CN103029243A - 用于风力叶片制造和修复的uv-ir组合固化系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于风力叶片制造和修复的UV-IR组合固化系统和方法。更具体而言，本发明涉及一种用于复合部件的制造和修复，诸如风力叶片制造和修复的UV-IR组合固化系统和方法。该系统和方法使用UV和IR双辐射源来固化包含光引发剂的玻璃纤维增强层压件。UV和IR双辐射源可被构造为以并排构型使用的分立的独立式UV和IR灯、具有热IR辐射的多个UV灯、组合UV/IR灯、或提供UV和IR辐射两者的其它形式的光源。为了实现厚层压件的高玻璃转化和完全固化，在开启UV辐射源之前，IR辐射源初始地开启以将层压件加热到接近40℃至100℃。在启用UV辐射源之后，可关闭IR辐射源。

Description

用于风力叶片制造和修复的UV-IR组合固化系统和方法
技术领域
本文所提供的实施例大体上涉及用于复合材料的固化技术，并且更具体而言，涉及用于在诸如风力涡轮转子叶片层压件的结构性复合材料产品的制造和缺损修复中使用的固化技术。
背景技术
作为环保且相对低成本的替代能源，风力涡轮已受到越来越多的关注。随着这种兴趣的增加，已经投入大量的努力来开发用于风力涡轮的可靠且有效的制造和修复技术。
通常，风力涡轮包括具有多个叶片的转子。转子安装到壳体或机舱，壳体或机舱定位在桁架(truss)或管状塔架的顶部上。公用级风力涡轮(即，设计用于向公用电网提供电能的风力涡轮)可具有大型转子(例如，长度30米或更大)，并且通常具有长度24米至47米(80至155英尺)的平均风力涡轮转子叶片尺寸。此外，风力涡轮通常安装在高度至少60米的塔架上。这些转子上的叶片将风能转变成驱动一个或多个发电机的旋转扭矩或力。风力涡轮转子叶片设计已变得日益复杂，以便最大化空气动力学性质并且经受多种环境和条件。
没有风力涡轮转子叶片，风力涡轮就不能发电。通常，风力涡轮转子叶片由多个层或层片所构成的复合纤维材料和基质制成。在许多情况下，如果在风力涡轮转子叶片中出现某种材料失效，则风力涡轮可能要脱机，并且必须更换或修复风力涡轮转子叶片。与运输替换叶片和安装替换叶片相关联的成本和时间是非常高的。用来修复风力涡轮转子叶片的现有方法是时间和劳动密集型的，并且需要专门的修复方法和设施，因此，风力涡轮转子叶片的加工和修复是困难且昂贵的。
在风力涡轮叶片的制造和修复两者中采用的一种常规方法涉及固化多个层，其中所有层一起在高压釜或烘箱中同时固化。换句话讲，该过程涉及层层叠置地施加各个层，并且然后接着对所有层进行固化。层间粘合通常是良好的，但其它缺点有时使这种方法不实用。例如，在制造或修复风力涡轮叶片的根部分段的过程中，在固化循环期间可能发生下垂和尺寸变化以及在压制期间的纤维起皱。另外，来自较厚部件的过多的反应放热可能带来问题。用于固化这些多个层的另一种方法涉及利用单一固化机理逐一地顺序施加和完全固化各层。换句话讲，在铺设第二复合层之前，完全固化第一复合层。然后在铺设第三复合层之前，完全固化第二复合层。该过程利用单一固化机理以相同的顺序的方式添加额外的复合层。遗憾的是，这种制成技术在复合层之间形成相对弱的二次结合。这种二次结合导致不希望的低层间强度。
在备选情形中，包括塔上修复在内的现场修复是可行的。在这些情况中，可以使用热毯加热工艺，这需要新的(green)固化和延长的固化后处理，以便实现所需的物理和机械性质。长热固化工艺所需的塔上时间使风力叶片修复过程的人工时数成本显著增加。作为一种高效的现场修复工艺，UV固化可提供更快速的层压件固化，然而，UV固化工艺本身仅限于薄层压件固化。众所周知，UV固化工艺不能单独实现高的玻璃转化和厚复合材料层压件的完全固化。
因此，需要开发一种改进的技术来解决上述制造和修复过程中的问题。
发明内容
根据本发明的一个方面，一种制造或修复系统包括：第一辐射源，其构造成贯穿复合结构的多个层的厚度加热复合结构的该多个层以形成复合结构的多个预热层；和第二辐射源，其构造成贯穿复合结构的厚度固化复合结构的该多个预热层。
根据本发明的另一方面，一种制造或修复系统包括复合结构，其包括：第一层，其包括具有反应性基团(group)和光引发剂的增强树脂；和多个后续层，其包括具有反应性基团和光引发剂的增强树脂。第一层和多个后续层构造成叠堆。该系统还包括：第一辐射源，其构造成贯穿复合结构的多个层的厚度加热复合结构的第一层和多个后续层以形成复合结构的多个预热层；和第二辐射源，其构造成贯穿复合结构的多个预热层的厚度固化复合结构的多个预热层并且形成跨第一层和相邻后续层的界面上的共价键以及跨多个后续层的附加界面上的多个附加的共价键。
