CN111566064A - 具有改进的疲劳性能的纤维增强的材料 - Google Patents

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Abstract

提供纤维增强的织物，由这种织物形成的复合材料，和制造纤维增强的织物或复合材料的方法。相对于常规的纤维增强的织物，该织物和复合材料证明具有改进的疲劳性能。

Description

具有改进的疲劳性能的纤维增强的材料
相关申请的交叉参考
本申请要求2018年1月9日提交的欧洲专利申请No.18305013.7的优先权和所有权益，其全部公开内容在本文中通过参考完全引入。
技术领域
本文描述的本发明的一般概念涉及纤维增强的复合材料，和更特别地，含具有改进的疲劳性能的增强纤维的织物。
背景技术
已知使用纤维增强的材料，例如织物，垫子，面纱和类似物形成结构组件。许多增强织物包括并列排列且基本上平行于彼此的纵向纤维(经纱纤维)以及横向纤维(纬纱纤维)。纬纱纤维提供强度，织物处理优势，和任选地液体组分的渗透性的有益效益。当相对于纬纱纤维的数量，织物包括显著大量经纱纤维(例如，大于或等于90％)时，织物常常被称为单向织物。
如上所述，织物可用于形成纤维增强的结构组件。例如，织物可以堆叠或者在其他情况下层铺，形成风力涡轮机叶片的桅杆帽(spar cap)。特别地，在彼此之上排列若干层织物，形成层压体结构组件。在模具的特定面积和区域内排列织物层。浸灌工艺引入可固化基质材料(树脂)到模具内，为的是渗透织物层。在浸灌工艺期间，可施加真空到模具上，将各层压制在一起，并辅助树脂渗透各层。一旦充分地浸灌织物，则允许树脂硬化，形成结构组件。
使用这种纤维增强体的组件通常要求高的强度与重量比。例如，风能涡轮机叶片的桅杆帽必须耐受在可用的寿命期间来自显著大作用力(例如，风，离心力)下的几乎恒定的应力。尽管具有高的强度与重量比，但纤维增强的组件最终显示出劣化(疲劳)迹象。因此，需要具有改进的疲劳性能的纤维增强的组件。
发明内容
本文讨论的本发明的一般概念至少部分基于用于制造纤维增强的复合材料的织物，其证明相对于常规的纤维增强的组件，具有改进的疲劳性能。一般地，本文讨论的本发明的概念基于下述认识：在纤维增强的复合材料内部的非平行纤维(例如经纱和纬纱纤维)的连接点处发生最初的疲劳迹象(和相应的增强纤维断裂)。
在例举的实施方案中，提供用于增强与树脂结合形成的复合材料的织物。织物包括第一纤维和第二纤维，其中第一纤维平行于彼此取向，其中第二纤维平行于彼此取向，其中第二纤维垂直于第一纤维取向，和其中第一纤维对第二纤维之比为15:1至25:1。该织物的特征在于第一纤维包括第一施胶料和第二纤维包括第二施胶料，第一施胶料与该树脂相容，和第二施胶料与该树脂不相容。
在例举的实施方案中，提供含织物与树脂的复合材料。织物由第一纤维和第二纤维组成，第一纤维在基本上平行的取向方向上取向，和第二纤维在基本上垂直于第一纤维的取向方向上取向，和第一纤维对第二纤维之比为15:1至25:1。在某些实施方案中，第一纤维包括第一施胶料和第二纤维包括第二施胶料。
在例举的实施方案中，提供制造复合材料的方法。该复合材料由织物和树脂形成，其中织物包括第一纤维和第二纤维。该方法包括施加第一施胶料到第一纤维上，施加第二施胶料到第二纤维上，在平行的第一布局中定位第一纤维，在平行的第二布局中定位第二纤维，其中第一布局垂直于第二布局，和其中第一纤维对第二纤维之比为15:1至25:1，用树脂浸灌织物，固化树脂，形成复合材料，其中第一施胶料与该树脂相容，和第二施胶料与该树脂不相容。
