CN104812812A - 模塑材料 - Google Patents

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Abstract

固化或部分固化的纤维增强片状材料，其包含增强纤维和增强树脂材料，其中所述增强树脂材料包括环氧树脂和胺硬化剂，所述环氧树脂的环氧当量为50至250，优选为100至200，所述片状材料包括用于将所述片状材料与邻近模塑材料间隔开的表面结构体。

Description

模塑材料
本发明涉及模塑材料，制备模塑材料的方法，以及模塑材料的用途，特别是但不排他地涉及用于制备风力涡轮机部件和/或叶片的预固化或部分固化的模塑材料。
背景技术
随着风力涡轮机叶片尺寸增加，其要求多层复合材料纤维和树脂增强材料的堆叠体。通常，铺叠树脂预浸渍的纤维增强材料(预浸件)来形成这些堆叠体。
本领域已知的是，纤维增强的复合材料中弯曲褶皱或纤维隆起极大地降低复合材料的机械性质，特别是强度和E-模量。因此，非常期望制备具有高度排列整齐的纤维的复合材料。
发明内容
本发明的目的是消除或者至少缓解上述问题和/或概要地提供益处。
根据本发明，提供如所附权利要求中所限定的材料、组合件和方法。
使用部分或完全固化的纤维增强的片状材料允许片材中非常高的纤维含量和高度排列整齐的纤维。此外，片材是固化的，这有助于片材的运输，因为不需要特殊条件如温度范围或湿度范围。此外，片材形状和固化状态的组合有助于调节片材适应模具的形状而无需牺牲在形成复合材料组件或部件的叠层(lay-up)中纤维的排列或者换言之平直度(straightness)。这对于复杂形状如风力涡轮机叶片的螺旋桨是特别重要的，其中期望的纤维分布是复杂的三维形状。
具有期望形状的组件可以从所述片状材料切割，以方便形成复合材料组件或部件的特定的铺叠。
在本发明非常优选的实施方式中，将固化的纤维增强的片状材料的至少一些元件设置为部分重叠的块材(tile)，从而提供许多基本上平行的元件边缘。这允许元件非常紧密地设置于模具的表面，通过调整元件间的重叠区域，可以实现基本上任何期望的增强纤维的整体分布。具体地，该元件可以这样设置在风力涡轮机叶片的横截面中，使得相应于从叶片的中心至横截面表面的距离，纤维基本上类似于具有深度剖面的湖中水的分布。在特别优选的实施方式中，基本上平行的元件边缘是这样的边缘，其基本上平行于固化的纤维增强的片状材料的元件的长度。这导致较短的树脂引导距离，因此更易于制造和较高的重复性。
固化的纤维增强的片状材料的元件可以沿复合材料结构体的长度的较短或较大部分提供。但是，通常优选的是，沿风力涡轮机叶片壳元件的长度的至少75％设置该元件，在许多情形，更优选的是沿复合材料结构体的长度的至少90％设置该固化的纤维增强的片状材料。
固化的纤维增强的片状材料包括可以用于增强目的的纤维如碳纤维、玻璃纤维、芳族聚酰胺纤维、天然纤维如基于纤维素的纤维如木纤维、有机纤维或其他纤维。在优选的实施方式中，纤维是平行于固化的纤维增强的片状材料的长度取向的单向纤维。这在固化的纤维增强的片状材料的长度提供非常高的强度和刚度。在某些应用中其他取向或取向的组合可能是合适的。其他适合取向的实例是相对于片状材料层的长度在+-45°,+-30°或0-90°取向的双轴纤维；在片状材料的长度且在+-45°取向的三轴纤维。这些取向提高复合材料的侧面强度(edgewise strength)和/或抗扭强度和刚度。
结构纤维可以包括断裂(即拉断)、选择性不连续或连续的纤维。结构可以由各种材料如碳、石墨、玻璃、金属化聚合物、芳族聚酰胺或其混合物制成。优选碳纤维和玻璃纤维，对于长度超过40米如50-60米的风力涡轮机壳优选碳纤维。结构纤维可以是由多种单独纤维制成的单独丝束，它们可以是织造织物或非织造织物。根据在最终层合体所需求的性质，纤维可以是单向的、双向的或多向的。通常，纤维具有圆形或者几乎圆形的横截面，直径为3至20μm，优选5至12μm。在用于制备固化层合体的预浸件中可以使用不同纤维。
示例性的单向结构纤维层由可得自Hexcel Corporation的碳纤维制成。用于制备单向纤维层的合适碳纤维包括:IM7碳纤维，其可以以含有6,000或12,000根单丝和重量分别为0.223g/m和0.446g/m的纤维商购；IM8-IM10碳纤维，其可以以含有12,000根单丝，重量为0.446g/m至0.324g/m的纤维商购；和AS7碳纤维，其可以以含有12,000根单丝和重量为0.800g/m的纤维商购。