根据本发明的另一方面，一种方法包括提供具有包括在其中的反应性基团和光引发剂的增强树脂的第一层。接着，在第一层的顶部上提供具有反应性基团和光引发剂的增强树脂的附加的后续层。提供并施加第一辐射源以贯穿各层的厚度预热第一层和附加的后续层。接着施加第二辐射源以贯穿各层的厚度同时地固化预热后的第一层和多个附加的后续层。
以上所指特征的各种改进相对于本发明的各个方面而存在。也可将其它特征并入这样的各个方面中。这些改进和附加特征可单独地或以任何组合存在。例如，下文关于图示实施例中的一个或多个而讨论的各种特征可单独地或以任何组合并入本发明的上述方面的任一个中。同样，以上提出的概述仅意图使读者熟悉本发明的某些方面和背景，而不限制要求保护的主题。
附图说明
当参考附图阅读下面的具体实施方式时，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解，在所有图中类似的标记表示类似的部件，在附图中：
图1是根据本文所公开的实施例的组合紫外(UV)-红外(IR)制造和修复系统的示例性实施例的示意图；
图2是根据本文所公开的实施例的组合UV-IR制造和修复系统的另一个示例性实施例的示意图；
图3是根据本文所公开的实施例的组合UV-IR制造和修复系统的又一个示例性实施例的示意图；
图4示出了沿根据本文所公开的实施例的组合辐射源，备选UV-IR灯构型截取的示意性剖视图；
图5示出了沿根据本文所公开的实施例的组合辐射源，备选UV-IR灯系统截取的示意性剖视图；
图6是流程图，其示出了使用根据本文所公开的某些实施例的组合UV-IR制造和修复系统修复复合结构的方法的示例性步骤；
图7提供了数据表，其示出了当在UV制造和修复系统中使用UV固化源时用于复合层的对比玻璃转化温度分布；
图8提供了数据表，示出了当在UV制造和修复系统中使用高强度UV固化源时用于复合层的对比玻璃转化温度分布；
图9提供了数据表，示出了当在根据本文所公开的某些实施例的组合UV-IR制造和修复系统中使用组合UV-IR固化源时用于复合层的对比玻璃转化温度分布；
图10是在包括根据本文所公开的实施例制造或修复的叶片的风力涡轮系统中使用的复合结构的示例性实施例的示意图；以及
图11是在根据本文所公开的某些实施例制造或修复的例如图7中所示的风力涡轮系统中的叶片的示意图。
部件列表
100   组合紫外(UV)-红外(IR)制造和修复系统
101   支撑基底
110   复合结构
112   多个层或层片
114   层之间的界面
116   玻璃纤维增强复合材料
118   第一辐射源
119   环形辐射
120   最上层
121   多个IR灯
122   第二辐射源
123   多个UV灯
125   组合紫外(UV)-红外(IR)制造和修复系统
130   组合紫外(UV)-红外(IR)制造和修复系统
132   组合辐射源
134   组合辐射源
136   组合辐射源
150   固化复合结构的方法
152   提供包括第一层的复合材料，该复合材料包括具有反应性基团和光引发剂的纤维增强树脂
154   提供具有反应性基团的纤维增强树脂的一个或多个后续层
156   响应于第一辐射源加热复合材料的多个层或层片
158   响应于第二辐射源激活复合材料的多个层中的树脂的反应性基团并且从而完全固化复合结构
200   复合结构
300   风力涡轮系统
302   叶片
304   塔架
306   顶部表皮
308   抗剪腹板
310   翼梁缘条
312   管筒
314   底部表皮。
具体实施方式
如下文详细讨论的，本文提供的实施例提供了用于复合结构的组合UV-IR固化源制造和修复系统以及使用组合UV-IR固化系统制造和修复复合结构的方法。本文所用的复合结构定义为具有多个复合层或层片的结构，其中复合结构使用组合UV-IR固化源制造和/或修复以结合多个层。多个复合层包括至少一种填料或纤维、可固化单体和至少一种光引发剂。在下面的说明书和权利要求书中，单数形式“一”、“一个”、“该”包括复数指代物，除非上下文明确地另外指定。如本文所用，术语“组合”模式是指下面这样的制造或修复模式：其中，开始通过使用第一辐射源的加热步骤加热形成复合结构的多个材料层，然后为固化步骤以利用第二辐射源完全固化复合结构，其中，第一辐射源发射红外频率辐射，并且第二辐射源发射紫外频率辐射。在组合UV-IR固化系统中使用的组合加热和固化模式以及制造和修复方法导致贯穿多个层的均匀固化，跨多个层的界面形成共价键，并且优化了跨多个层的高玻璃转化温度。