根据例举实施方案的下述详细说明和根据附图，本发明的一般概念的许多其他方面，优点和/或特征将变得更加明显地显而易见。
附图说明
以下作为实例，参考附图，更加详细地描述本发明的一般概念，及其实施方案和优点，其中：
图1示出了形成纤维增强织物的体系。
图2阐述了用于复合材料的纤维增强的织物的生产方法。
图3示出了在例举织物中的纤维布局。
具体实施方式
详细地描述了若干示意性实施方案，以提供对本发明的更好理解。
当探索替代能源的需求继续时，风力和风力涡轮机的使用获得了巨大的关注。风力被许多人视为清洁和环境友好的能源。随着对由风力产生更多能量的关注度增加，该领域的技术进展允许增加尺寸的风力涡轮机和风力涡轮机组件的新设计。然而，随着风力涡轮机的物理尺寸和可获得性增加，需要设计平衡高强度与重量比以及长的组件寿命的组件，以进一步允许风电相对于其他能源具有成本竞争性。
涡轮机叶片的尺寸、形状和重量显著地导致风力涡轮机的成本和能量效率。叶片尺寸增加和叶片重量下降通常会增加风力涡轮机的能量效率。然而，增加叶片尺寸还导致与操作涡轮机有关的额外受力。这种增加的受力在叶片组件上导致应变和疲劳增加，这反过来又减少叶片寿命。
风力涡轮机叶片的结构构件由基体，通常固化树脂和增强材料组成。增强材料由纤维织物组成。在制造风力涡轮机叶片的材料中所使用的增强纤维包括玻璃纤维和碳纤维。本领域中已知裸玻璃纤维与许多常见树脂不相容。也就是说，树脂不会固化，与玻璃纤维形成粘结。所得复合材料包括这两种材料，但在这两种材料之间不具有结实的粘结，复合材料通常不会发挥作用。通过在玻璃纤维暴露于树脂下之前，施加“施胶料”到玻璃纤维上来克服这一问题。
施胶料是在生产玻璃纤维过程中施加到玻璃纤维表面上的化学组合物(通常为液体)。施胶料可起到许多目的的作用，其中之一是在树脂和玻璃纤维表面之间形成化学“桥”，从而使得二者彼此化学相容并促进树脂和玻璃纤维之间的粘结，这反过来将形成比较结实的复合材料。因此，施胶料包括化学官能团，所述化学官能团之一与玻璃纤维相互作用，和另一化学官能团与树脂相互作用。然而，由于单独的树脂可包括不同的化学官能团，因此施胶料必须与特定的树脂官能团相容，形成对其的有效的粘结。
本文中所使用的术语“相容”是指两种单独组分，亦即施胶料组合物和树脂之间的化学相互作用。特别地，术语相容是指其中施加到玻璃纤维上的化学施胶料能在固化过程中与树脂粘结(例如交联)，形成复合材料或结构组件的场景。相反，与特定树脂不相容的施胶料是在树脂固化过程中不与树脂粘结或者要么不与树脂交联的场景。不相容的施胶料的一个实例是使用具有聚酯树脂的热塑性施胶料，或者相反。
本发明至少部分基于下述双重发现：1)在增强风力涡轮机叶片的纤维内的疲劳和断裂首次出现在织物内的经纱纤维和纬纱纤维之间的界面处，和2)若纤维取向之一(典型地，纬纱纤维)不包括与形成风力涡轮机叶片的基体所使用的特定类型树脂相容的施胶料，则这一断裂显著下降。
参考图1-3，描述形成由复合材料制造的结构组件的常规体系100，在这一情况下为风力涡轮机叶片的桅杆帽。在该体系100中，机器102连续生产为难熔织物104形式的纤维增强的材料。优选地，织物是非织造(无卷曲)织物。该织物包括1)占织物内全部纤维的大于或等于约95％且在纵向上取向的经纱纤维，和2)占织物内其余部分增强纤维且在相对于经纱纤维，在基本上垂直方向上(即，相对于经纱纤维，80°至90°)取向的纬纱纤维。在某些实施方案中，经纱纤维具有较高的特克斯(例如，>1200特克斯)，和交叉的纤维(纬纱纤维)是较低特克斯的纤维(例如，<600特克斯)。纬纱纤维织造经过经纱纤维或者要么跨越经纱纤维层铺，以便在制造复合材料(例如，桅杆帽)过程中提供处理和树脂渗透优势。在许多应用中，机器102将使用缝编纱线，将增强纤维保持在一起，且相对于彼此基本上固定它们的位置。缝编纱线以预定图案和在预定的缝编长度处施加。在一些情况下，也可或者在机器102内部或者在其下游，通过一起缝编多层织物104与任何其他有关结构(例如，载体层)，形成织物复合物。