此外，固化的纤维增强的片状材料包括树脂，所述树脂优选为热固性树脂如基于环氧的树脂，基于乙烯基酯的树脂，基于聚氨酯的树脂或另一合适热固性树脂。固化的纤维增强的片状材料可以包括超过一种类型的树脂，超过一种类型的纤维。在优选的实施方式中，固化的纤维增强的片状材料包括单向碳纤维和基于环氧的树脂或基于乙烯基酯的树脂，优选地，所述固化的纤维增强的片状材料基本上由单向碳纤维和基于环氧的树脂组成。
树脂材料可以包括环氧树脂和胺硬化剂，环氧树脂的环氧当量为50至250，优选为100至200，该树脂材料是在线可固化的。
我们已经发现，环氧当量为50至800或者50至600或者100至500或者100至350优选100至200的树脂材料在80至200℃,优选90至180℃，或者100至170℃,或者110至150℃,或者120至140℃,或者105至130℃的温度和/或前述数值和范围的组合能够快速固化或部分固化。固化过程中的停留时间为10s至600s,20至500s,优选25至400s,更优选30至300s,或者25至250s,或者15至200s,或者20至120s,或者40至150s,或者45至100s,或者40至80s和/或前述数值和范围的组合。这使得能够在线制造片状材料。
片状材料的厚度为0.1至20mm,优选0.5至15mm,更优选1至12mm,或者1.5至10mm,或者2至7mm或者2至5mm或者3至4mm和/或前述数值和/或范围的组合。
如所述的，在在线制造和/或固化或部分固化过程中，可以将表面纹理(surface texture)和/或表面构件(surface member)施加至片状材料。备选地，在固化或部分固化之后，可以施加表面纹理和/或表面构件。
所述片状材料可以固化或者部分固化。部分固化是指在部分固化之后，片状材料仍然可以固化或者在以后阶段通过在固化时释放另外的放热能是可固化的。部分固化可以表示为固化的百分数，例如75％固化是指在片状材料的制备过程中通过其部分固化，已经释放75％的放热能。最终固化时，随着片状材料中的增强树脂加工至完全固化，其放热能的25％将会被释放。
在优选的实施方式中，将片状材料固化为10至100％,或者20至98％,或者30至90％,或者40至80％,优选75至95％,更优选80至90％和/或前述百分数的组合。部分固化的片状材料具有在模具中适应模具的优点。同样，与包含完全固化的片状材料的组合件相比，该材料导致模塑的组合件具有改善的机械性质。
环氧树脂的反应性以其环氧当量(EEW)表示，EEW越低，反应性越高。可以如下计算环氧当量：(环氧树脂分子量)/(每分子的环氧基团的数量)。计算环氧值的方式如下：环氧值＝100/环氧当量。如下计算每分子的环氧基团:(环氧值x分子量)/100。如下计算分子量:(100x每分子的环氧基团)/环氧值。
如下计算分子量：环氧当量x每分子的环氧基团。本发明特别地关注提供基于反应性环氧树脂的预浸件，所述反应性环氧树脂可以在较低的温度以可接受的模塑循环时间固化。
环氧树脂具有高的反应性，如150至1500的EEW所示，优选地，高反应性如EEW为200至500，树脂组合物包含树脂和促进剂或固化剂。合适的环氧树脂可以包括两种或更多种环氧树脂(其选自单官能、双官能、三官能和/或四官能环氧树脂)的共混物。
合适的双官能环氧树脂包括基于以下物质的那些：双酚F的二缩水甘油基醚、(任选溴化的)双酚A的二缩水甘油基醚，苯酚-线形酚醛环氧和甲酚-线形酚醛环氧，酚-醛加合物的缩水甘油基醚，脂族二醇的缩水甘油基醚，二缩水甘油基醚，二甘醇二缩水甘油基醚，芳族环氧树脂，脂族多缩水甘油基醚，环氧化的烯烃，溴化树脂，芳族缩水甘油基胺，杂环的缩水甘油基酰亚胺(glycidyl imidine)和酰胺，缩水甘油基醚，氟化环氧树脂，缩水甘油基酯或者它们的任意组合。
该双官能环氧树脂可以选自双酚F的二缩水甘油基醚、双酚A的二缩水甘油基醚、二缩水甘油基二羟基萘，或它们的任何组合。
适宜的三官能的环氧树脂例如可以包括基于以下物质的那些：苯酚-线形酚醛环氧和甲酚-线形酚醛环氧，酚-醛加合物的缩水甘油基醚，芳族环氧树脂，脂族三缩水甘油基醚，二脂族三缩水甘油基醚，脂族多缩水甘油基醚，杂环的缩水甘油基酰亚胺(glycidyl imidine)和酰胺，缩水甘油基醚，氟化环氧树脂，或者它们的任意组合。合适的三官能环氧树脂从Huntsman AdvancedMaterials(Monthey，瑞士)以商品名MY0500和MY0510(三缩水甘油对氨基苯酚)和MY0600和MY0610(三缩水甘油间氨基苯酚)获得。三缩水甘油间氨基苯酚也可以从Sumitomo Chemical Co.(Osaka,Japan)以商品名ELM-120获得。