对于大型复合结构来说，为了获得所需的制造或修复周期、减少巨大的装置和设备投资、并且进一步降低复合部件的制造和修复成本，快速且彻底的固化系统是理想的。这需要整合合适的树脂化学性质与对应的固化源。在本文所公开的系统和方法中，对于复合结构来说，与UV敏感引发剂组合引入双辐射源，这将使得能够固化复合材料并导致贯穿复合材料的整个厚度的完全固化。本文所公开的双辐射源包括构造成发射红外频率辐射的第一辐射源和构造成发射紫外频率辐射的第二辐射源。
现在参见附图，其中贯穿若干视图，相同的附图标记表示相同的元件，并且尤其在图1中，示出了根据本文所公开的实施例的组合紫外(UV)-红外(IR)制造和修复系统100的示例性实施例的示意图。更具体而言，示出了其中定位有复合结构110的系统100。根据实施例，复合结构110示出为包括纤维增强树脂或另一种材料的多个层或层片112。如本文所用，“树脂”包括树脂或树脂共混物。在备选实施例中，复合结构110可包括另一种类型的材料的两个或更多个层或层片。复合材料的多个层112包括反应性基团。如本文所用，“反应性基团”被定义为有机化合物中的原子或原子基团，其为化合物提供了使其响应于特定固化机理的特性中的一些。反应性基团的一些非限制性示例包括醛、胺、羟基、丙烯酸基、甲基丙烯酸基、乙烯基、环氧基、具有胺固化剂的缩水甘油醚环氧化物、氨基甲酸基、硫醇-烯反应性基团或它们的组合。包括这些反应性基团的树脂的一些非限制性示例为不饱和聚酯、乙烯基酯、三聚氰胺、脲醛、酚醛树脂、甲基丙烯酸酯、丙烯酸酯、环氧树脂、氨基甲酸酯等。
在优选实施例中，复合材料的多个层112设置成叠堆构型，并且在固化之后被形成于在复合材料的多个层112的相邻层之间的界面114处的共价键结合。如此前所公开的，复合结构110包括纤维增强树脂或另一种材料的多个层或层片112。在特定实施例中，纤维材料大体上包括增强纤维或填料，例如但不限于具有高强度的纤维。纤维的强度可通过使用本领域已知的技术进一步增加，诸如但不限于通过将纤维沿某个方向定向而形成多个层或层片以及类似方法。纤维可以任何常规形式可得，例如，编织、单向、织造织物、针织织物、旋流织物(swirl fabric)、毡垫、缠绕物等。可有利地使用的示例性纤维包括玻璃纤维(例如，得自诸如PPG、AGY、St. Gobain、Owens-Corning或Johns Manville的供应商的石英、E-玻璃、S-2玻璃、R-玻璃)。纤维为至少部分地UV透明纤维，例如但不限于玻璃、石英、二氧化硅、热解法(fumed)二氧化硅、氧化铝、氧化锆、纳米粒子等。一种以上的纤维的混合物也在本公开的范围内。
基于组合物的总重量，按重量计，纤维在复合材料的组合物中的含量典型地在从约1%至约90%的范围内、更典型地在从约10%至约80%的范围内。更优选地，基于组合物的总重量，按重量计，纤维的含量在从约45%至约75%的范围内。
在非限制性示例中，复合材料的多个层112可包括形成至少一个复合织物层片的多个纤维，其包括可固化单体或树脂材料。通过预浸渍到织物层中(例如预浸料织物)，并且更具体而言，通过将树脂材料经由真空辅助树脂传递模塑(VaRTM)、树脂传递模塑(RTM)等灌注到织物层中，或者通过将树脂刷到或辊压到织物层的表面上直到树脂材料被吸收，可将树脂材料施加到复合织物。
在一些实施例中，复合材料的多个层112通常包含具有至少一个乙烯单元、环醚单元、或环氧基单元、氧杂环丁烷单元等、或它们的组合的单体。在其它实施例中，组合物通常包含具有至少一个异氰酸单元、酯单元等、或它们的组合的单体。合适的可固化单体或树脂材料包括但不限于：不饱和聚酯，例如，可得自Reichhold的POLYLITE?聚酯树脂，可得自DSM的SYNOLITE?聚酯树脂，可得自Ashland的AROPOL?聚酯树脂；乙烯基酯，例如，可得自Reichhold的DION?、NORPOL?和HYDREX?树脂，可得自Ashland的DERAKANE?、DERAKANE MOMENTUM?和HETRON?树脂，可得自DSM的ATLAC E-NOVA?树脂；丙烯酸酯、二丙烯酸酯、二(甲基丙烯酸酯)、多官能团丙烯酸酯和多官能团甲基丙烯酸酯，例如可得自诸如Cytec Surface Specialties、Sartomer、Rahn和BASF的公司的聚酯丙烯酸酯、环氧丙烯酸酯和聚氨酯丙烯酸酯等，以及聚乙烯、三聚氰胺、脲醛、酚醛树脂。基于组合物的总重量，可固化单体的含量典型地在从约90%(按重量计)至约10%(按重量计)的范围内，；并且更优选地，基于组合物的总重量，在从约80%(按重量计)至约20%(按重量计)的范围内。
