CN113573875B - 缝合的多轴增强件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及缝合的多轴增强件和生产缝合的多轴增强件的方法。本发明的缝合的多轴增强件可以用于通常需要增强件的所有这样的应用中，并且尤其是在使用真空灌注技术或树脂传递模塑(RTM)技术中的任一种用于将树脂分布在模具中的这样的应用中。本发明的缝合的多轴增强件尤其适用于制造风力涡轮机叶片、船、运动设备、储罐、公共汽车、拖车、火车和卡车面板等，并且通常适用于在多于一个方向上经受应力的所有这样的结构。

Description

缝合的多轴增强件

技术领域

本发明涉及缝合的多轴增强件。本发明的缝合的多轴增强件可以用于通常需要增强件的所有这样的应用中，并且尤其是在使用真空灌注技术或树脂传递模塑(RTM)技术中的任一种用于将树脂分布在模具中的这样的应用中。本发明的缝合的多轴增强件尤其适用于制造风力涡轮机叶片、船、运动设备、储罐、公共汽车、拖车、火车和卡车面板等，并且通常适用于在多于一个方向上经受应力的所有这样的结构。

背景技术

当使用各种纤维(例如玻璃、碳和芳族聚酰胺纤维以及亚麻、大麻、黄麻、洋麻、玄武岩和其它天然纤维等)制造复合材料和层压产品以制造例如船、汽车、公共汽车、火车、拖车和卡车面板或风力涡轮机部件时，例如，制造从生产合适的纤维增强件(如织造或针织结构)开始，所述结构可以具有单向或多轴取向。然后，将该结构放置在用于制造中间产品或最终产品的模具中。当然，模具具有最终产品的形状，这意味着该形状有时可能非常复杂，并且当放置在模具中时需要对增强件相当大的成形。通常，将几层、最多数十层增强件一层在另一层之上地放置在模具中，并将与硬化剂或不饱和聚酯树脂或乙烯基酯树脂混合的热固性树脂(如环氧树脂)引入模具中，以形成纤维增强的复合材料制品。树脂也可以是热塑性塑料，如PA (聚酰胺)或CBT (环状聚对苯二甲酸丁二醇酯)等。实践已显示，当最终产品必须抵抗高机械负载时，可通过缝合保持在一起的单向增强粗纱层是其制造中的优选的选择。在多于一个方向上存在机械负载的情况下，多轴增强件是优选的选择。这样的单向增强件的层由粗纱或丝束制成，通常称为增强纤维。

多轴增强件由两层或更多层增强粗纱形成，其中一层中的粗纱是单向的，但是相邻层的粗纱形成一定角度，通常为45度、60度或90度，但是也可以使用其它粗纱取向。增强件的结构取决于目标面积重量和粗纱的特克斯数。例如，如果期望高的面积重量或克重，则使用厚粗纱(例如使用E-玻璃 2400 tex)，而在期望具有低面积重量的增强件的情况下，在其制造中使用薄粗纱(例如使用E-玻璃 600 tex)。

最终产品(即固化的层压结构)可以由许多这样的多轴增强件制成，通过布置增强件的层，使得在最终产品中，层的粗纱根据层压结构经受的负载在至少两个不同的方向上取向，或者通过首先制造若干层单向增强件的织物使得相邻层的粗纱形成一定角度，并且之后在最终产品的生产中使用由此形成的织物。根据其中不同的纤维取向的数量，这样的织物称为双轴、三轴、四轴等织物。

由至少两个增强层形成的多轴增强件本身是单向增强粗纱，由于每个增强层的纱仅沿着一个方向延伸，该多轴增强件本质上固有地不稳定。为了能够处理这样的增强件，其粗纱必须以适当的方式彼此锚固或粘合。原则上，现有技术已知用于这样的目标两种不同的机械方法。

一种方法是通过缝合(例如经编)来固定粗纱。缝合纱形成针织线圈，即缝线，其将实际的增强粗纱保持在增强件中的适当位置。根据已知的经编技术，通过各种针织元件(例如通过渗透增强粗纱的一个或多个层的针)形成缝线。缝线可以形成几种公知的图案，例如链式或经编织物等。缝合的纱通常但不是必须为变形或非变形聚酯(聚对苯二甲酸乙二醇酯)长丝纱，其厚度为约34分特至约167分特并且包含数十根长丝，通常例如24或48根长丝。

另一种机械方法是使用编织技术将纵向经纱(即增强粗纱)与轻质纬纱锚固在它们各自的位置。作为纬纱，已经使用非涂布的和热熔涂布的纱两者。在加热和冷却之后，热熔粘结剂赋予增强件相当大的稳定性。然而，编织替代方案不再被认为是有利的，因为增强粗纱在与纬纱交叉时形成扭结，导致应力集中和比缝合形式更低的机械性质。已发现热熔粘结剂纱在基质固化中产生局部干扰，并且在本行业中不再有利。通常，纬纱是复丝纱，其在压缩下变得扁平，而不管它们是否是热熔纱。

缝合的增强件是公知的，并且它们具有一些良好的性质。首先，它们的横向稳定性是良好的，因为缝合纱虽然主要纵向延伸，但形成了这样的图案，如经编织物，其赋予单向粗纱增强件所需的结构完整性。其次，增强件易于定位在模具中(即，允许增强件遵循模具的轮廓)，因为如果适当地选择缝合参数(如缝合长度、针距和纱张力)，缝合的增强件通常非常灵活，这里仅举几个例子。