适宜的四官能的环氧树脂包括N,N,N',N'-四缩水甘油基-间-二甲苯二胺(以名称Tetrad-X商购自Mitsubishi Gas Chemical Company，和以名称ErisysGA-240购自CVC Chemicals)，和N,N,N',N'-四缩水甘油基亚甲基二苯胺(例如MY0720和MY721，得自Huntsman Advanced Materials)。其他合适的多官能环氧树脂包括DEN438(来自Dow Chemicals,Midland,MI)，DEN439(来自Dow Chemicals)，Araldite ECN 1273(来自Huntsman Advanced Materials)，MY722(来自Huntsman Advanced Materials)和Araldite ECN 1299(来自Huntsman Advanced Materials)。
用于环氧树脂的通常使用的固化剂或硬化剂包括活性氢化合物(特别是胺)和酐。对于环氧化合物-胺反应，胺上的各活性氢认为是潜在活性的，即伯胺(—NH2)基团上的两个氢。结果，对于环氧树脂的胺固化剂，4或更高的官能度并非不常见的。脂族多胺硬化剂的实例(其提供室温固化)包括：
H2NC2H4NHC2H4NH2二亚乙基三胺，官能度＝5
H2NC2H4NHC2H4NHC2H4NH2三亚乙基四胺，官能度＝6
使用脂族胺硬化剂可获得的高固化速率对于许多应用是有用的，包括粘合剂和表面涂料。但是，快速固化仅是一个考量，固化状态是另一考量。快速固化本身并不必然是高固化水平的保证，因为玻璃化的开始有效地封闭固化速率。对于高温固化，通过选择具有在延迟玻璃化的开始方面的优点，其中活性低的硬化剂可以证实易于处理。活性低的NH型的实例包括双氰胺(DICY)，氨基多酰胺或芳族胺，例如：
(H2N)2C＝NC≡N双氰胺，官能度＝4
因此，双氰胺是优选的固化剂或硬化剂。
固化的纤维增强的片状材料是相对平坦的构件，其长度为宽度的至少10倍，宽度为片状材料厚度的至少5倍。通常，长度为宽度的20–50倍，宽度为厚度的20-100倍或更高。在优选的实施方式中，片状材料的形状是带形(band-like)。
优选地，固化的纤维增强的片状材料按尺寸切割，使得其是可卷绕的。可卷绕的是指片状材料可以卷绕在卷上，所述卷的直径允许在标准尺寸容器中运输。这极大地降低了复合材料构件的制造成本，因为无限卷的固化的纤维增强的片状材料可以在集中化工厂制造，运送至叶片组装位置，在该位置可以分成合适尺寸的元件。为进一步提高运输，优选的是选择固化的纤维增强的片状材料的厚度，使得固化的纤维增强的片状材料可以卷绕成直径小于2m的卷，基于柔性、刚度、所用的纤维类型和纤维含量。但是，通常，对于高纤维含量和刚度，这对应于至多3.0mm的厚度，低于2.5mm的厚度通常更为合适。另一方面，厚的片状材料在外表面提供相当大的步骤，这有利于较薄的片状材料。但是，片状材料应该通常不会薄于0.5mm，因为这然后需要大量片材，导致制造时间延长。在优选的实施方式中，固化的纤维增强的片状材料的厚度为约15至2mm。
固化的纤维增强的片状材料的宽度可以是恒定的，或者其可以沿着片状材料的长度变化。通常，最大宽度应该超过100mm，以降低片材的数量，超过150mm的宽度是期望的。实验性工作已经显示，在许多情形中，宽度可以优选在最宽的地方超过200mm。另一方面，树脂必须在长度方向(相应于片材的宽度)在邻近片材之间移动，因而，片状材料的最大宽度优选低于500mm，以允许树脂引导的适当控制。在优选的实施方式中，最大宽度低于400mm，例如如果选择树脂使得其在完全灌注之前开始固化，优选的是最大片材宽度低于约300mm。
在本发明的方法的优选实施方式中，预处理固化的纤维增强的片状材料，然后将其设置于模具中。预处理的实例是例如喷砂，以提高与树脂的机械结合，或者改变表面纹理(见后文)，通过机械和/或化学方式冲洗表面或者调理例如干燥或加热。取决于使用条件，对固化的纤维增强的片状材料进行超过一种类型的预处理可能是合适的。