包含至少一个环醚单元的合适的树脂包括：脂族环氧树脂、环脂族环氧树脂，例如，可得自Dow Chemical Company的ERL-4221、CYRACURE? UVR-6110、CYRACURE? UVR-6107和CYRACURE? UVR-6105，以及可得自Cytec Surface Specialties的UVACURE? 1500；双酚-A环氧树脂、双酚-F环氧树脂、酚-酚醛环氧树脂、甲酚-酚醛环氧树脂、联苯环氧树脂、多官能团环氧树脂(即，包含两个或更多个环氧基团的环氧树脂)、萘环氧树脂(例如，可得自Dainippon Ink and Chemicals的EPICLON? EXA-4700)、二乙烯基苯二氧化物、2-缩水甘油苯基缩水甘油醚、二环戊二烯型环氧树脂(例如，可得自Dainippon Ink and Chemicals的EPICLON? HP-7200)、多芳香型环氧树脂等、或它们的组合。所有这些类别的环氧树脂均为本领域已知的，并且是广泛可得的和通过已知方法可制备的。
在一个实施例中，一种或多种光引发剂包括在复合材料的多个层112中以便在暴露于具有使光引发剂为活性的波长的辐射时生成自由基。在其它实施例中，合适的光引发剂在暴露于具有使光引发剂为活性的波长的辐射时生成酸(光酸产生剂或PAG)。不同类型的光引发剂可单独或作为混合物使用。在特定实施例中，光酸产生剂可与自由基光引发剂一起使用以引发阳离子固化性单体的固化。合适的光引发剂包括但不限于有机过氧化物、偶氮化合物、醌类、苯甲酮、亚硝基化合物、酰卤、腙、巯基化合物、吡喃鎓化合物、三丙烯酰基咪唑、双咪唑、氯烷基三嗪类、安息香醚、联苯酰缩酮、噻吨酮、苯乙酮、酰基膦氧化物、上述化合物的衍生物、以及它们的混合物。示例性光引发剂包括：联苯酰缩酮，例如2,2-二甲氧基-2-苯基苯乙酮(可以以商品名IRGACURE? 651得自Ciba Specialty Chemicals)；苯乙酮衍生物，例如2,2-二乙氧基苯乙酮("DEAP"，可得自First Chemical Corporation)；2-羟基-2-甲基-1-苯基-丙-1-酮("HMPP"，可以商品名DAROCUR? 1173得自Ciba Specialty Chemicals)；2-苄基-2-N,N-二甲基氨基-1-(4-吗啉苯基)丁酮(可以商品名IRGACURE? 369得自Ciba Specialty Chemicals)；2-甲基-1-(4-(甲基硫代)苯基)-2-吗啉代-丙-1-酮(可以商品名IRGACURE? 907得自Ciba Specialty Chemicals)；或酰基膦氧化物，例如，2,4,6-三甲基苯甲酰基)二苯基膦氧化物("TPO")、双(2,6-二甲氧基苯甲酰)-2,4,4-三甲基戊基膦氧化物("DMBAPO")、或双(2,4,6-三甲基苯甲酰)-苯基膦氧化物("BTBPPO")。BTBPPO可以商品名IRGACURE? 819得自Ciba Specialty Chemicals；DMBAPO可以与其它酮的共混物形式得自Ciba Specialty Chemicals，包括：与作为IRGACURE? 1700的HMPP和作为IRGACURE? 1850或1800的1-羟基环己基苯基甲酮(或HCPK)的25/75 wt%共混物，视比例而定。TPO也可以与HMPP (作为IRGACURE? 4265)的50/50 wt%共混物得自Ciba Specialty Chemicals。在优选实施例中，所用光引发剂为酰基氧化膦型，最优选地可得自Ciba Specialty Chemicals的IRGACURE? 819。当暴露于具有使光引发剂为活性的波长的辐射时生成酸的光引发剂包括但不限于弱碱阳离子的鎓盐、芳基锍盐和芳基碘鎓盐，例如六氟磷酸盐或六氟锑酸盐。某些特定示例包括可得自Hampford Research的(4-辛烷氧基苯基)苯碘鎓六氟锑酸盐(OPPI)，三芳基六氟磷酸硫鎓盐；可得自Aldrich的4-((2-羟基十四烷基)苯基)碘代六氟锑酸盐；可得自Cytec Surface Specialties的UVACURE? 