然而，使用缝线也会导致问题。当用树脂灌注缝合的增强件的堆叠(即所谓的预成型件)时，可以看到该问题。纤维束中的树脂分布在两个方向上(即在平行于增强粗纱的方向上和在横向于增强粗纱的方向上)令人惊讶地缓慢且不均匀。上述发现是令人惊讶的，因为乍一看，缝合的增强件似乎包括三维的流动通道。当围绕粗纱束收紧时，缝线打开穿过增强件的流动通道。同样，在平行于增强件表面的缝合纱的方向上，粗纱被压在一起，使得在增强件的表面上产生流动通道。并且在粗纱的方向上，缝线的收紧将看起来在增强件的表面上形成纵向流动通道。可以预期，当增强件在模具中被放置在彼此顶部上时，增强件的堆叠将包括流动通道的三维网络，这将确保快速树脂流动和渗透以及增强件的堆叠的快速浸湿。然而，如上所述，情况并非如此。主要原因是在开始将树脂供给到模具之前，模具中的增强件的堆叠经受压缩。压缩使得增强件通过这样的力彼此压靠，当增强件的缝线不是一个在另一个的正上方竖直，而是它们的定位是随机的时，一个增强件的缝线之间的“自由”粗纱(意味着不受缝线压缩的粗纱)被压在相邻增强件的缝线上。结果是，在增强件表面方向上的流动通道或多或少地完全填充有“自由”粗纱，防止在增强件表面方向上的有效树脂流动。关于缝合纱在Z方向上的部分缝线，流动通道保持在堆叠中，可能稍小，但仍然不变。然而，由于在增强件表面方向上的流动通道基本上是封闭的，在Z方向上的流动通道保持填充有空气，这非常难以去除。这容易导致在最终产品中存在气泡，这自然降低了最终产品的质量和强度性质。

由于良好的树脂渗透性对于模塑方法的实际执行是至关重要的，通常通过利用当将树脂供给到模具中时的压差来加速。通常的做法是应用真空灌注技术或树脂传递模塑(RTM)技术，以将树脂分布在模具中的整个增强层上。然而，有时尽管采取了各种措施，如真空和/或提高的进料压力，但小的空气腔倾向于保留在增强件中，显著降低层压材料的强度性质。空气腔的主要原因是粗纱在增强件中相互紧靠的紧密定位，使得其对树脂的渗透性在增强件粗纱的横向和纵向方向两者上以及在Z方向上受到限制。鉴于上述情况，应当研究改进从增强件的堆叠中去除气体和增强件对树脂的渗透性的新方式。

改进增强件的渗透性的一种方式是为增强件提供用于树脂的流动通道，所述流动通道允许树脂在增强件中快速流动。在现有技术中，可以发现许多方方式用于在增强件中或者在增强件的堆叠中的增强件之间布置树脂流动通道，例如所谓的灌注织物。然而，已经认识到，使用这样的流动通道不是非常有效，因为在灌注阶段中施加的真空倾向于从邻近区域或增强件转移或抽取粗纱，并且甚至转移它们的位置以填充流动通道/腔。

在US-A-2005/0037678 (Mack等人)中讨论了在增强件中布置树脂流动通道的传统方式。该文件公开了开放网格织物，其由厚的单向粗纱形成，所述单向粗纱彼此缝合，使得形成这样的单向粗纱垫，使得在相邻的平行粗纱之间留下清晰的开放空间。另一种任选的结构是形成两层粗纱的网格织物，其中一层粗纱布置成与另一层粗纱成直角。粗纱再次彼此缝合，使得形成开放网格织物。通过将开放网格织物放置在层压材料的增强层之间，以确保增强层之间的树脂流动畅通，以在Z方向上浸湿相邻的增强层，该美国申请的开放网格织物用作灌注织物。该美国申请的结构中的问题涉及作为单独制造的产品的开放网格织物，并且涉及在织物中使用的粗纱。单独的制造步骤增加了增强件的制造成本，并且使用未粘合或加捻的粗纱意味着为了在开放网格织物中提供一些开放空间，粗纱必须非常厚(参见与图1b相关的讨论，该讨论涉及在压缩下粗纱变平)。厚粗纱在重量和产品的仅在次要目标(即树脂流动)中需要的部分的费用方面都相等地增加。鉴于产品的强度和疲劳方面，在不需要的方向上相对高比例的粗纱使得产品既不具有商业吸引力也不具有市场吸引力。这种灌注织物的另一个缺点是，它在最终产品中引起比仅含有增强层的部分中的树脂含量高的区域，即，产品不是粘结的。

现有技术还已知双轴灌注织物，其由两个本身为织造的粗纱层制造，所述粗纱层首先在对角线方向拉伸，使得一层变成-45度层，而另一层变成+45度层，并随后缝合在一起。两个织造层都包含纬向的厚玻璃纤维粗纱和经向的薄玻璃纤维纱。经向纱以相对松散的圆束粘合粗纱。当织造层偏斜时，经向纱收紧，并且将粗纱更紧密地(等于束的接近圆形的横截面)粘合在一起。作为纱紧密度的一个好的实例，可以提及的是，纵向纬纱可以通过倾斜而从纬向转向30度和45度，但不再是60度。然后，将两个织造和拉伸的层一个在另一个之上放置，使得层的粗纱以不同的取向延伸，由此，在缝合之后，得到双轴产品。该产品作为灌注织物出售，其在粗纱方向具有树脂流动通道。