如上所述，织物104包括基本上沿着织物104的长度延伸(即平行于箭头106)的经纱纤维(例如，玻璃和/或碳纤维)或者要么用它增强。当织物104离开机器102并在箭头106所指的方向上行进时，织物104在卷材区108处缠绕。卷线机或其他传输设备将织物104从机器102牵拉到卷材区108。刀片或其他切割设备在织物104内形成狭缝110，之后到达卷材区108。按照这一方式，形成织物104的离散卷112。
一旦预定量的织物104缠绕到卷材区108上，则跨越织物104的宽度，进行手工切割114，于是从离开机器102的织物104中分离卷112。当形成桅杆帽的时刻，一个或多个卷112移动到形成桅杆帽所使用的模具128附近。如上所述，通过层铺，例如用手层铺来自卷112的许多切割的织物片104，形成桅杆帽。在模具128内的切片的数量和位置确定了桅杆帽的性能(例如，形状，厚度)。
如图2所示，从运纱箱120中取出织物104的第一卷130a，并将其切割成置于模具128内的所需长度的小片。特别地，在箭头132的方向上解卷第一用量的织物104，然后切割，形成用虚线1-1表示的长度L1的第一片134。接下来，在箭头132的方向上解卷第二用量的织物104，然后切割，形成用虚线2-2表示的长度L2的第二片136。正如线1-1和2-2所示的，第一片134的长度L1大于第二片136的长度L2。尽管一些切片可能具有相同的长度，但许多切片具有不同的长度。每一接续的切片位于前一切片上，或者要么与之一起叠置。典型地，要求许多切片(例如，多于或等于50)。重复这一方法，直到在模具128内获得所需的厚度与形状。最后，例如通过浸灌工艺，将树脂引入到模具内，并固化，形成桅杆帽。
在牢记这一背景技术情况下，本发明涉及织物的用途，所述织物牵涉施胶料施加到其上的第一纤维(即，经向上的纤维)，它与施加到第二纤维(即，纬向上的纤维)上的施胶料的化学相容性不同。这是与常规技术的区别，因为纤维增强的复合材料的通用目的是最大化强度与重量比，和由此断定，预期树脂和所有纤维之间的粘结量增加会增加纤维增强的复合材料的强度。
因此，在某些实施方案中，本发明的一般概念涉及含第一纤维和第二纤维的织物，第一纤维包括与树脂相容的第一施胶料，而第二纤维包括与树脂不相容的第二施胶料。在某些例举的实施方案中，本发明的一般概念涉及由树脂和织物组成的复合材料，其中织物包括第一纤维和第二纤维，第一纤维包括与树脂相容的第一施胶料，而第二纤维包括与树脂不相容的第二施胶料。
在某些实施方案中，基体树脂由选自环氧树脂，聚酯树脂，乙烯基酯树脂，聚氨酯树脂，生物基树脂，液体热塑性树脂，和不含苯乙烯的树脂中的树脂组成。
因此，在某些例举的实施方案中，将与基体树脂相容的第一施胶料施加到第一纤维上，而将与基体树脂不相容的第二施胶料施加到第二纤维上。典型地，第一纤维是经纱纤维和第二纤维是纬纱纤维。在某些例举的实施方案中，基体树脂是聚酯树脂，第一施胶料是与聚酯相容的施胶料，和选择第二施胶料，以便与基体树脂不相容。例如，若树脂是聚酯树脂，和第一施胶料与该树脂相容(即，聚酯相容的施胶剂)，则第二施胶料可以是与至少一种下述树脂相容的施胶料：环氧树脂，乙烯基酯树脂，聚氨酯树脂，生物-基树脂，和不含苯乙烯的树脂，只要第二施胶剂不与聚酯树脂相容即可。在某些例举的实施方案中，树脂是聚酯树脂，第一施胶料与聚酯树脂相容，和第二施胶料与热塑性树脂相容。