固化的纤维增强的片状材料包括高度排列整齐的纤维，因此所述固化的纤维增强的片状材料可以有利地是经模塑和拉挤(pultruded)的固化复合材料，或者带压制的(belt pressed)固化复合材料。这些技术提供期望的片材形状，具有高的纤维含量，高度排列整齐的纤维。此外，这些技术特别适合于制造无限长度的材料，将该材料切割为期望的长度。
片状材料可以具有以下性质(参见测量标准):
纤维体积分率是纤维所占据的片状材料的体积。片材的单位面积重量为600至4000g/m2,优选2200至2800g/m2,更优选1000至1500g/m2。树脂基体的Tg可以为100至150℃，优选110至140℃，更优选110至130℃。
如果片材设置非常紧密，这可能非常难于在片状材料之间引入树脂。如果片材之间的间隙经受真空，尤其是如此。在本发明的优选实施方式中，提供具有表面纹理的固化的纤维增强的片状材料，以促进在固化的纤维增强的片状材料的相邻元件之间引入树脂。表面纹理可以包括具有超出固化的纤维增强的片状材料的主表面的高度的树脂凸起，该高度优选为约0.1mm至0.5mm的量级,优选0.5至3mm，但是较大凸起可以在一些情形中例如当树脂引入距离较大时可以较大。
除此之外或者作为替换，该表面纹理可以包括凹处，例如进入固化的纤维增强的片状材料的主表面中的通道，优选地，凹处为该主表面之下约0.1mm至0.5mm，但是，在一些情形中，较大的凹处可能是合适的。通常，凸起和/或凹处间隔1cm至2cm和/或0.5至4cm，但是间距可以较宽或较小，取决于相应凸起和/或凹处的实际尺寸。
上述类型的表面纹理可以在制造固化的纤维增强的片状材料之后提供，例如通过喷砂、研磨或将半固态树脂滴至表面，但是，优选的是，在固化的纤维增强的片状材料的制造过程中，至少部分提供表面纹理以促进在固化的纤维增强的片状材料的相邻元件之间引入树脂。当固化的纤维增强的片状材料通过带压制时，这特别容易地制成，因为表面纹理可以经由在压带机的带的表面纹理或阴模板(negative template)产生。在另一实施方式中，在带和纤维增强的片状材料(其在带压机中形成)之间提供薄片。该薄片也可以作为衬垫，应该将其除去，然后在模具中引入固化的纤维增强的片状材料。
在优选的实施方式中，通过在固化的纤维增强的片状材料的邻近元件之间提供多个内部间隔元件，表面纹理在树脂引入过程中实现对于树脂分布的促进作用。内部间隔元件可以有利地选自下组的一个或多个元件：纤维的集合，如玻璃纤维和/或碳纤维，固体材料如砂粒，和高熔点聚合物，例如作为树脂的点或线。优选地，内部间隔元件在树脂引入过程中是惰性的，例如不改变形状或与所引入的树脂反应。在许多情形中使用内部间隔元件可能是有利的，因为不需要任何特别的固化的纤维增强的片状材料的制造方法或固化的纤维增强的片状材料的特殊预处理。内部间隔元件优选的尺寸为0.1mm至0.5mm，通常间隔1cm至2cm，但是在许多情形中尺寸和间隔可以是合适的。通常，内部间隔元件越大，允许的间隔可以越大。
表面纹理可以包括表面元件。表面元件可以包括树脂。表面元件可以是离散或连续的。表面元件可以在片状材料的纵向排列。表面元件可以在片状材料的横向排列。表面元件也可以以这样的方向排列，使得它们在横向和纵向两者延伸。可以排列表面元件，在一个或多个纵向和/或横向上形成通道。
所述表面元件促进灌注树脂的分配，它们间隔开所述片状材料。
为了促进树脂的引入，本方法可以有利地是真空辅助的。在这种情形中，该方法进一步包括在所述复合材料结构体的周围形成真空封闭空间。该真空封闭空间可以优选地通过提供与模具真空紧密联通的第二柔性模具来形成。此后，可以通过真空装置(例如与真空封闭空间相通的泵)在真空封闭空间中提供真空，使得可以通过真空辅助工艺如真空辅助树脂传递模塑VARTM引入树脂。对于大型结构体例如风力涡轮机叶片壳构件，真空辅助工艺是特别合适的，因为否则长的树脂运送距离会导致树脂的过早固化，这可能防止树脂的进一步灌注。此外，真空辅助工艺会降低风力涡轮机叶片壳构件中的空气量，因而降低灌注的复合材料中空气压力，这提高了强度和重复性。
灌注树脂可以是在60至100℃,优选60至90℃,更优选80至100℃的温度可固化的。在灌注阶段，树脂具有的粘度可以为50至200mPas,优选100至160mPas，更优选为120至150mPas。纯的灌注树脂的密度可以为1.1至1.20g/cm3；挠曲强度为60至150N/mm2,优选90至140N/mm2；弹性模量为2.5至3.3kN/mm2,优选2.8至3.2kN/mm2；拉伸强度为60至80N/mm2,优选70至80N/mm2；压缩强度为50至100N/mm2；断裂伸长率为4至20％,优选8至16％和/或前述性质的组合。