然而，上述灌注织物在其结构、使用和操作方面存在一些问题。实际上，在这种产品中，树脂流动能力和克重之间存在明显的相关性，使得克重越高，流动能力越差(除非改变粗纱的特克斯数)。原因是产品中的流动通道在粗纱之间形成，并且当增加克重时粗纱的数量增加，由此粗纱之间的开放区域自然减小。另一种选择是增加粗纱的尺寸或特克斯数，但是，由于粗纱仅有300特克斯、600特克斯、1200特克斯、2400特克斯、4800特克斯等可用，几乎不可能总是找到良好的匹配。从一个粗纱尺寸的步骤导致不太充分的流动到下一个可能的粗纱尺寸而不增加克重，这常常导致灌注织物，由于在粗纱之间具有这样的明显间隙，织物实际上根本不具有刚度，灌注织物难以处理。以相应的方式，增加克重或者降低树脂流动能力(如果仅增加粗纱数)，或者增加灌注织物中的开放流动面积(如果增加粗纱尺寸)，使得其丧失其完整性。换句话说，在许多应用中，必须使用灌注织物，这不是完全期望的，而是在树脂流动能力和克重之间的折衷。必须考虑的另一个特征是最终产品(即增强件)的不均匀性。如果灌注织物含有比实际增强层更多的开口腔(它们经常这样做)，则在最终产品中，开口腔填充有树脂。因此，树脂的比例在一个或多个灌注织物的位置处明显较高，在增强件中引起强度较弱的区域。

现有技术还已知其它结构，其中粗纱以与US文件中基本相同的方式使用，然而，粗纱通过缠绕围绕粗纱的聚酯纱以使粗纱不可压缩而被围绕。通过以上述方式使粗纱具有刚性，实现足够的树脂流动性质，但是该方式也具有缺点。首先，聚酯(PE)纱围绕粗纱的缠绕不是自由的。其次，可应用的粗纱的可用性非常有限，由此不能自由地选择粗纱-PE纱包装的直径。实际上，PE-缠绕粗纱中的后一问题妨碍了使用者获得他/她应用的最佳可能直径。因此可以看出，在灌注产品或灌注介质中使用粗纱导致若干方法步骤、手工劳动、使用要浪费的材料等中的至少一个，所有这些意味着增加，并且在某种程度上导致不必要的费用。

与在开放网格织物或任何其它灌注产品中使用玻璃纤维粗纱有关的另一个问题是，事实上玻璃纤维或任何其它增强纤维(例如芳族聚酰胺纤维或碳纤维)具有比固化增强件时使用的树脂的模量(通常低于10 GPa，通常为3-4 GPa的数量级)高得多(通常高于50GPa)的模量。模量的差异意味着，一旦增强件开始承载负载，就在灌注产品的这样的增强纤维上产生应力峰值，该应力峰值横向于增强件层的实际增强纤维或粗纱。应力峰值经受疲劳应力，并作为疲劳裂纹的起始点。

与使用粗纱作为流动通道产生装置相关的各种问题在EP-B1-2874803 (Bergström)中得到解决，其公开了用于通过树脂传递模塑方法和真空灌注模塑方法中的一种制造纤维增强的复合材料的缝合的单向或多轴增强件，所述缝合的单向或多轴增强件包含布置在增强件中的至少一层连续单向粗纱和单丝或复丝，所述单丝或复丝横向于单向粗纱布置并在其侧面形成从缝合的单向或多轴增强件的一个边缘延伸至其相对边缘的流动通道，当用树脂润湿增强件的堆叠时，用于促进树脂在横向于单向粗纱方向的方向上流动，所述至少一层和单丝或复丝通过缝合粘合在一起，所述单丝或复丝在压缩下的直径为70-300 µm。该EP专利的单丝或复丝由具有低模量(即接近树脂的模量)的这样的聚合物制成，其中单丝或复丝被认为是非增强的。

在上述文件中讨论的增强件涉及用于生产风力涡轮机叶片的翼梁帽，该翼梁帽具有数十米的长度和几十厘米的宽度。因此，通过将树脂进料布置到翼梁帽的整个长度上的模具中，即布置在增强件的层的堆叠的一侧处，树脂仅需要流动几十厘米以浸渍或浸湿增强件的层的整个堆叠。因此，浸湿距离短，以至于即使相对慢的浸渍速度也被认为是可接受的。浸渍速度慢的原因是单丝或粘合复丝的直径小，鉴于翼梁帽所需的强度性质，小直径是必需的，即，使用尽可能小的直径使翼梁帽层压材料中微裂纹的风险最小化。

使用单丝作为产生树脂流动通道的手段也有一些缺点。首先，使用较厚的单丝，它们的柔性越小，由此将灌注产品或增强件放置在产品中需要急弯的位置变得困难。其次，单丝可能不能可靠地附着在树脂中，由此存在它们从树脂中松动并沿着其纵向方向移动并在最终产品中留下开放腔的风险。

因此，上述现有技术EP文件利用了沿着横向于增强纤维或粗纱的方向布置的流动通道形成装置。流动通道形成装置可以由单根单丝或粘合复丝(即长丝束)形成。实际上，这样的结构限于允许树脂仅沿着一个方向流动，这在具有复杂或大面积形状的制品的制造中不能认为是足够的。

EP-B1-2918398 (Grove-Nielsen)讨论了用于制造风力涡轮机部件的纤维增强的复合材料，其包含多个第一纤维、多个第二纤维和树脂，所述第一纤维以单向或双轴构型布置，所述第二纤维相对于所述第一纤维的纵向方向垂直布置，所述树脂浸渍所述第一纤维和第二纤维，其中所述树脂的E模量等于所述第二纤维的E模量，使得当所述纤维增强的复合材料在纵向方向拉伸时，允许所述第二纤维以与所述树脂相同的速率收缩。

更具体地说，EP-B1-2918398一方面讨论了具有横向于第一增强纤维的第二纤维或横跨第一增强纤维的一个或多个层的之字形的第二纤维的单向增强的复合材料，或者另一方面讨论了双轴增强的复合材料，其中增强纤维相对于第二纤维的方向以+/-45度的角度布置，并且第二纤维通过缝合固定到第一增强纤维的两个层上。

