在模腔的第二区域内。
机械特性的差异可能是由于添加到至少第一树脂的添加物。第一树脂可以与第二树脂相同，除了添加物之外。通过使用同样类型的树脂，能够更易于确保第三区域内的良好混合。然而，用两种不同类型的树脂也是可行的。
在一些实施例中，至少一种添加物可以选自：二氧化硅、二氧化钛、硫酸钡、以及碳纳米管。至少一种添加物的特征尺寸诸如平均直径或者平均长度可以处于1到500nm的范围内，诸如1到10nm、10到50nm、50到100nm、100到300nm、或者300到500nm。这些添加物被用于改进材料的机械特性，例如断裂韧度、疲劳强度以及刚度。这在结构元件的高负载区域或者富含树脂区域内是尤其有意义的。颗粒的尺寸通常选择成很小，使得颗粒不会堵塞加强物之间的开口以及使得加强物之间的均匀分布得以确保。
替代或者与之结合，第一树脂可以是橡胶改性的。它可以例如是第二树脂的橡胶改性形式。这会导致改进的机械特性，特别是断裂、疲劳以及振动抑制方面。橡胶改性树脂可以是ATBN-型(端胺基丁腈橡胶共聚物)或者CBTN-型(端羧基丁腈橡胶共聚物)环氧树脂。
树脂可以选自：环氧树脂、聚酯、以及乙烯基酯。然而，用于制造复合材料元件的任意类型树脂材料都被本发明的范围所覆盖。
通过如上所述方法制造的复合材料元件可以是风力涡轮机叶片或者风力涡轮机叶片的一部分。在这个情况下，第一树脂可被用于风力涡轮机叶片或者风力涡轮机叶片的一部分的根部端。由此，叶片根部端的断裂韧度以及低裂纹生长率能够被优化，而不会导致叶片成本不必要的增加。在本发明的优选实施例中，第一树脂具有比第二树脂更高的疲劳强度。
本发明的第二方面涉及一种通过如上所述本发明的方法制造的风力涡轮机叶片。
本发明的第一和第二方面均可进行结合。参考下面描述的实施例，本发明的这些及其它方面将会变得清楚并且得以阐明。
附图说明
下面参考附图进一步详细描述根据本发明的制造聚合物复合材料元件的方法。附图显示出实施本发明的一种途径，而并不解释成对落入权利要求范围内的其它可能实施例的限制。
图1示意性地显示了已知模具装置的横截面图；
图2示意性地显示了在根据本发明的方法中使用的模具装置的横截面图；
图3示意性地显示了在模腔内部向着彼此流动的两种树脂；以及
图4示意性地显示了本发明用于制造风力涡轮机叶片的可能应用。该图显示出第二模具部分，其具有用于两种类型树脂的进口。
具体实施方式
图1示意性地显示了已知的模具装置1，该模具装置1用于通过使用树脂传递模制技术制造纤维复合材料元件。模具装置1包括第一模具部分2以及第二模具部分3，其在使用前通常用脱模剂进行处理并且还可能经过涂层处理。在该图以及接下来的图中，第一模具部分2以及第二模具部分3被显示成刚性元件，但是第二模具部分3也可以是柔性的，诸如通过使用密封带被紧固到第一模具部分2上的塑性片。在第一模具部分2上放置通常呈垫子的形式的纤维层4以及可能的脱模布(未示出)，并且第二模具部分3被放置在其顶部上。树脂经由也被称为树脂灌注端口的树脂进口6被引入到模腔5中并且引入到纤维4中。树脂的制备没有包含在附图中，但是对于本领域技术人员而言如何完成这部分工艺是众所周知的。树脂经过模腔5的流动通常辅以真空，所述真空还被用于在供应树脂之前通过真空端口7从模腔5中排出空气。当大体全部空气从模腔5中被抽出时，树脂经由树脂进口6供应，并且沿着模腔5流动，同时填充纤维4之间的中空空间。在所示实施例中，树脂进口6和真空端口7被显示成设置在第一模具部分2中。它们还可替代地设置在第二模具部分3中，当使用柔性塑料片时通常是这种情况。当已经加入适当量的树脂时，留下元件以固化树脂。这个步骤通常包括在预定时间段施加热量。
在根据本发明的制造方法中，使用至少两种树脂而不是一种。接下来的描述将集中于两种树脂的使用，然而在本发明范围内使用三种或更多种树脂也是可行的。图2示意性地显示了模具装置1，具有在每个端部的树脂进口6a、6b；所述进口也可被设置在其它位置。第一树脂经由第一树脂进口6a被引入到模腔5中，以及第二树脂经由第二树脂进口6b被引入到模腔5中。与图1一样，树脂流动可以辅以真空，并且在这种情况下真空端口7被设置在两种树脂将相遇的区域。如图3中示意性所示，第一树脂将充满模腔的第一区域5a，以及第二树脂将会充满模腔的第二区域5b，以及第一和第二树脂的混合物将形成在模腔的第三区域5c内。第三区域5c的尺寸取决于多个参数，包括流速、粘性以及模腔的几何形状。
本发明例如对于在结构元件的一些区域比在其它区域明显被更大加载的结构元件而言是有利的。例如对于风力涡轮机叶片就是这种情况，其中弯矩和力在叶片根部端最大。另一种有利的风力涡轮机叶片应用是用于根部插入部周围的富含树脂区域。然而，本发明还可被用于制造在不同区域内诸如密度或颜色的其它参数发生变化的元件。图4示意性地显示了用于制造风力涡轮机叶片的第二模具部分3中树脂进口6a、6b的可能布置，其中第一树脂被用于根部端以及另外的通常更廉价的第二树脂被用于叶片的其余部分。由于这种叶片的大尺寸，树脂通常从进口6a、6b引入到第二模具部分3中的通道8a、8b中。在通道8a、8b中的流动阻力比在加强纤维之间低得多，并且通道8a、8b由此确保树脂被分布到整个模腔。