灌注树脂可以是乙烯基酯树脂，具有一种或多种以下性质：
-在25℃的液体性质:
Brookfield粘度(LVF,#2号锭子，12rpm):150–200cps
密度1.03–1.08g/cm3
-在25℃的机械性质(纯的固化树脂):
灌注树脂可以是聚酯树脂，具有一种或多种以下性质:
-在23℃的液体性质:
Brookfield粘度(LVF,#2号锭子，12rpm):150–180cps
-在25℃的机械性质(纯的固化树脂):
灌注树脂可以是环氧树脂，具有一种或多种以下性质：
-在25℃的液体性质:
Brookfield粘度(LVF,#2号锭子，12rpm):700–1100mPa.s
环氧当量160-190,环氧值(当量/100g)0.54–0.60
密度1.13–1.17g/cm3
-在25℃的机械性质(纯的固化树脂):
合适的灌注树脂可以是由Hexion提供的EpikoteTM MGS RIM 135。其它合适的树脂体系为Gurit提供的PRIMETM 20LV，由the Dow ChemicalCompany提供的具有AirstoneTM 762H或AirstoneTM 766H硬化剂的AirstoneTM 760树脂。
根据本发明的或者通过本发明方法制造的复合材料部件或构件可以或者单独地形成风力涡轮机叶片壳，或者当与一种或多种另外的这种复合材料构件例如通过机械加固装置连接和/或粘着时形成风力涡轮机叶片壳。由该风力涡轮机叶片壳，通过粘合剂和/或机械装置例如通过紧固件将两个这种风力涡轮机叶片壳连接，可以有利地制造风力涡轮机叶片。风力涡轮机叶片壳和组合的风力涡轮机叶片可以任选地包括另外元件如控制元件，雷电导体，结构探测器等。在特别优选的实施方式中，各叶片壳由可通过本发明方法制造的复合材料构件组成。在另一优选的实施方式中，通过本发明方法制造的风力涡轮机叶片壳构件基本上形成风力涡轮机叶片的整个外壳，即，在风力涡轮机叶片壳构件的制造过程中一体化形成的压力面和吸力面。
本发明的一个方面关注风力涡轮机叶片，其包含固化的纤维增强的片状材料。固化的纤维增强的片状材料作为部分重叠的块材靠近叶片的外表面设置。在优选的实施方式中，固化的纤维增强的片状材料是模塑和拉挤的或者带压制固化的纤维增强的片状材料，已经分成固化的纤维增强的片状材料的元件。在另一优选的实施方式中，本发明的风力涡轮机叶片的长度为至少40m。对于范围为75％<r/R<95％的螺旋桨部分，厚度t与弦C之比(t/C)基本上恒定，其中r为从叶片根部的距离，R为叶片的总长度。优选地，在70％<r/R<95％的范围，更优选66％<r/R<95％的范围，实现恒定的厚度/弦之比。对于根据本发明的风力涡轮机叶片，这可以实现，这是由于纤维在叶片的横截面区域非常致密的填充，该区域提供高惯性力矩。因此，根据本发明，使用较少的增强材料，可以实现相同的惯性力矩，和/或使用较细长的型材，可以实现相同的惯性力矩。这是期望的，以实现节省材料和根据空气动力学要求而不是根据结构要求来考虑螺旋桨设计。
所述片状材料可以与干的纤维增强材料和/或树脂浸渍的纤维增强材料(预浸件)和/或固体树脂组合使用。所述片状材料在最终固化之前适应或顺应模具。在本发明的该有利的方面，所述片状材料可以是部分固化的。
附图简述
下面参照示例性实施方式以及附图，更完全地解释本发明。
图1示出根据本发明的在模具中的风力涡轮机叶片壳构件的横截面，
图2示出根据本发明另一实施方式，在树脂的引入过程中优选的运输路径，
图3示出图2的树脂运输路径的细节，
图4示出根据本发明另一实施方式，固化的纤维增强的片状材料的元件的厚度的作用，以及
图5示出根据本发明另一实施方式的片状材料。
附图详述
在图1中，在模具4中示出根据本发明方法形成的风力涡轮机叶片壳构件或部件的实例。模具4通常是刚性构件，在树脂引入的过程中可以与第二模具部件(参见元件5,图2)组合。通常，该第二模具部件是柔性的，但是也可以是刚性的。任选地，将外表面层材料10设置在模具中。该外表面层10可以是预浸件或者热塑性涂布材料。然后，将固化的纤维增强的片状材料的多个元件8设置在模具中。也可以在该阶段，提供芯元件和另外的元件如雷电导体系统、控制系统和风力涡轮机叶片监测系统。