然而，EP-B1-2918398没有教导其横向第二纤维的目标。但是，如该文件清楚地教导的，单独的真空分布层(即灌注层)布置在纤维材料的顶部上，相当清楚的是，纤维材料的第二纤维仅用于赋予增强件横向稳定性。但是，即使第二纤维将产生树脂流动通道，但以EP文件的方式的之字形单丝似乎是不合理的，因为树脂的灌注通常从增强件的一侧朝向另一侧发生，并且以彼此不平行取向布置单丝形成树脂可能难以进入的变宽通道(因为在单丝之间几乎没有任何开口)和会聚单丝与会聚空间本身增加流动阻力并降低树脂能够前进的速度的会聚通道两者。

换句话说，现有技术建议，一方面，使用在彼此横向的两个方向上布置并且缝合在一起以形成开放网格织物的复丝纱或粗纱，用于在增强件的增强层之间提供开放网格，并且另一方面，使用单丝或粘合复丝，用于在横向于增强粗纱的方向的单个方向上布置树脂的流动通道。

然而，实践已显示，目前缝合的增强件具有几个问题区域，例如：

—在增强件中提供的或与之连接的流动通道被设计用于长而窄的物体，其中树脂仅需要沿着一个方向流动，即通过物体的最短路径，或者用于或多或少圆形或方形的物体，其中树脂足以沿着所有方向以类似的速度流动，因此现有技术没有考虑具有这样复杂形状的物体，其需要沿着不同方向的不同灌注速率，

—现有技术的织造织物作为灌注介质的使用限于少数可应用的克重-树脂流动能力组合，

—在现有技术的灌注织物中，树脂流动通道在粗纱的方向上，这不能确保树脂在整个产品上适当和可靠的灌注，

—粗纱作为用于在增强件中布置流动通道的手段的适用性非常有限，

—粗纱在其可压缩性、其树脂灌注和其直径方面存在问题，如以上讨论的，

—现有技术的灌注织物通常含有大的开放区域，该开放区域也在最终产品中，填充有树脂引起最终产品具有强度值变化的不均匀结构，

—当单丝用作产生树脂流动通道的手段时，需要相对长的树脂流动通道和/或高灌注速度的产品需要使用相对厚的单丝。厚单丝使产品相对刚性，由此产品不能在需要急弯的模具中容易地弯曲，和

—使用粗纱作为用于布置流动通道的手段需要若干生产步骤，这意味着增加的生产时间和成本。

已经证明，在风力涡轮机叶片的翼梁帽的生产中，使用单丝或粘合复丝为提供与单向增强件有关的树脂流动通道的理想方式，决定测试其与其它类型产品结合的使用，即需要在多于一个方向上的承载能力并且与翼梁帽相比具有更宽面积的多轴产品。不久发现，在EP-B1-2874803中所用的类型的单丝或粘合复丝的树脂流动能力不足以制造卡车或公共汽车的面板或船体，仅举几个选项。一个原因是，在这样的面板或壳体中，从产品的一个边缘到其相对边缘的树脂浸渍或浸湿距离比在相应的翼梁帽应用中长许多倍。另一个原因是，这样的面板或壳体具有需要弯曲或成形增强件的形状，由此不能使用具有使该层相对刚性的厚单丝的增强层或灌注层。为了克服这些问题，决定通过应用加捻的复丝纱作为流动通道产生装置来改进产品(即增强层或灌注织物)的柔性，这通过增加加捻的复丝纱的直径而不牺牲纱的柔性来改进树脂流动能力。

然后，令人惊讶地发现，即使加捻的复丝纱的直径增加，在多轴增强件中形成微裂纹的风险也显著降低。结论是，由于各种面板、船体或夹层层压材料经受不同方向的负载，并因此需要使用多轴增强件，该发现的至少一个原因是，在双轴或任何多轴产品中，相邻层的粗纱在任何情况下在彼此经过时略微弯曲，由此由加捻的复丝纱引起的可能的另外的弯曲或扭结实际上不再具有大的影响。降低形成微裂纹的趋势的另一个因素涉及重量优化，因为例如各种面板不具有与翼梁帽一样严格的重量要求。因此，可以知道，具有较大直径的加捻的复丝纱可以用于多轴增强件，由此可以扩大树脂流动通道，并从而提高树脂流动速度。

定义

提供以下说明性解释以促进理解在讨论本发明的说明书和权利要求书中频繁使用的某些术语。提供这些解释是为了方便而不是要限制本发明。

面积重量—每单位面积织物的重量(质量)。

粘结剂—各种形式(如粉末、膜或液体)的聚合物材料。粘结剂可以由一种或几种在化学或物理性质(如刚度、熔点、聚合结构、Tg等)具有不同特性的单独的粘结剂制成。使用粘结剂将纤维结构固定在一起以形成网，并最终形成增强件。合适的粘结剂是热塑性环氧树脂、共聚酯、双酚不饱和聚酯或它们的混合物，仅举几个例子。

织物—由通常称为线或纱的天然或人造纤维的网络组成的柔性织造材料。织物例如通过将纤维编织、针织、钩编、打结、针刺或压在一起(毡)而形成。

长丝—由单一连续结构组成的纱，所述单一连续结构通常由合成的人造(包括纤维素基材料)和天然材料制成，所述天然材料例如粘胶、丝、聚酰胺(例如尼龙)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚丙烯(PP)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)等。当使用时，出现在由长丝束形成的复丝中。

灌注产品/层—织物或非织造织物，其提供有用于促进产品平面中的树脂流动的通道。通过放置在增强层之间以将树脂引入到增强件的整个区域，使得树脂可以容易地被吸收到相邻的增强层。

层压材料—可通过使用合适的树脂和硬化剂混合物浸渍一层或多层增强件并通过化学反应或温度冷却使其硬化而构成的材料。层压材料是由基质制成的纤维增强的结构，所述基质由例如玻璃、碳、芳族聚酰胺等的细纤维增强。基质可以是环氧树脂、热固性塑料(最常见的是环氧树脂、聚酯或乙烯基酯)或热塑性塑料。玻璃纤维增强件的普通最终用途包括船、汽车部件、风力涡轮机叶片等。

