CN103963316B - 用于vartm的压敏流动分配介质 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于通过真空辅助树脂传递模塑制造纤维增强复合材料的方法，其包括以下步骤：将纤维材料(1)放置在模具(6)中，将流动分配介质(4，6，14)放置在所述纤维材料(1)上，和用真空箔(5)覆盖所述纤维材料(1)和所述流动分配介质(4，6，14)以在所述模具(6)与所述真空箔(5)之间形成封闭的模腔。其特征在于使用的流动分配介质(4，6，14)的厚度(h)取决于真空箔(5)上的压力梯度。

Description

用于VARTM的压敏流动分配介质
技术领域
本发明涉及用于通过真空辅助树脂传递模塑(VARTM)制造纤维增强复合材料的方法。
背景技术
纤维增强塑料复合材料用于各种技术产品，如汽车、飞机、风力涡轮机叶片、储罐等。在许多情况下，纤维部件被放置在模具中。用第二模具部分来封闭该模具，或将塑料衬套放置在该模具上，并向该填充有纤维的中空结构施加真空。然后从混合设备灌注液态树脂。该混合树脂填满纤维之间的空间，并最终固化。以此方式，制造出刚性强化复合结构。
树脂经由分布在模具表面上的入口孔流入模腔中。该方法的典型实例是真空辅助树脂传递模塑，称为VARTM。
树脂流动通道可用于实现快速流到模具系统的某些区域。通常，将特定树脂流动介质放置在真空箔与待用树脂润湿的玻璃纤维之间。当树脂被吸入到模腔中时，它快速流过流动介质，然而玻璃材料较为密集并对树脂流具有较大的阻力。部分地受真空产生的力以及部分地受毛细力的作用，树脂被进一步分配到纤维材料中。当树脂流过某一区域时，运动中的树脂的最前面区域被称为树脂流动前沿(flow front)。当树脂流经流动介质时，在流动前沿后，静态真空下降。最高真空出现在流动前沿前方的填充有空气的空间中。因此，树脂快速流过流动介质，经过待被浸湿的纤维材料。
希望的是流动前沿的流动更慢，以及与表面垂直的树脂流动(从流动介质流出和流入叠层(laminate))更高。具有单向纤维的纤维布局，例如非织粗纱(roving)叠层，特别是具有高纤维含量的，由于纤维的紧密堆积(compact build-up)，将具有大大降低的树脂流动。
为实现模具内的所有纤维的正确润湿，在模具中放置了树脂通道和流动薄板(sheets)的复杂布局(layout)。在厚的夹心构造中，核心板(panels)例如软木板(balsawood panels)通常配备有切口(cut)通道以使树脂能够沿核心材料表面快速流动。这么做是为了提高树脂从叠层两侧的渗透，以实现整个纤维堆叠(stack)的尽可能最快的润湿。然而，额外的树脂通道吸收(take up)额外量的树脂，使得部件更重和更昂贵。对于具有高纤维含量的叠层，例如单向粗纱叠层，包含使树脂更好流动的开放织物(open fabrics)层是必要的。掺入用于更好流动性的开放织物产生了具有降低的弹性模量(E-模量)和由于更高的树脂含量而导致的更大重量的叠层。
发明内容
因此，本发明的目的是提供通过真空辅助树脂传递模塑制造纤维增强复合材料的有利方法，其提高了树脂向叠层的均匀渗透并减少了生产时间。本发明的第二个目的是提供用于通过真空辅助传递模塑制造纤维增强复合材料的方法中的有利的流动分配介质。
第一个目的是通过如权利要求1所述的通过真空辅助树脂传递模塑制造纤维强化复合材料的方法来解决的。第二个目的是通过如权利要求15所述的流动分配介质来解决的。从属权利要求限定了本发明的进一步发展(development)。
本发明的方法用于通过真空辅助树脂传递模塑制造纤维增强复合材料(例如纤维增强塑料复合材料)，其包括以下步骤：将纤维材料放置在模具中，将流动分配介质放置在所述纤维材料上，和用真空箔覆盖所述纤维材料和所述流动分配介质以在所述模具和所述真空箔之间形成封闭的模腔。使用的流动分配介质的厚度取决于真空箔上的压力梯度。