如果需要，可以在固化的纤维增强的片状材料的元件8之上提供任选的内表面层状材料12。也可以在各元件之间引入树脂之后提供该任选的内表面层状材料，但是对于风力涡轮机叶片壳构件，不必须存在内表面层状材料。内表面层状材料以及外表面层状材料可以包括纤维，该纤维的取向不同于固化的纤维增强的片状材料的元件的纤维，因此例如提高风力涡轮机叶片壳构件的横向强度。
最后，在各元件之间引入树脂。优选的是，相邻元件之间的间隙填充有树脂，但是在一些情形部分填充可能是足够的。为了促进树脂的引入，在引入树脂之前，可以除去相邻元件之间的空气，例如通过其他地方讨论的真空除去相邻元件之间的空气。
使用固化的纤维增强的片状材料的元件的一个主要优点是，增强材料可以以非常高的设计自由度设置。一般而言，优选的是，尽可能远离结构体的中心线设置增强材料，以实现增强材料的高动量(momentum)。通过使用重叠元件，通过多个具有相同形状的元件，或者-在期望复杂几何整体增强结构体的情形中-通过多个仅具有一些不同形状的元件，可以基本上实现这一点。通过改变重叠的程度以及复合材料的外表面和固化的纤维增强的片状材料的元件之间的角度，这是可能的。
增强片状材料的元件是用于制造根据本发明的风力涡轮机叶片壳构件的子组合件(sub-assembly)，可以在与完整风力涡轮机叶片壳构件的紧密相关的铺叠和制造中现场制造。备选地，该子组合件可以与复合材料结构体的制造位置分开地制造。该子组合件可以包括对于元件或对于固化的纤维增强的片状材料已经描述的一个或多个特征，例如材料含量、修饰表面纹理、固定至其间的内表面间隔元件，制造方法，在相同考量下的形状、尺寸和厚度。该子组合件可以以平元件的堆叠体运输或者卷成或弯成合适形状。该元件子组合件可以集成为包含子组合件和任选另外元件(例如粘合剂或机械紧固件)的堆叠体的另一子组合件，以至少临时将该元件保持在一起。两种类型的子组合件可以有利地用于制造风力涡轮机叶片壳构件，因为子组合件的柔性适合形成叶片螺旋桨的三维形状。
可以排列固化的纤维增强的片状材料的元件来形成处于各种整体形状的增强材料结构体。通常，排列该元件，以形成这样的增强材料结构体，其一条腿朝向待制造的风力涡轮机叶片壳构件的第一端，一条腿朝向复合材料结构体的第二端。
可以通过使用显示期望位置的模板装置(template means)，来促进固化的纤维增强的片状材料的元件在模具中的精确设置。当期望较为复杂的元件体系时或者如果利用手动铺叠，尤其如此。模板装置可以指示固化的纤维增强的片状材料的元件朝向对应于风力涡轮机叶片壳构件的端部的端部相对位置，和/或指示至少一个元件相对于模具的相对位置，例如模具的模具边缘或特征，例如孔或塞子(tap)。正确位置的指示可以包括相对于模具和/或相对于固化的纤维增强的片状材料的另一元件或在复合材料结构体中待容纳的其他元件的纵向位置，宽度方向位置(width-wise position)和/或高度方向位置(heigth-wise position)。
模板装置可以集成在风力涡轮机叶片壳构件中，使得其为单一用途的模板。在优选的实施方式中，模板装置与复合材料结构体的芯元件集成。
对于大型元件，例如对于风力涡轮机叶片，其中固化的纤维增强的片状材料的元件的长度通常大约为风力涡轮机叶片的总长度，其可以有利地应用几个模板装置，例如在每一端一个，以及沿着叶片的长度在选定位置1、2、3或更多个。
固化的纤维增强的片状材料的元件通过如上所述的树脂粘合在一起，但是在铺叠过程中，非常有利的是将固化的纤维增强的片状材料的元件至少临时固定至模具和/或模具中的另一元件上，例如一个或多个固化的纤维增强的片状材料元件或另一类型的元件。应该形成临时固定，使得在后继引入树脂的过程中或者在最终产品的施用过程中，该固定不会导致不可接受的缺陷。固定可以例如包括一种或多种粘合剂，例如可固化或者不可固化的热熔树脂或者双面涂布带；或者机械紧固装置例如夹钳、线、线环(wires with loops)或弹性构件。在特别优选的实施方式中，在引入树脂之前并不移除用于临时固定的装置，因此包含在完成的复合材料结构体中。在这种情形中，特别重要的是，用于临时固定的装置与最终结构体的各元件在化学方面(例如与树脂相关)和机械方面(例如不形成力学弱化点)相容。
在优选的实施方式中，根据2至4个(优选3个)设置在端部附近并远离端部的模板来设置固化的纤维增强的片状材料的元件。所述元件通过热熔体临时固定在期望位置，该热熔体与待引入来粘合元件的树脂类型相同，在树脂引入之前移除模板。