基质—将增强件粘合在一起以形成复合材料的材料。复合材料使用专门配制的聚合物，如热固性环氧树脂、乙烯基酯树脂或不饱和聚酯树脂，以及酚醛树脂或热塑性树脂(参见“聚合物”)，这仅是提及的几个实例。

单丝—由通常由合成材料制成的单根连续长丝组成的纱，所述合成材料例如聚酰胺(例如尼龙)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚丙烯、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)等。在本说明书中，具体地指单独起作用的纱，即作为整体结构，与单根长丝相反，当收集成长丝束时形成复丝纱。

复丝—由大量连续长丝组成的纱或线，所述长丝通常由合成材料制成，例如聚酰胺(尼龙)、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚丙烯、聚对苯二甲酸丁二醇酯等。尤其是，关于本发明，必须区分由单独的长丝形成的松散的可压缩复丝和其中长丝彼此粘合以使粘合复丝表现得像单丝的粘合复丝。

聚合物—通常包括例如均聚物、共聚物(例如嵌段、接枝、无规和交替共聚物)、三元共聚物等，以及它们的共混物和改性物。此外，除非另外特别限定，否则术语“聚合物”包括材料的所有可能的几何构型。这些构型包括例如全同立构、间同立构和无规对称。

增强件—包含增强纤维的网，所述纤维通过适当的方式彼此固定。通常被制成连续的网。有几种方法可以制造单向或多轴或随机取向的增强件，例如通过纺织加工技术，如机织、针织、编织和缝合，或通过用合适的粘结剂粘合。

增强纤维—在复合材料的制造中与基质一起使用的纤维。纤维通常是人造纤维，如玻璃(包括其所有变体)、碳(具有其所有变体)或芳族聚酰胺，其可以用作连续丝和非连续纤维两者。也已经使用了各种各样的天然纤维，例如剑麻、亚麻、黄麻、椰壳、洋麻、大麻或玄武岩，仅举几个例子。

树脂传递模塑(RTM)—具有两个模具表面的方法，通过该方法，通常在低粘度和低压或高压下将树脂泵送到通常含有干燥增强件的预成型件的闭合模具模组中，即，将树脂灌注到预成型件中并且制造纤维增强的复合材料部件。

粗纱—长而窄的无捻连续纤维或长丝束，特别是玻璃纤维。在本申请中，与丝束同义，因此纤维的选择不仅含有玻璃纤维，而且含有碳、玄武岩和芳族聚酰胺纤维，更通常地是人造连续纤维。

粗纱组或丝束组—一个或多个紧密间隔的丝束或粗纱。

缝合纱—例如由24或48根由卷曲变形聚酯制成的单根长丝形成的纱。通常用于制造单向增强件的缝合纱通常线性质量密度为76或110分特。单根长丝的直径通常为5-10微米。

特克斯数—纱的线性质量密度的SI单位量度，并且定义为以克/1000米为单位的质量。特克斯更可能在加拿大和欧洲大陆使用，而丹尼尔在美国和英国保持更普遍。单位代码是“特克斯”。与人造合成纤维有关的最常用的单位实际上是分特(decitex)，缩写为分特(dtex)，它是以克/10,000米为单位的质量。

纺织品—包括具有一层或多层的片材、网、织物和垫的各种类型制品的一般定义，所述层由单向或多向线形成。

热塑性塑料—可熔聚合物，当暴露于热时软化，并且当冷却至室温时通常恢复至其未软化状态。热塑性材料包括例如聚氯乙烯、一些聚酯、聚酰胺、多氟烃、聚烯烃、一些聚氨酯、聚苯乙烯、聚乙烯醇、己内酰胺、乙烯和至少一种乙烯基单体的共聚物(例如聚(乙烯-乙酸乙烯酯)、纤维素酯和丙烯酸类树脂。

热固性材料—不可逆地固化的聚合物材料。固化可以通过热(通常高于200℃)、通过化学反应(例如，双组分环氧树脂)或照射(例如电子束加工)来进行。

线—整体长丝或纤维、纱的加捻的束。

丝束—在复合材料工业中，丝束是连续长丝的无捻束，并且它是指人造纤维，特别是碳纤维(也称为石墨)。丝束由它们含有的纤维数目指定，例如12K丝束含有约12,000根纤维。这里与粗纱同义。

横向处理稳定性—防止单向增强件变形或撕裂成碎片的力。当将模具中的增强件定位在另一增强件的顶部上并在横向于其纵向方向的方向上移动增强件时需要横向处理稳定性。

横向方向—不平行于参考方向的任何方向，优选地偏离参考方向至少5度，更优选地至少10度，最优选地至少15度。

单向(UD)增强件—其中所有粗纱或丝束在相同方向上延伸的增强件，在该特定情况下，在纵向方向上，但UD增强件也可以是横向的，即在90°方向上取向。在现有技术中，这些粗纱通常通过缝合和通常使用一些短切原丝或连续复丝纱的另外的轻质层而粘合，以将粗纱保持在一起并防止它们撕裂，或者通过编织粘合，其中纬纱提供结构稳定性。纬纱还可以被热熔涂布。将粗纱或丝束粘合在一起的另一种方式是使用粘结剂，例如热塑性或热固性粘结剂。在这种情况下，也可以使用上述另外的稳定层。

真空灌注—使用单侧模具的方法，该模具成形最终产品。下侧是刚性模具，而上侧是柔性膜或真空袋。当将真空/抽吸施加到模具腔时，空气从腔中逸出，此后允许树脂通过抽吸(或另外通过进料侧处的小过压辅助—轻RTM的特征特性)被灌注以完全浸湿增强件并消除层压结构中的所有空气空隙。