例如引入了流动分配介质，其作为覆盖纤维堆叠层的真空箔上的表面压力梯度的函数而改变其厚度。当位于真空箔之下的粗砂叠层被灌注时，随着流动前沿向前移动，粗砂材料内的真空将被流动阻力减小。最多，箔下的压力可能回到大气压，这表示箔和纤维堆叠上没有固结压力。流动分配介质可包含具有刚度(stiffness)的表面压敏材料，所述刚度使得该材料能够提起(lift)真空箔，从而允许后面来的树脂更容易流向树脂前方区域。
有利地，流动分配介质可被直接定位(positioned)在真空箔下。此外，箔分配介质可被紧靠或直接放置在纤维材料上或不直接放置在纤维材料上。
所述纤维材料可包含多层纤维材料。其可以形成纤维堆叠。通常，所述真空箔或真空袋可以是塑料真空箔或袋。
流动分配介质和真空箔可以制成一体的(one piece)。它们可以例如被集成到彼此中。例如，可将真空袋集成到流动分配介质中。在这种情况下，流动分配介质的上或顶表面可构成真空袋。或者，真空袋可包含流动分配介质。
所述流动分配介质引入到封闭的模腔中的优点在于，流动分配介质与叠置(overlaying)或集成的真空箔上的压力梯度成比例地调节树脂输送(transport)。在树脂流动前沿后面，特别是在远离流动前沿处，真空箔下的低真空允许流动分配介质(例如通过热塑性纤维材料中的弹性力)打开以供更多的树脂经过该流动介质。结果，复合材料或叠层中的树脂分配均匀性得到改善。
有利地，可将剥离层(peel ply)放置在流动分配介质和纤维材料(例如纤维堆叠)之间。这意味着，可用剥离层覆盖该纤维材料。
优选地，流动分配介质具有刚度，所述刚度使得流动分配介质能够提起真空箔。例如，所述流动分配介质可具有刚度以提起真空箔，使得纤维材料或纤维堆叠与真空箔之间的距离增加。流动分配介质可包含充当弹簧的纤维材料以提起真空箔。这可通过纤维材料中的弹性力来实现，所述纤维材料可以例如为热塑性纤维材料。
流动分配介质可包含非织纤维材料。它可以例如由非织材料构成。非织纤维材料可包含或由纤维粗纱组成。通常，流动分配介质可包含或由纤维组成，这些纤维随机排列，例如以与用于空气过滤的过滤器材料相同的方式。
可使用包含纤维的流动分配介质，纤维直径为至少10 µm和/或最大500 µm。例如，单个纤维的直径可以具有10 µm和500 µm之间的值。流动分配介质可以例如由这样的单纤维组成或制成。
有利地，流动分配介质包含或由热塑性材料(例如热塑性纤维材料)组成或制成。此外，流动分配介质可包含聚酯和/或聚丙烯和/或聚酰胺。流动分配介质可例如由这些材料组成或制成。此外，流动分配介质的单纤维可包含或由聚酯和/或聚丙烯和/或聚酰胺组成。
所用的流动分配介质可优选包含在1000 mbar下具有2 mm和10 mm之间的厚度的材料，这表示在大气压下且在其未压缩状态下。此外，该材料在50 mbar下可具有0.1与0.5mm之间的厚度，这表示在其完全压缩状态下。流动分配介质可例如由这种材料组成或制成。
此外，所用的流动分配介质可包含具有0.3 kg/cm2和0.7 kg/cm2之间，例如0.4kg/cm2和0.6 kg/cm2之间，优选0.5 kg/cm2的负荷承受能力的材料。如果材料或织物的负荷承受能力被定义为0.5 kg/cm2，这表示在0.5 bar(相当于500 mbar)的真空箔上的压力差下织物高度或材料的厚度开始减小。
在流动前沿处和流动前沿后不远处，真空箔下的真空最大，其可以为例如50mbar。如果大气压为1000 mbar，则流动介质上的压力将相当于0.95 kg/cm2且流动介质在此处将被完全收缩(collapsed)。在流动前沿后较远处，由于窄的纤维通道与此处的低真空之间的流动阻力，叠层(例如粗纱叠层)内的树脂迁移动将会非常缓慢。由于此处的真空值已降至非常低，例如990或甚至1000 mbar的绝对压力，真空箔施加在流动介质上的压力几乎为零。由此，流动分配介质中(例如热塑性纤维材料中)的弹性力充当弹簧并提起真空箔。随着真空箔被提起，在真空箔下流动分配介质中实现了树脂流动的更好通道。