1600，得自Ciba Specialty Chemicals的IRGACURE? 250，得自IGM Resins, Inc., Bartlett, Ill.的IGM-C445；得自Dow Chemicals的CYRACURE? UVI6992和CYRACURE? UVI6976；得自Lamberti的ESACURE? 1064和ESACURE? 1187；得自Chitec的R-gen 1130、R-gen BF1172、CHIVACURE? 1176和CHIVACURE? 1190，以及二茂铁盐，例如得自Ciba Specialty Chemicals的IRGACURE? 261。
基于可固化单体的重量，按重量计，合适的光引发剂含量在从约0.01%至约20%的范围内、优选地在从约0.1%至约10%的范围内、并且最优选地在从约0.5%至约5%的范围内。
在图1所示实施例中，组合紫外(UV)-红外(IR)制造和修复系统大体记为100。示出为定位在系统100内且在支撑基底101上的是复合材料的多个层112，其中每个层或层片包括玻璃纤维增强复合材料116。更具体而言，在该特定实施例中，复合材料的多个层112由包含光引发剂的玻璃纤维增强乙烯基酯构成。系统100包括第一辐射源118，其被定位在距复合材料的多个层112的最上层120距离“x-y”处。更具体而言，如图所示，第一辐射源118被定位成以相对于复合材料的多个层112的最上层120成“α”的角度发射辐射，其中α在大约30-90°度之间。第一辐射源118用来引发复合材料的多个层112的加热。在图1中所示的实施例中，第一辐射源118由能够发射具有在从约700nm至1μm的范围内的波长的辐射的辐射源构成。更具体而言，第一辐射源118能够发射红外辐射，其中合适的源包括红外白炽光灯、红外石英管、红外发光二极管、红外发射激光器等。
第二辐射源122被设置和定位成大致垂直于复合材料的多个层112的最上层120且距最上层120距离“x”处。第二辐射源122用来引发包含在复合材料的多个层112内的反应性基团的光固化。在图1所示实施例中，第二辐射源122由能够发射具有在从约100至400纳米的范围内的波长的辐射的辐射源构成。更具体而言，第二辐射源122能够发射紫外线，其中合适的源包括紫外荧光灯、紫外发光二极管、紫外发射激光器等。
图1示出了施加第一辐射源118(IR)以加热复合材料的多个层或层片112。在操作期间，第一辐射源118开启以将复合材料的多个层或层片112加热到40℃至100℃之间的温度。当多个层112达到所需温度时，第二辐射源122(UV)开启以根据图1中所述实施例引发包含在多个层112中的反应性基团的光固化。在启用第二辐射源122之后，可以关闭第一辐射源118。
在暴露于第二辐射源122时，光引发剂分解以产生自由基或游离酸，自由基或游离酸接着引发可光致固化单体的固化。组合物暴露于辐射的时间和辐射的强度可有很大不同。在各种实施例中，暴露于辐射的时间或辐射的强度或两者足以引发光固化。在特定实施例中，暴露时间大体上在从约1秒至约5小时的范围内，更优选地在从约5秒至约1小时的范围内。这些参数可由本领域技术人员容易地确定。在一个实施例中，可利用辐射的强度和组合物暴露于辐射的时间中的变化来控制引发固化所用时间。
在一些实施例中，组合物暴露于辐射的时间足以完成固化。第二辐射源122可在树脂的完全固化实现之前关闭。在第二辐射源122关闭之后，不需要采用其它外部能源来提供对组合物的固化。使用双辐射源实现贯穿复合层或层片的厚度的固化导致了使用能量的显著减少，从而产生成本节约的工艺。
本公开可以预期，双辐射源可以是一起使用且如此前参照图1所述构造的独立式UV灯和IR灯、一起使用且如下面参照图2所述构造的独立式UV灯和IR灯、或组合UV/IR灯、或提供UV和IR辐射两者且组合到单个光源或壳体中的其它形式的光源，诸如下面参照图3所描述的。
本公开还可以预期，本文所公开的UV-IR固化方法可用作分阶段固化工艺以根据需要累积厚度。例如，复合层压件的10-层片可首先使用UV-IR双固化工艺固化，并且然后将复合层压件的另10-层片在第一组固化的10-层层压件的顶部上固化，从而累积20-层的固化复合物。