在某些例举的实施方案中，本发明涉及制造复合材料的方法。该复合材料由织物和树脂形成，其中织物包括第一纤维和第二纤维。该方法包括施加第一施胶料到第一纤维上；施加第二施胶料到第二纤维上；将第一纤维在第一布局中平行于彼此放置，将第二纤维在第二布局中平行于彼此放置；其中第一布局垂直于第二布局，形成织物；用树脂浸灌织物；和固化该树脂，形成复合材料。在某些例举的实施方案中，第一施胶料与该树脂相容，和第二施胶料与该树脂不相容。
预期使用不相容的施胶料将防止或最小化树脂和具有不相容施胶料的纤维(即，纬纱纤维)之间的相互作用。尽管不希望束缚于理论，但申请人认为，在树脂和纬纱纤维之间缺少这种相互作用或粘结本身会导致经纱和纬纱纤维之间更加挠曲的界面，这将延迟纤维界面处起始龟裂的出现。这反过来将延长风力涡轮机叶片的使用寿命。
本发明涵盖单向织物。该织物包括第一纤维和第二纤维。第一纤维包括施加到其上的第一施胶料料，且其存在量为织物内全部纤维的至少95％。第二纤维包括第二施胶料，在相对于第一纤维基本上垂直的布局上取向，且存在量为织物内全部纤维的小于或等于5％。第一施胶料与树脂(即，聚酯树脂)相容，和第二施胶料与该树脂不相容。
在某些例举的实施方案中，除了第一和第二纤维以外，织物还包括缝编纱线。更具体地，缝编纱线用于将第一和第二纤维保持在一起，同时还在织物内基本上固定其相对位置。在一些例举的实施方案中，缝编纱线也可用于将织物的多层连接在一起，形成(单向)织物复合物。
图3中示出了例举的织物200。织物200是含与彼此基本上一起对准(align)的许多(例如，数百，数千)增强纤维202的单向织物。一般地，在平行于x-轴(即，经纱纤维)的纵向(0°)上取向大于或等于约95％的纤维202，同时在45°至90°(即，纬纱纤维)之间的另一方向上取向小于或等于约5％的纤维202,。在某些例举的实施方案中，在与经纱纤维呈约90°的方向上，即平行于y-轴上取向纬纱纤维。
使用缝编纱线，将增强纤维缝编在一起，其中缝编纱线穿过织物延伸，与来自上部和下部二者的增强纤维接合。
实施例
下述段落描述并证明了纤维增强的织物和由其制造的复合材料的例举实施方案。提供例举的实施方案，仅仅为的是阐述而不是解释为对本发明公开内容的限制，因为在没有脱离本发明公开内容的精神和范围的情况下，本发明的许多变化是可能的。根据本文描述的方法，可制备纤维增强的织物和复合材料。
组装两种单向织物。二者均包括相对于经纱纤维，以约90°排列的纬纱纤维。使用具有施加到经纱纤维和纬纱纤维二者上的聚酯相容施胶料的经纱纤维，制造第一织物。使用施加到经纱纤维上的聚酯相容的施胶料和施加到纬纱纤维上的热塑性相容施胶料(即，与聚酯树脂不相容的施胶料)，制造第二织物。使用聚酯树脂(即，在第一织物内的两种纤维与树脂相容，而第二织物中仅仅经纱纤维与树脂相容)和相同的缝编纱线(此处，缝编纱线具有复丝和70dtex至150dtex的特克斯数)，用每一种织物制造复合材料。测试两种复合材料在1MM次循环下的应变。在表1中示出了结果。
表1
Figure BDA0002577160290000081
根据表1可看出，相对于使用其中经纱和纬纱纤维二者均与树脂相容的织物制造的复合材料，由具有与树脂不相容的施胶料的纬纱纤维的织物制造的复合材料证明具有改进的疲劳性能。