所用的流动分配介质可包含多个层，例如两层或更多层。底层-最接近纤维叠层堆叠-可以为恒定流动阻力层，而顶层可以为表面压敏层。由此，各层的厚度和可压缩部分的柔韧性(flexibility)可针对不同的叠层量身定做。通常，流动分配介质可以是两层或更多层流动分配介质的组合(built-up)，其中一些是可压缩的，而其他的具有恒定流动阻力，不受真空箔上的表面压力影响。优选地，将可压缩和表面压敏层放置在最靠近真空箔处，其表示直接在真空箔下或紧接着真空箔。
表面压敏流动分配介质的柔韧性由纤维的厚度、纤维(例如热塑性纤维)的E-模量、层的厚度和随机取向的连续纤维的几何形状来控制。纤维的结合(例如通过单个纤维之间的压合(stitching)或优选熔合)也可对流动分配介质的柔韧性产生影响。此外，纤维材料的开放性也限定了流动性质和弹力柔韧性。优选地，使用包含彼此结合的纤维的流动分配介质。例如单个纤维可彼此结合，例如通过单个纤维之间的压合和/或熔合。
当完成树脂灌注时，封闭模腔内部的真空可有利地被最大化以减小流动分配介质的厚度。至少部分模具内部的真空可被最大化。可压缩流动介质将具有减小的厚度，因为它被压缩，因而不会吸收太多的树脂。
可将额外的流动分配介质(其可以是恒定流动阻力层)放置在如前所述的剥离层与流动分配介质之间和/或纤维材料与流动分配介质之间。
流动分配介质可包含突出的中空膜，例如凸出的中空塑料膜。该膜可包括顶层、底层和将顶层和底层彼此连接的多个薄壁。例如，代替非织热塑性纤维材料，流动分配介质可包含或由带有多个纵向取向的薄壁的突出的中空塑料膜组成，所述薄壁位于顶层和底层之间，其中顶层进而也可充当真空塑料箔，底层进而也可充当剥离层。底层可具有多个孔以使树脂渗透到纤维材料或叠层中。当压力梯度升高时，结构收缩并降低树脂流动。在低压力梯度下，结构打开并增加树脂流动。
用于制造纤维增强复合材料的方法可例如用于制造风力涡轮机转子叶片或风力涡轮机的其它部件。
本发明的流动分配介质包括顶表面。流动分配介质具有厚度，其取决于顶表面上的压力梯度。本发明的流动分配介质通常可具有与先前在本发明的方法的描述的上下文中描述的流动分配介质相同的性质和优点。为避免重复，不再重复这些具体性质。
本发明具有以下优点：当流动分配介质下方的纤维被树脂润湿时，静压下降且流动分配介质打开，从而允许树脂在流动前沿方向上更快地流动。实现了更快的注塑。通过在真空箔或在模具区域上的相同固结压力，实现了更安全的模塑。在更快的树脂流动下，生产时间得以缩短。由于更短的模具时间，可生产出更便宜的产品。
附图说明
从以下的实施方案描述并结合附图，本发明的进一步特征、性质和优点将变得清楚。实施方案并不限制由所附的权利要求书所决定的本发明的范围。描述的所有特征都有利地作为单独的特征或彼此的任意组合。
图1示意性地示出了在使用普通流动辅助材料的真空灌注中一部分叠层的横截面。
图2示意性地示出了在使用本发明的方法的真空辅助树脂传递模塑过程中叠层的横截面。
图3示意性示出了在高模塑真空下如图2所示的叠层的横截面。
图4示意性地示出了在真空灌注中的叠层横截面，显示了树脂前沿传播。
图5示意性地示出了图2所示的布置(arrangement)的一种更简单的变体。
图6示意性地示出了在使用与普通流动辅助材料结合的流动分配材料的真空灌注中叠层的横截面。
图7示意性地示出了本发明的流动分配介质的剖面和透视图。
图8示意性地示出了本发明的流动分配介质的又一变体的剖面和透视图。
具体实施方式