对于弯曲模具，例如用于如图2和图3所示的风力涡轮机叶片壳构件的模具横截面，树脂可以有利地在元件之间从凸面引入。由于刚性模具4通常是凸的，这通常导致树脂被引导通过刚性模具4或通过第二柔性模具5以及通过风力涡轮机叶片壳构件至接近外表面。这主要是由于元件之间的间距在凸面处大于在凹面处的元件之间的间距，如图3中箭头50和52分别所示。图2示出引入树脂的优选路径。这里，树脂引入通过第二模具5，经由芯元件36中的树脂通路43，至接近外模具，但是其他树脂运输路径也是可行的。由接近模具表面，树脂在元件8之间引导。除了大量进入元件8之间的空间，从接近模具表面至第二模具引导树脂也允许观察在加工过程中完整的树脂引导，因为树脂必须渗透至接近第二模具的风力涡轮机叶片壳构件的表面。这里，可以视觉观察树脂，特别是如果第二模具部件是透明的或者在第二模具部件上提供有透明视窗。
在模具的结构元件以及待制造复合材料的特别有利的排列中，如图2所示，固化的纤维增强的片状材料的元件8从模具的第一侧开始部分重叠排列，例如，对应于风力涡轮机叶片壳构件的先导边缘(leading edge)或牵引边缘(trailing edge)。接近固化的纤维增强的片状材料的元件8排列树脂引导通路，远离模具的第一侧，例如，分别对应于先导边缘或牵引边缘。接近模具的第一侧(接近第二模具的表面，分别对应于先导边缘或牵引边缘)，可以有利地引出过量树脂。这种布置允许相对直的树脂运输，这降低堵塞树脂分配路径的可能性，因此提供更为有利的设计。
元件8在垂直于元件8的平面的方向是柔性的，因此通过弯曲顺应模具4的内表面。但是，元件8在元件8的平面的方向上也是相对刚性的，因此倾向于形成对模具的尖锐连接线(sharp lines of connection)。该连接急剧地截留垂直于该连接方向的树脂运输。
已知接近复合材料结构体的表面，提供柔性开孔平幅，来促进树脂注入。但是，当元件是相对刚性时，这种柔性平幅净基本上没有效果，因为柔性平幅将简单地通过元件8的边缘施加的高局部压力而变形。表面间隔元件34应该也是刚性的。实验工作已经显示，具有开放性结构例如栅格或格子以及包含纤维和完全固化的树脂的复合材料将能够在垂直于元件8的边缘和模具4之间的连接的方向保持树脂运输。已经发现，包含固化的玻璃纤维增强的栅格或其他开放性结构的复合材料为表面间隔元件提供特别有利的结构，因为玻璃纤维是非常经济和较厚的。在特别优选的实施方式中，固化的栅格是开放性双轴结构。该栅格可以有利地相对于固化的纤维增强的片状材料的边缘取向，使得该边缘不平行于任一双轴方向，因为这将降低经由表面间隔元件在该边缘下偶然性堵塞树脂运输的可能性。合适的栅格是PolyspeedG-EV 750GI，由Hexcel Corporation提供。
除了促进树脂运输，表面间隔材料也可以有助于复合材料结构体的机械强度，特别是对于垂直于固化的纤维增强的片状材料的增强纤维的主方向的强度。这主要是由于，表面间隔材料的纤维通常以非平行排列(相对于固化的纤维增强的片状材料的纤维的主方向)设置。双轴表面间隔材料的通常和优选取向为+-45°，相对于固化的纤维增强的片状材料的增强纤维的主方向。
元件8的挠曲性随着元件的厚度提高而降低。此外，随着元件的厚度增强，单个元件的边缘之间的台阶(steps)增多。这一点在图4中说明，其中示例性示出固化的纤维增强的片状材料的多个重叠元件8的堆叠体。在图4A中，示出两个堆叠体，左边的堆叠体具有厚的元件8，右边的堆叠体具有薄的元件8。观察到，元件和外模具之间的三角形空间38对于厚元件8要大于薄的元件8。这会导致完成的风力涡轮机叶片壳构件的波浪形外表面纹理，例如如图4B所示，这是由于树脂的固化收缩或者基于热膨胀差异的热收缩和/或填充该三角形空间38和完成的复合材料结构体中其他元件的树脂的挠曲性。
在图4C中，说明了通过降低表面特征对于树脂性质和元件的厚度的依赖性，固化材料例如如上所述的表面间隔元件如何可以减小或去除形成波浪形外表面纹理的倾向。
图5示出片状材料100，其包括增强纤维(为Panex 35碳纤维(25K)的形式)和环氧增强树脂材料(环氧当量为100至200，由Hexcel提供)，以及双氰胺(dicyandiamine)硬化剂。所述片状材料包括用于将所述片状材料与邻近模塑材料间隔开的表面结构体102。该结构体102由固化树脂形式的不连续表面元件组成，该表面元件提供树脂分配通道，以促进灌注树脂在纵向方向104和在横向方向两者流动至片状材料100的侧面。该片材也具有如箭头104所示的中心管路(vein)，其允许树脂在纵向流动。