现在参见图2，示出了大体记为125的组合紫外(UV)-红外(IR)制造和修复系统的备选实施例。在该特定实施例中，示出为定位在系统125内且在支撑基底101上的是复合材料的多个层112，其中每个层或层片包括纤维增强复合材料。系统125包括第一辐射源118，其被定位成大致垂直于复合材料的多个层112的最上层120且距最上层120的距离为“x”。类似于此前的实施例，第一辐射源118由能够发射具有在从约700nm至1μm的范围内的波长的辐射的辐射源构成。第二辐射源122设置且定位成与第一辐射源118呈并排关系并且定位成大致垂直于复合材料的多个层112的最上层120且在距最上层120距离“x”处。类似于此前所述实施例，在图2所示实施例中，第二辐射源122由能够发射具有在从约100至400纳米的范围内的波长的辐射的辐射源构成。
现在参见图3，示出了大体记为130的组合紫外(UV)-红外(IR)制造和修复系统的备选实施例。如前所述，贯穿若干视图，相同的附图标记表示相同的元件。图3中所示为定位在系统130内且在基底101上的复合材料的多个层112。复合材料的多个层112中的每一个包括纤维增强复合材料。更具体而言，在一个实施例中，复合材料的多个层112各自由包含光引发剂的玻璃纤维增强环氧树脂构成。在该特定实施例中，并且相比参照图1和图2描述的此前的实施例，提供了组合构造为组合辐射源132的第一辐射源118和第二辐射源122。如前所述，组合辐射源132可构造成组合UV/IR灯或提供UV和IR辐射两者的其它形式的光源或如下面参照图4和图5描述且示出的组合到单个壳体中的分立UV和IR辐射源。组合辐射源132设置和定位在距复合材料的多个层112的最上层120距离“x”处。构造为组合辐射源132的一部分的第一辐射源118用来引发对复合材料的多个层112的加热。第一辐射源118由能够发射具有在从约700nm至1μm的范围内的波长的辐射的辐射源构成。更具体而言，第一辐射源118能够发射红外辐射，其中合适的源包括红外白炽光灯、红外石英管、红外发光二极管、红外发射激光器等。第二辐射源122用来引发包含在复合材料的多个层112内的反应性基团的光固化。在图3所示实施例中，第二辐射源122由能够发射具有在从约100至400纳米的范围内的波长的辐射的辐射源构成。更具体而言，第二辐射源122能够发射紫外线，其中合适的源包括紫外荧光灯、紫外发光二极管、紫外发射激光器等。
类似于图1和图2所示实施例，组合辐射源132提供用于初始施加第一辐射源118(IR)以加热复合材料的多个层或层片112。更具体而言，在复合材料的固化期间，第一辐射源118开启以将复合材料的多个层或层片112加热到40至100℃之间的温度。当多个层112达到所需温度时，第二辐射源122(UV)开启以引发包含在多个层112中的反应性基团的光固化。如前所述，相比参照图1和图2所述的实施例，本实施例所提供的第一辐射源118和第二辐射源122被构造为能够如上所述操作的组合辐射源132。
现在参见图4和图5，示出了大体上类似于此前参照图3所述的组合辐射源132的组合辐射源。在图示实施例中，分立的UV和IR辐射源被构造在单个壳体中。应当理解，图4和图5中描绘的辐射源的布局仅仅是示例性的，可以预料到另外的布局或构型。具体参见图4，示出了包括被构造为环形IR加热灯119的第一辐射源(IR)118的组合辐射源134。另外，包括被构造为多个单独的UV灯123的第二辐射源122。灯119和123被容纳在单个壳体内且被构造用于如前所述地操作。具体参见图5，示出了包括被构造为多个带状IR加热灯121的第一辐射源(IR)118的组合辐射源136。另外，包括被构造为多个单独的UV灯123的第二辐射源122。灯121和123被容纳在单个壳体内且被构造用于如前所述地操作。
图6示出了固化根据本发明的某些实施例的复合结构110的方法150。方法150包括在步骤152中提供包括第一层的复合材料，第一层包括具有反应性基团和光引发剂的纤维增强树脂。该方法还包括在步骤154中提供具有反应性基团的一个或多个纤维增强树脂的后续层，直到在所得复合结构110中已提供了所需数量的层。该方法还包括在步骤156中响应于第一辐射源加热复合材料的多个层或层片。该方法还包括在步骤158中响应于第二辐射源激活复合材料的多个层112中的树脂的反应性基团，从而同时固化复合材料的多个层112。在启用第二辐射源112之后，可关闭第一辐射源118。在暴露于第二辐射源122期间，复合材料的多个层112(如参照图1和2中那样)的反应性基团(如前所述)，并且更具体而言复合结构110可以完全固化。如此前所暗示的，如果需要分阶段固化来累积复合结构或一部分的厚度，则可以重复该过程，其中可初始地根据方法150固化复合材料的第一组多个层112，然后将复合材料的另外一组多个层112固化在第一组的顶部上，以根据需要累积复合物层压结构。