图1示意性地示出了在使用普通流动辅助材料的真空灌注中一部分叠层的横截面。纤维材料1，例如多个纤维层被放置在模具6的内表面7上。纤维材料可形成纤维堆叠。将剥离层2放置在纤维堆叠上。将普通流动分配介质3放置在剥离层上。真空塑料箔5覆盖普通流动分配介质3。真空塑料箔5与模具6一起形成封闭的模腔。
图2示意性地示出了在使用本发明的方法的真空辅助树脂传递模塑过程中叠层的横截面。在图2中，纤维材料1，例如包含形成纤维堆叠的多个纤维层，被剥离层2覆盖。将膨胀的表面压敏流动分配介质4放置在剥离层2上。将真空箔5，例如真空塑料箔，直接放在流动分配介质4上。在图2中示出了低模塑真空，例如，在500和1000 mbar之间的压力下的情形。在此压力下流动分配介质4的厚度用h1表示。
图3示意性示出了在高模塑真空下如图2所示的叠层的横截面。由于封闭的模腔内部的压力降低，流动分配介质具有减小的厚度h2。图3中封闭的模腔内的压力可例如在500mbar和50 mbar之间的值。
图4示意性地示出了在真空灌注中的叠层横截面，显示了树脂前沿传播。在图4中，由于施加到封闭的模腔中的真空，树脂17传播穿过纤维材料或叠层1。树脂流动前沿8的传播主方向用箭头18表示。
位于树脂流动前沿8前面的那部分流动分配介质4用标记16表示并示出了压缩状态(其意味着减小的厚度h2)下的流动分配介质。紧跟在流动前沿8后面的那部分流动分配介质用标记4表示并示出了由于结构内的树脂传播所引起的非压缩状态下的流动分配介质。
流动前沿8后面的流动分配介质4内的树脂流动导致真空箔5内(即真空箔5的上表面9和下表面10之间)的梯度减小。流动分配介质部分16被收缩。填充有树脂的叠层引起真空度下降且由于弹力或弹性力，流动分配介质部分4的厚度增大并提起真空箔5。
图5示意性地示出了图2所示的布置的一种更简单的变体。在图5所示的实施方案中，将流分配介质4直接放置在纤维材料1上。省略了剥离层2。
又一变体示于图6中。图6示意性地示出了在使用与普通流动辅助材料相结合的先前描述的流动分配材料的真空灌注中叠层的横截面。在图6中，将普通流动辅助材料3放置在压敏流动分配材料4与剥离层2和/或纤维材料1之间。在图5中所示的变体中，可省略剥离层2。
在图2至6所述的所有变体中，流分配介质4、16作为真空箔2上的表面压力梯度的函数而改变其厚度，真空箔2覆盖纤维堆叠层1。当例如位于真空箔之下的粗纱叠层1被灌注树脂时，叠层1(例如粗纱叠层)内的真空将随着流动前沿8向前移动而被流动阻力减小。最多，箔5下的压力可能回到大气压，其表示箔5和纤维堆叠1上没有固结压力。
表面压敏材料4、6具有刚度，所述刚度使得该材料能够提起箔5，从而允许后面来的树脂17更容易向树脂前方区域流动。流动分配介质4、6可由非织纤维材料组成，所述非织纤维材料中纤维以与用于空气过滤的过滤材料相同的方式随机排列。纤维(其可具有10 µm至500 µm的直径)可由纺织工业中已知的热塑性材料(如聚酯、聚丙烯、聚酰胺)制成。作为实例，材料在其未压缩状态下可具有2至10 mm的厚度，在其完全压缩状态下仅具有0.1至0.5 mm的厚度。材料可具有0.5 kg/cm3的负荷承受能力，其意味着在真空箔5上的0.5 bar(相当于500 mbar)的压力差下，织物高度或厚度h开始减小。
在流动前沿8处以及其后不远处，真空箔5下的真空最大，其可以为50 mbar。如果大气压为1000 mbar，则流动介质上的压力将相当于0.95 kg/cm3且流动分配介质在此将被完全收缩。在流动前沿8后较远处，由于窄的纤维通道与该处的低真空之间的流动阻力，粗纱叠层内的树脂迁移将会非常缓慢。由于该处的真空值已降至非常低，例如990 mbar或甚至1000 mabr的绝对压力，真空箔5施加在流动分配介质4、6上的压力几乎为零。由此，热塑性纤维材料4、6中的弹性力充当弹簧并提起真空箔5。随着真空箔5被提起，在真空箔5下流动分配介质4、6中实现了树脂流动的更好通道。