所有提到本发明公开内容的单数特征或限制应当包括相应特征或限制的复数形式，和相反，除非在其内提到的上下文另外具体指出或清楚地相反暗指。
可按照任何顺序进行本文中所使用的方法或工艺步骤的所有组合，除非在其内提到的组合的上下文另外具体指出或清楚地相反暗指。
本发明公开内容的复合材料，结构组件，和相应的制造方法可包括本文描述的公开内容中的基本要素和限制，以及本文描述或者要么在纤维增强的复合材料中有用的任何额外或任选的组分或限制，由其组成，或基本上由其组成。
在说明书或权利要求中使用术语“包括”，“包含”或“含有”的情况下，它们拟为开放式的，其方式类似于术语“包括”，如同该术语在权利要求中用作常规措辞时解释一样。此外，在使用术语“或”(例如A或B)的情况下，它拟指“A或B，或者A和B”。当申请人拟表示“仅仅A或B，而不是二者”时，则使用术语“仅仅A或B，而不是二者”。因此，本文中使用的术语“或”是开放式的，而不是排除式使用。在本发明的公开内容中，措辞“一个”或“一种”被视为包括单数和复数形式二者。相反，在适当的情况下，任何提到复数个项目应当包括单数形式。
在一些实施方案中，可彼此结合使用本发明的各种概念(例如，可彼此结合使用一个或多个例举的实施方案)。另外，涉及特别公开的实施方案引述的任何特定要素应当解释为可获得与所有公开的实施方案一起使用，除非引入特定的要素将与该实施方案的表达术语冲突。额外的优点和改性对本领域技术人员来说明显是显而易见的。因此，在其较宽的方面中，本发明的公开内容并不限制到本文列出的具体细节、代表性装置或所示和描述的阐述性实施例上。

Claims (12)

1.一种用于增强与树脂结合形成的复合材料的织物，该织物包括第一纤维和第二纤维；
其中第一纤维平行于彼此取向；其中第二纤维平行于彼此取向；其中第二纤维垂直于第一纤维取向；和
其中第一纤维对第二纤维之比为15:1至25:1；
其中该织物的特征在于第一纤维包括第一施胶料，和第二纤维包括第二施胶料，第一施胶料与所述树脂相容，而第二施胶料与该树脂不相容。
2.权利要求1的织物，其中第一纤维和第二纤维是玻璃纤维。
3.权利要求1的织物，其中复合材料由多层织物组成。
4.权利要求1的织物，其中树脂选自环氧树脂，聚酯树脂，乙烯基酯树脂，聚氨酯树脂，生物基树脂，和不含苯乙烯的树脂。
5.权利要求1的织物，其中所述树脂是聚酯树脂。
6.权利要求5的织物，其中第一施胶料与聚酯树脂相容，和第二施胶料与热塑性树脂相容。
7.制造复合材料的方法，该复合材料由织物和树脂形成，其中织物包括第一纤维和第二纤维；该方法包括：
施加第一施胶料到第一纤维上；
施加第二施胶料到第二纤维上；
以平行的第一布局定位第一纤维，以平行的第二布局定位第二纤维，其中第一布局垂直于第二布局，和其中第一纤维对第二纤维之比为15:1至25:1；
用树脂浸灌该织物；
固化树脂，形成复合材料；
其中第一施胶料与树脂相容，和第二施胶料与该树脂不相容。
8.权利要求7的方法，其中第一纤维和第二纤维是玻璃纤维。
9.权利要求7的方法，进一步包括定位至少两层织物，形成层压体，之后用树脂浸灌该织物。
10.权利要求7的方法，其中所述树脂选自环氧树脂，聚酯树脂，乙烯基酯树脂，聚氨酯树脂，生物基树脂，和不含苯乙烯的树脂。
11.权利要求7的方法，其中树脂是聚酯树脂。
12.权利要求11的方法，其中第一施胶料与聚酯树脂相容，和第二施胶料与热塑性树脂相容。
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