浸湿距离—流动前沿的位置或实际上从进入增强件堆叠的位置树脂到当前位置测量的距离。

纱—长的连续长度的、通常加捻的复丝，其适用于生产纺织品、缝纫、钩编、针织、编织、缝合、刺绣和制绳。纱可以由连续或非连续的天然或合成纤维制成。

Z方向—垂直于层或层的堆叠的平面的方向，即厚度方向。

发明内容

本发明的目标是提供至少一个以上讨论的问题的解决方案。

本发明的另一个目标是开发新型的多轴向缝合的增强件，其在横向于增强长丝取向的多于一个方向上具有优异的树脂渗透性。

本发明的另一个目标是开发新型的多轴缝合的增强件，其中可以控制不同方向上的树脂流动。

本发明的又一个目标是通过能够在单个生产步骤中生产多轴增强件来加速多轴增强件的生产。

本发明的再一个目标是开发新型灌注产品，其树脂流动能力和克重可以自由选择，即彼此无关。

根据本发明的优选的实施方案，通过使用至少两组加捻的复丝纱，确保了本发明的增强件对树脂的所需渗透性和从增强件中所需的气体去除，在本发明的优选的替代方案中，所述至少两组加捻的复丝纱布置在自身单向增强层之间并且彼此横向取向，用于形成用于树脂的流动通道，用于在横向于增强粗纱方向的多于一个方向上布置自由流动区域，用于空气从增强件逸出和用于使树脂有效地浸渍或浸湿产品两者。

通过用于通过树脂传递模塑方法和真空灌注模塑方法中的一种制造纤维增强的复合材料的缝合的多轴增强件解决了至少一个现有技术问题并且实现了至少一个目标，所述缝合的多轴增强件至少包含具有第一轴向方向的连续单向粗纱的第一增强层，具有第二轴向方向的连续单向粗纱的第二增强层，以及第一组高度加捻的复丝，其由通过捻合至少100捻/米的长丝而粘合在一起或涂布有胶料的长丝束形成；所述第一轴向方向和所述第二轴向方向之间留有角度；其中所述第一组粘合复丝由以不同于所述第一轴向方向的角度位于所述第一增强层上的高度加捻的复丝纱形成，第二组高度加捻的复丝纱在横向于所述第一组(26)高度加捻的复丝纱的第一方向的第二方向上布置在所述第一增强层(20)和所述第二增强层(32)之间，所述高度加捻的复丝纱是模量小于10 GPa的非增强纱，以及所述第一增强层和所述第二增强层以及所述第一组和所述第二组高度加捻的复丝纱通过缝合彼此粘合以形成缝合的增强件，由此所述高度加捻的复丝纱在其侧面形成树脂流动通道。

本发明的缝合的多轴增强件的其它特征在所附专利权利要求中公开。

利用本发明，可以实现以下优点中的至少一些优点

—改进缝合的多轴增强件的渗透性到促进良好树脂流动的水平，

—对于所有应用，在灌注产品中使用加捻的复丝纱确保了树脂流动能力和克重可以自由选择，而彼此无关，

—树脂在一定时间段内沿着横向前进的距离显著增加，在进行的实验中至少增加到2倍，

—浸渍所需的时间显著减少，在进行的实验中减少到现有技术增强件所需时间的至少四分之一，

—两个不同方向上的树脂流动通道确保即使在主树脂流动方向上的通道由于某种原因可能被阻塞时树脂也能到达增强件的所有部分，

—由于在整个增强件上的更均匀的树脂分布而导致更均匀的增强，

—使用高度加捻的复丝纱确保了复丝与树脂的固定，因为加捻的纱表面的比表面积通过具有一种螺纹表面而远大于用于树脂附着的单丝的比表面积，以及

—不同方向上的树脂流动性质可以通过改变加捻的复丝纱的方向和直径中的至少一种来调节。

附图简述

下面，将参考附图更详细地讨论本发明的缝合的多轴增强件及其生产方法，其中

图1a和1b示意性地说明本发明的高度加捻的复丝纱与现有技术复丝在粗纱的两个增强层之间在压缩下的行为之间的比较，

图2示意性地说明根据本发明的优选的实施方案的缝合的多轴增强件的生产过程，

图3a至3c示意性地说明以图2中所讨论的方式制造的双轴增强件的横截面，以及

图4比较了现有技术缝合的增强件与本发明的两个缝合的增强件鉴于在横向方向上的树脂流动距离。

附图详述

图1a和1b示意性地说明本发明的加捻的复丝纱和现有技术复丝纱(如在US-A-2005/0037678中使用的复丝纱)在真空灌注方法的压缩下在粗纱的两个增强层之间的行为之间的横截面比较。图1a说明两个重叠的增强层2和4的横截面，所述增强层由通过横向缝合(未显示)而缝合到一起的单向粗纱束制成，作为具有加捻的复丝纱6的增强件，所述加捻的复丝纱与其层2和4之间的UD粗纱成直角布置。图1b显示由通过横向缝合而缝合到一起的单向粗纱束制成的相同的增强层2和4，作为具有复丝纱8的增强件，所述复丝纱与其层2和4之间的粗纱成直角布置。图1a显示加捻的复丝纱如何仍然将增强件2和4的粗纱推动或保持分开，使得在增强件2和4之间形成通向加捻的复丝纱6侧面的开放流动通道10。图1b显示以与图1a相同的方式推开的增强件2和4的粗纱，即具有横向加捻的复丝纱6和复丝8的两个增强件的厚度是相同的。然而，可以看出，将粗纱推开或保持分开所需的复丝纱8具有完全不同的尺寸和横截面面积。在压缩下它已经转变成椭圆形或扁平形状，使得实际上在复丝纱8的侧面没有真正的流动通道12。