图7示出了复合材料的温度分布，该复合材料由如所指示的多个层或层片构成，且大体上类似于图1至图3的复合结构110。在大体记为160的该特定表中，仅使用单个UV辐射源，而不是本文所公开的组合辐射源来固化多个层或层片。具体地，图7中示出了反映玻璃纤维增强树脂Dion 9102-00的UV固化的数据，该树脂包含0.6 wt%的光引发剂且用0.008W/cm2的低UV强度进行固化。在复合材料的层中，玻璃转化取决于动态力学分析(DMA)图(未示出)中剪切储能模量(G’)vs温度(℃)的曲线的起点。在表中表示为层#1的顶层较靠近辐射源(UV)，而表示为层#2、5、7和10的后续层位于层叠堆中更远离辐射源(UV)处。通过将组合物暴露于可得自UV辐射源的波长的辐射以光固化组合物，可获得各层#1-#10的玻璃转化温度。如从图7可见，当单独用UV辐射固化时，复合材料的所有层片在低UV强度下表现出较低玻璃转化温度，其中顶部的几个层片仅仅满足低设计规范要求，而不是最佳要求。
图8示出了复合材料的温度分布，该复合材料由如所指示的多个层或层片构成，且大体上类似于图1至图3的复合结构110。在大体记为170的该特定表中，仅使用单个高强度UV辐射源，而不是本文所公开的组合辐射源来固化多个层或层片。具体地，图8中示出了反映玻璃纤维增强树脂Dion 9102-00的高强度UV固化的数据，该树脂包含0.6 wt%的光引发剂且用0.069W/cm2的高UV强度进行固化。如前所述，在复合材料中，玻璃转化取决于DMA图中剪切储能模量(G’)vs温度(℃)的曲线的起点。在表中表示为层#1的顶层位于较靠近辐射源(UV)处，表示为层#2、5、7和10的后续层位于层叠堆中更远离辐射源(UV)处。层#1-#10的所示数据示出了了复合材料的温度分布，该温度分布通过将组合物暴露于可得自高强度UV辐射源的波长的辐射以光固化组合物而获得。如从图8可见，提高UV强度使得玻璃转化温度更高，但局限于顶部的几层。此外，观察到从顶部到底部层片的玻璃转化温度的明显且稳定的下降。
图9示出了复合材料的温度分布，该复合材料由如所指示的多个层或层片构成，且大体上类似于图1至图3的复合结构110。在大体记为180的该特定表中，使用包括IR辐射源和UV辐射源的组合辐射源来固化多个层或层片。具体地，图9中示出了反映包含0.6 wt%的光引发剂的玻璃纤维增强树脂Dion 9102-00的组合IR-UV固化的数据。UV强度为大约0.043W/cm2，略低于图8所示的高UV强度情况中的UV强度。当样品中的多个层的表面温度达到70℃时，关闭IR辐射源。如图9中获得的数据所指，组合UV-IR固化显然为贯穿整个厚度的层片提供了均匀的固化，其中全部具有最佳的高玻璃转化。
所公开的组合紫外(UV)-红外(IR)制造和修复系统为如上文所述包含树脂的复合结构中的粘结结合提供了所需强度和可能性。将片件和子部件接合并组装成整体结构对于模块化设计是特别有利且有用的。虽然机械和粘结结合接合两者都可以使用，但粘结结合通常提供重量更低的设计和所需的强度。包括树脂的复合结构可用作机械部件中的材料以便在接合和组装机械部件时获得所需粘结结合。
图10是大体上类似于图1至图3的复合结构110的复合结构200的示例性实施例的示意图，示出了包括根据本文所公开的实施例制造或修复的至少一部分的风力涡轮系统300。使诸如玻璃纤维增强复合物的复合物适合风力涡轮叶片的某些特性是所需的机械性能、材料性质的可定制性和制造方法的灵活性。此外，玻璃纤维复合物提供了所需的韧性和比现有制造方法中已知的周期更短的过程周期。风力涡轮系统300包括多个叶片302(例如三个叶片)。叶片302使系统300能够从风中捕获能量。具体地，风推动叶片302绕轴线旋转，从而驱动设置在系统300中的发电机。长叶片是理想的，因为它提供用于捕获所需量的能量的较大杠杆。在非限制性示例中，风力涡轮系统300的叶片302具有小于30米的典型长度以最大化能量捕获并降低能量成本。叶片302的部件可包括如下文所讨论的复合结构110。叶片302联接到塔架304。决定了风力涡轮系统300的高度的塔架高度是风力涡轮系统300设计中的重要部分。由于风速随高度变化(也称为风切变)，最佳高度是风力涡轮系统300的最佳性能所需的。通常，对于最佳性能来说，塔架304的高度是叶片302的长度的约两至三倍。