第一树脂可以例如与第二树脂是相同类型，然而也可以通过添加物改性，以获得更好的机械性能，诸如更高的断裂韧度、刚度或者疲劳强度。这种改进的特性可以例如通过添加二氧化硅、二氧化钛、硫酸钡、碳纳米管形式的纳米尺寸颗粒而获得。它还能够通过使用橡胶改性树脂而获得。原则上，改进的树脂材料可被用于整个叶片，但是那样就过于昂贵。一个替换性方案可以是将叶片由多个部分组装而成，每个部分使用一种树脂制成，但是这会导致包括组装的更加复杂的制造工艺。此外，在一种模制工艺中的制造导致第一与第二区域之间更平滑的过渡部，这会降低由于弹性特性改变导致的应力集中风险。
尽管本发明已经结合特定实施例被描述，但是这不应被看作局限于所提供的示例。本发明的范围通过权利要求书提出。
例如，描述内容涉及到使用树脂材料以及所述树脂材料的改性形式。然而，本发明还覆盖了使用通过两种不同方式改性的树脂，例如分别通过添加碳纳米管以及橡胶，或者使用两种或多种明显不同的橡胶，诸如将聚酯作为第一树脂以及将乙烯基酯作为第二树脂。
在权利要求的行文中，术语“包括”并没有排除其它可能的元件或步骤。同时，单数词“一个”并不被看作是排除多个。权利要求中关于附图中出现的元件的附图标记的使用也不被看作是限制了本发明范围。此外，不同权利要求中提到的单个特征可以有利地进行组合，并且在不同权利要求中这些特征的提出并没有排除特征的组合是不可行以及有利的。

Claims (12)

1.一种通过树脂灌注技术制造聚合物复合材料元件的方法，所述复合材料元件是风力涡轮机叶片或者风力涡轮机叶片的一部分，所述方法包括以下步骤：
－提供模腔，在其中设置有加强材料，所述模腔具有用于第一树脂的至少一个第一树脂进口以及用于第二树脂的至少一个第二树脂进口，所述第一和第二树脂在固化之后具有不同的机械特性；
－同时将所述第一树脂经由所述第一树脂进口引入到所述模腔的第一区域以及将所述第二树脂经由所述第二树脂进口引入到所述模腔的第二区域；
－将所述第一和第二树脂传递到所述加强材料中，使得所述第一和第二树脂至少部分地在所述模腔的第三区域内融合；
－固化树脂。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将所述第一和第二树脂传递到所述加强材料中的步骤包括使用真空辅助的树脂灌注技术。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述加强材料包括不同纤维的多个层和/或不同纤维之间的多个过渡部。
4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述机械特性的差异是由于添加到至少所述第一树脂的添加物。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，至少一种添加物选自：二氧化硅、二氧化钛、硫酸钡、和碳纳米管。
6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述至少一种添加物的平均直径或者平均长度处于1到500nm的范围内。
7.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述第一树脂是橡胶改性的。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第一树脂是所述第二树脂的橡胶改性形式。
9.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述第一和第二树脂分别选自：环氧树脂、聚酯、和乙烯基酯中的任一种。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一树脂被用于所述风力涡轮机叶片或者所述风力涡轮机叶片的一部分的根部端。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述第一树脂具有比所述第二树脂更高的疲劳强度。
12.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述至少一种添加物的特征尺寸处于1到10nm、10到50nm、50到100nm、100到300nm、或者300到500nm。
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