原因是复丝纱由数十、数百或甚至数千根单独的长丝制成。当图1b的复丝纱在模具中经受压缩压力时，即在真空灌注阶段中，复丝纱的长丝被迫侧向移动，使得复丝纱的Z方向尺寸是加捻的复丝纱的Z方向尺寸的一部分。

通常理解为具有100 TPM或150 TPM (TPM =捻/米)或更高数量级的高度加捻的纱在抵抗真空的压缩作用方面可能是有效的。同样接受的理解是，这样的高度加捻的纱由于其对复合材料的机械性质的负面影响而不能用于复合材料工业。此外，认为高度加捻的复丝纱性质上是刚性的，导致增强UD粗纱中的扭结。因此，当甚至考虑加捻的纱时，它们的捻度通常保持相对低，即20-40 TPM的数量级。

因此，使用加捻的复丝决不认为是值得推荐的，因为具有低捻度的复丝能够变平，并从而失去其形成树脂流动通道的能力。为增强件提供所需的树脂通道的唯一方法是增加复丝的尺寸，这不可避免地导致复丝重量的增加。重量的增加一方面增加了复丝的成本，而另一方面增加了不参与增强件的基本任务(即复合材料的承载能力)的材料。

为了解决上述问题，考虑使用高度加捻的复丝。从而，在本发明中，上文已使用的术语“粘合复丝”是指这样的复丝，其由长丝束通过以至少100捻/米，优选大于150 TPM，并且更优选大于200 TPM捻合长丝而粘合在一起形成。“粘合复丝”则被称为高度加捻的复丝纱。由于高度加捻的纱的横截面基本上是圆形的，使用这样的高度加捻的复丝纱减少了添加材料的重量。

当使用这样的高度加捻的复丝纱时，高度加捻的复丝纱的直径或实际上Z方向尺寸为50-2000 µm的数量级，优选为100-1000 µm，更优选在150-900 µm、200-800 µm之间。其它优选的范围是500-1000 µm、500-900 µm和500-800 µm。

因此，为了确保由高度加捻的复丝纱形成的流动通道相对于由高度加捻的复丝纱带入增强件中的杂质的量尽可能有效，高度加捻的复丝纱应当尽可能紧凑，这意味着当高度加捻的复丝纱在浸湿或浸渍阶段中经受真空(即压缩)时，它们的纵横比(宽度/高度比)应当等于或小于2.0，优选小于1.5，最优选尽可能接近1.0。纵横比2是指例如并排布置的两根高度加捻的复丝纱。

高度加捻的复丝纱由例如聚酯(例如PET或PBT)、聚酰胺(PA)、共聚酰胺或共聚酯(共PET)长丝的材料制成，通常是模量小于10 GPa的人造或天然聚合物，使得模量足够接近树脂的模量，由此可以避免应力集中和疲劳应力开裂的风险。树脂的模量通常为3-3.5 GPa的数量级。优选但不是必须地，用胶料涂布高度加捻的复丝纱的长丝，这改进了长丝彼此之间的附着和高度加捻的复丝纱与基质树脂的附着两者。下表中给出了纤维增强的复合材料中出现的各种材料的模量。

该表显示，例如，一方面，非增强纤维(聚酯)和树脂，另一方面，增强纤维的模量、密度和伸长率的巨大差异。

关于高度加捻的复丝纱的尺寸以及它们在增强层上的定位，即它们彼此之间的横向距离，鉴于用树脂适当浸渍和浸湿增强件堆叠，必须仔细考虑所有这些特征(以及其它特征)。形成到高度加捻的复丝纱侧面的树脂流动通道不应太开放以致不能给予树脂足够的时间以浸渍到粗纱中，并且不能直接从增强件的堆叠的侧面流动，在该侧面处将树脂引入到增强件堆叠的相对侧。当然，相邻的高度加捻的复丝纱之间的距离越短，高度加捻的复丝纱侧面的横向流动通道可以越开放，即横截面越大，反之亦然。必须考虑的另一件事是增强层的厚度或克重。增强层越厚，用树脂适当浸湿增强层所花费的时间就越多。利用本发明，可以调节增强件的渗透性，以确保各增强纤维被充分浸渍，并且在纤维之间不留下干燥区域或空隙。

用于高度加捻的复丝纱的聚合物材料的理想性质是该材料不会延迟固化或对形成基质的树脂的化学、热或机械性质不以其它方式具有负面影响。在进行的实验中，使用了聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚酰胺(PA)、共聚酰胺或共聚PET或其它非增强材料的高度加捻的复丝纱。因此，也可以使用以期望的方式起作用并且具有足够低的模量的其它材料。

用于高度加捻的复丝纱的聚合物材料的另一优选的任选的性质是该材料至少部分地可溶于树脂。然而，溶解性应当如此弱或缓慢，使得在高度加捻的复丝纱“消失”或“塌陷”之前，增强件有时间被树脂浸渍。然而，至少部分可溶的高度加捻的复丝纱的优点在于，由高度加捻的复丝纱形成的通道消失(vanish)/消失(disappear)，并且产品以及基质比使用不可溶的高度加捻的复丝纱时变得更加均匀。

图2示意性地说明根据本发明的优选的实施方案的缝合的多轴增强件的生产过程。缝合的多轴增强件的制造如下进行。首先，通过从包装22拉出粗纱20’并且根据在第一轴向方向(这里为+45度(任选地，也例如为0度或+60度))上的目标面积重量将它们并排布置或彼此以受控距离布置，形成单向粗纱20’ (优选但不必须是玻璃纤维或碳纤维粗纱或丝束或芳族聚酰胺纤维以及亚麻、大麻、黄麻、剑麻、椰壳、洋麻、玄武岩或其它天然纤维)的第一增强层20。从现在开始，词语“粗纱”用于指在单向增强件的制造中使用的所有这样的丝束、粗纱、纤维等。因此，粗纱并排布置在粗纱的一个或多个增强层中。