图11示出了如图10中引用的风力涡轮系统300的叶片302的模块化设计，其中至少一部分根据本发明的某些实施例制造或修复。图示叶片302包括顶部表皮306和设置在成对翼梁缘条310之间的抗剪腹板308，翼梁缘条310联接到管筒312。抗剪腹板308为叶片302提供所需强度并且也为成对翼梁缘条310提供所需支撑。叶片302还包括设置在抗剪腹板308下方的底部表皮314。成对112玻璃纤维增强复合材料根据本文所公开的实施例制造或修复。由于叶片302是如图10中引用的风力涡轮叶片系统300的重要部件，使用诸如图1至图3中引用且在前述实施例中描述的复合结构110的复合结构为涡轮叶片系统300提供了所需机械强度以及高效且成本节约的修复和制造方式。此外，顶部表皮306和底部表皮314可附加地包括复合结构。
相应地，公开了用于复合部件的制造和修复，诸如风力叶片的制造和修复的UV-IR组合固化系统以及方法。该系统和方法使用UV和IR双辐射源来固化包含光引发剂的玻璃纤维增强乙烯基酯或环氧树脂层压件。UV和IR双辐射源可被构造为以并排构型使用的分立的独立式UV和IR灯、具有热IR辐射的多个UV灯、组合UV/IR灯、或提供UV和IR辐射两者的其它形式的光源。为了实现厚层压件的高玻璃转化和完全固化，在开启UV辐射源之前，IR辐射源初始地开启以将层压件加热到接近40℃至100℃。在启用UV辐射源之后，可关闭IR辐射源。此外，UV-IR固化-方法可用作分阶段固化工艺以根据需要累积厚度。
虽然本文仅图示和描述了本发明的某些特征，但本领域技术人员将想到许多修改和变化。因此，应当理解，所附权利要求意图涵盖落在本发明的真正精神之内的所有这样的修改和改变。虽然已经以举例方式在附图中示出并在本文中详细描述了具体实施例，但是本发明可能容易出现各种修改和替代形式。然而，应当理解，本发明并非意图局限于本文所公开的特定形式。相反，本发明将涵盖落在由所附权利要求所限定的本发明的精神和范围内的所有修改、等同物和替代形式。

Claims (10)

1.一种制造或修复系统(100, 125, 130)，包括：
第一辐射源(118)，其构造成贯穿复合结构(110)的多个层(112)的厚度加热所述复合结构(110)的多个层(112)以形成复合结构(110)的多个预热层(112)；和
第二辐射源(122)，其构造成贯穿所述复合结构(110)的厚度固化所述复合结构(110)的多个预热层(112)。
2.根据权利要求1所述的制造或修复系统，其特征在于，所述第一辐射源(118)包括红外辐射。
3.根据权利要求2所述的制造或修复系统，其特征在于，所述第一辐射源(118)构造成发射具有在700nm至1μm的范围内的波长的辐射。
4.根据权利要求2所述的制造或修复系统，其特征在于，所述第二辐射源(122)包括紫外频率辐射。
5.根据权利要求4所述的制造或修复系统，其特征在于，所述第二辐射源(122)构造成发射具有在100nm至400nm的范围内的波长的辐射。
6.根据权利要求4所述的制造或修复系统，其特征在于，第一辐射源(118)和所述第二辐射源(122)被构造为组合辐射源(132)。
7.根据权利要求4所述的制造或修复系统，其特征在于，第一辐射源(118)和所述第二辐射源(122)被构造为分立的独立式辐射源。
8.一种方法，包括：
提供包括具有反应性基团和光引发剂的增强树脂的第一层(152)；
提供包括具有所述反应性基团和所述光引发剂的增强树脂的附加后续层(154)；
施加来自第一辐射源(118)的第一辐射(156)以贯穿所述层的厚度来预热所述第一层和所述附加后续层；以及
施加来自第二辐射源(122)的第二辐射(158)以贯穿所述层的厚度同时地固化预热后的第一层和多个附加后续层。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述第一辐射源(118)包括红外频率辐射源，所述红外频率辐射源构造成发射具有在700nm至1μm的范围内的波长的辐射。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述第二辐射源(122)包括紫外频率辐射源，所述紫外频率辐射源构造成发射具有在100nm至400nm的范围内的波长的辐射。
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