流动介质可具有两层或更多层的组合。底层-最接近纤维叠层堆叠1-可以为恒定流动阻力层，如例如图6所示，顶层可以为表面压敏层4、6。由此，各层的厚度和可压缩部分的柔韧性可针对不同的叠层量身定做。
图7示意性地示出了本发明的流动分配介质的剖面和透视图。流动分配介质4包括上表面10和底面9。流动分配介质4具有厚度h。厚度h取决于上表面10或直接放置在上表面10上的层(例如真空箔5)上的表面压力梯度。这意味着，厚度h是表面压力梯度的函数。流动分配介质可具有与先前结合本发明的方法所述的流动分配介质相同的性质和优点。
图8示意性地示出了本发明的流动分配介质的又一变体的剖面和透视图。该流动分配介质包括突出的中空塑料膜。它包括顶层11和底层12以及多个纵向取向的薄壁13，其连接顶层11和底层12。流动方向或纵向用箭头15表示。顶层11可充当真空塑料箔。底层12可充当剥离层。此外，底层12可包含多个孔19以使树脂渗透到叠层中。当顶层11处的压力梯度升高时，该结构收缩并降低树脂流动。在低压力梯度下，该结构打开。

Claims (13)

1.用于通过真空辅助树脂传递模塑制造纤维增强复合材料的方法，其包括以下步骤：将纤维材料(1)放置在模具(6)中，将流动分配介质(4，6，14)放置在所述纤维材料(1)上，和用真空箔(5)覆盖所述纤维材料(1)和所述流动分配介质(4，6，14)以在所述模具(6)与所述真空箔(5)之间形成封闭的模腔；特征在于
使用的流动分配介质(4，6，14)的厚度(h)取决于真空箔(5)上的压力梯度；
其中
所述流动分配介质(4，6，14)包含非织纤维材料，或者
所述流动分配介质(14)包括带有顶层(11)和底层(12)并带有将顶层(11)和底层(12)彼此连接的多个薄壁(13)的突出的中空膜。
2.如权利要求1所述的方法，特征在于将剥离层(2)放置在所述流动分配介质(4，6，14)与所述纤维材料(1)之间。
3.如权利要求1或2所述的方法，特征在于使用具有刚度的流动分配介质(4，6，14)，所述刚度使得所述流动分配介质(4，6，14)能够提起所述真空箔(5)。
4.如权利要求1所述的方法，特征在于使用包含纤维的流动分配介质(4，6，14)，所述纤维具有至少10 μm和/或最大500 μm的直径。
5.如权利要求1所述的方法，特征在于使用包含热塑性材料的流动分配介质(4，6，14)。
6.如权利要求1所述的方法，特征在于使用包含聚酯和/或聚丙烯和/或聚酰胺的流动分配介质(4，6，14)。
7.如权利要求1所述的方法，特征在于使用包含厚度(h)在1000 mbar下在2 mm和10 mm之间和/或在50 mbar下在0.1和0.5 mm之间的材料的流动分配介质(4，6，14)。
8.如权利要求1所述的方法，特征在于使用包含具有介于0.3 kg/cm2和0.7 kg/cm2之间的负荷承受能力的材料的流动分配介质(4，6，14)。
9.如权利要求1所述的方法，特征在于将流动分配介质(4，6，14)紧靠真空箔放置。
10.如权利要求1所述的方法，特征在于使用包含纤维的流动分配介质(4，6，14)且使纤维彼此结合。
11.如权利要求1所述的方法，特征在于当完成树脂灌注时，使封闭的模腔内的真空最大化以减小流动分配介质(4，6，14)的厚度。
12.如权利要求1所述的方法，特征在于将额外的流动分配介质(4，6，14)放置在剥离层(2)和/或纤维材料(1)与流动分配介质(4，6，14)之间。
13.用于如权利要求1所述的方法中的流动分配介质(4，6，14)，特征在于所述流动分配介质(4，6，14)包括上表面(10，11)并具有厚度(h)，厚度(h)取决于上表面(10，11)上的压力梯度。
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