在使用中，材料100可以在模具中与另外的层100或者与干的增强材料或甚至预浸件材料层组合地提供，以形成模塑组合件。
该材料100可以是固化的或者部分固化的，其可以是柔软的以顺应模具表面。
在优选的实施方式中，固化的纤维增强的片状材料的多个元件包括至少两种类型的纤维。纤维优选选自碳纤维、玻璃纤维、芳族聚酰胺纤维和天然纤维，例如基于纤维素的纤维，优选木纤维。
可以排列纤维，使得一个或多个元件包括两种或更多种类型的纤维，例如碳纤维与木纤维的组合或者碳纤维与玻璃纤维的组合。在特别优选的实施方式中，多个元件包括具有第一纤维组合物的第一组元件，以及具有第二纤维组合物的第二组元件。优选地，第一纤维组合物基本上由碳纤维组成，使得第一组元件相对于固化的纤维增强的片状材料的重量和体积是特别硬的。第二纤维组合物可以例如包含木纤维和/或玻璃纤维。可以存在超过两组的元件，例如三组、四组、五组、六组或者甚至更多组。
在本发明的一种实施方式中，对于所有的元件，不管其属于哪一组，元件的形状均相似。在另一实施方式中，属于不同组的元件的形状可以相异。在第三实施方式中，在各组元件中的元件的形状变化。
元件的优选组合是a)碳纤维增强的一组元件与玻璃纤维增强的一组元件组合；b)碳纤维增强的一组元件与木纤维增强的一组元件组合；c)碳纤维增强的一组元件与玻璃纤维增强的一组元件和木纤维增强的一组元件组合。
对于制造用于风力涡轮机叶片壳的元件，这些组是特别有用的，因为增强材料要求(包括刚度和强度要求)随着离叶片根部的距离而变化。因此，根据本发明利用固化的纤维增强的片状材料技术的这种类型的组合将有提供结构上优越和负担得起的叶片。
因而提供本申请前述的材料、组合件和方法。

Claims (15)

1.固化或部分固化的纤维增强片状材料，其包含增强纤维和增强树脂材料，其中所述增强树脂材料包括环氧树脂和胺硬化剂，所述环氧树脂的环氧当量为200至500或者为50至250，优选为100至200和/或前述值的组合，所述片状材料包括用于将所述片状材料与邻近模塑材料间隔开的表面结构体。
2.权利要求1的材料，其中所述邻近模塑材料包括另外的片状材料，所述表面结构体提供用于在所述片状材料之间引导灌注树脂的树脂灌注路径。
3.权利要求1或2的材料，其中所述增强树脂在60或70或80或90或100或120℃的固化温度在小于5或10或15或20或30或40或60秒的固化时间和/或前述温度和时间的组合可固化。
4.权利要求1、2或3的材料，其中所述增强树脂包括颜料或染料。
5.前述权利要求中任一项的材料，其中所述材料在卷轴或辊上提供。
6.前述权利要求中任一项的材料，其中所述增强纤维以单向丝束的形式布置。
7.前述权利要求中任一项的材料，其中所述材料包括辅助树脂灌注的固体表面结构体。
8.前述权利要求中任一项的材料，其中所述固体表面结构体由增强树脂形成。
9.前述权利要求中任一项的材料，其中所述片状材料是灌注树脂可透过的。
10.前述权利要求中任一项的材料，其中所述片状材料包括用于引导灌注树脂的流动的结构元件。
11.根据权利要求10的材料，其中所述结构元件以相对于中心树脂流通道或管路横向和/或纵向的方向引导流动。
12.制备纤维增强片状材料的方法，所述纤维增强片状材料包括增强纤维和增强树脂材料，所述方法包括
a.以所述增强树脂材料浸渍所述增强纤维，所述增强树脂材料包括环氧树脂和胺硬化剂，所述环氧树脂的环氧当量为50至250，优选为100至200；
b.提供片状材料，所述片状材料包括用于将所述片状材料与邻近模塑材料间隔开的表面结构体，和
c.在线固化所述片状材料，以提供固化或部分固化的片状材料。
13.根据权利要求12的方法，其中所述材料在60或70或80或90或100或120℃的固化温度在小于5或10或15或20或30或40或60秒的固化时间和/或前述温度和时间的组合固化。
14.一层或多层权利要求1-11中任一项定义的片材材料的组合件，其另外包括一层或多层纤维增强材料和/或一层或多层树脂浸渍的纤维增强材料。
15.根据权利要求14的组合件，其形成风力涡轮机部件或叶片。
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