接着，从进料装置24将第一组26高度加捻的复丝纱铺设在第一增强层20上，该第一组高度加捻的复丝纱沿着纵向(即沿着待生产的增强件的行进方向)延伸，或者至少沿着横向于第一增强层20的粗纱20’的方向延伸。然后从供料装置30将第二组28单丝或复丝铺设在第一增强层20上和第一组26高度加捻的复丝纱上，优选但不是必须地横向于第一增强层20的第一轴向方向。当然，可以自由选择第一组和第二组高度加捻的复丝纱铺设在第一增强层20上的顺序。此后，通过从包装34中拉出单向粗纱32’并在第二轴向方向(在此为-45度(任选地，也为例如90度或-60度))上根据目标面积重量将它们并排布置或彼此以受控距离布置，形成单向粗纱32’的第二增强层32。因此，两组24和26的高度加捻的复丝纱都留在两个增强层20和28之间，由此第一组和第二组高度加捻的复丝纱彼此直接接触。本发明的高度加捻的复丝纱的直径为50-2000 µm，优选为100-1000 µm，并且更优选为150-900 µm、200-800 µm。其它优选的范围是500-1000 µm、500-900 µm和500-800 µm。在灌注的树脂(固化剂混合物)的粘度在室温下为200-350 mPas水平的情况下，直径或Z方向厚度是理想的。如果粘度明显与此不同，则可能需要调节高度加捻的复丝纱之间的距离或其直径/Z方向厚度。这里，词语“横向”主要指任何不平行的方向。然而，如果并且当需要一些安全裕度时，例如关于高度加捻的复丝纱的方向的词语“横向”是指从第一增强层和第二增强层的增强粗纱的第一轴向方向和第二轴向方向偏离至少5度、10度或15度的任何这样的方向。偏离的目标是防止高度加捻的复丝纱在粗纱之间局部取向，由此将失去或至少严重损害促进树脂流动的目标。相同的角位移也适用于第一组和第二组高度加捻的复丝纱的方向，即它们应当优选但不是必须也形成至少5度、10度或15度的角度。

然而，作为本发明的第二补充实施方案，应当理解，高度加捻的复丝纱组可以布置成使得第一组高度加捻的复丝纱具有横向于第一增强层的第一轴向方向但平行于第二增强层的第二轴向方向的长丝取向。以相应的方式，第二组高度加捻的复丝纱可以具有与第一增强层的第一轴向方向平行但横向于第二增强层的第二轴向方向的长丝取向。这里，当然，想法是，第一组高度加捻的复丝纱的高度加捻的复丝纱由于其刚度而不能在第二组高度加捻的复丝纱的两根相邻的高度加捻的复丝纱之间的开放区域处弯曲以到达第二增强层的表面，并从而阻塞单丝或复丝与增强层之间的树脂流动，反之亦然。当然，一组相邻的高度加捻的复丝纱之间的距离越短，则另一组高度加捻的复丝纱所需的刚度越小。因此，为了优化高度加捻的复丝纱的树脂流动性质，必须考虑其直径和刚度以及相邻的高度加捻的复丝纱之间的距离，并且必须选择这些的最佳组合以最佳地满足各特定应用的要求。

如果第一组26的方向与待生产的增强件的行进方向不平行，则第二组28高度加捻的复丝纱以及第一组26高度加捻的复丝纱可以通过使用多轴生产机器的公知纱滑架系统布置在第一增强层20上，即通过在第一增强层上方横向来回行进的工具将一定数量的高度加捻的复丝纱一次铺设在第一增强层上。例如，可以利用具有高度加捻的复丝纱进料布置的伺服线性移动操纵器来促进该铺设。

本发明的有利特征是两组高度加捻的复丝纱各自以直的、平行的形式铺设在第一增强层20上，即第一组26高度加捻的复丝纱在期望的方向上线性且均匀地延伸，优选地主要在待生产的增强件38的行进方向上，并且第二组28高度加捻的复丝纱从增强层20的一个边缘线性且均匀地延伸到其相对边缘，换句话说，例如高度加捻的复丝纱不形成通常在针织图案中发现的线圈。横跨单向增强粗纱的高度加捻的复丝纱的基本上直的(即，线性)和平坦的形式确保了增强件边缘之间的最短的树脂流动时间，因为直线是两点之间的最短路径。不管两组高度加捻的复丝纱的实际位置和方向如何，它们以规则的间隔排列，即彼此之间的横向距离或间距为约2-50 mm，优选5-25 mm，更优选约5-15 mm。精确的距离必须根据树脂粘度和增强层克重来优化，这仅是几个变量。

然而，必须理解的是，上述讨论涉及制造多轴(在这种情况下，双轴)增强件的最简单的方法。基本上，相同的方法可以应用于制造本身具有几个单向增强层的增强件。如果要制造具有多于两个增强层的多轴增强件，则需要许多用于形成新增强层的另外的装置。同样，优选但不总是必须的，横向的两组单丝或复丝应铺设在每对增强层之间，每个另外的增强层需要用于两组高度加捻的复丝纱的进料装置。此外，当铺设高度加捻的复丝纱时，应当记住，这样的纱既不应平行也不应几乎平行于最近的增强层(即，它们所搁置的增强层)的增强粗纱，但是优选但不是必须地，至少5度、10度或15度的倾角应当布置在它们之间。然而，高度加捻的复丝纱可以与更远的增强层的增强粗纱平行。

作为本发明的第三补充实施方案，其带来至少一个大的优点，含有两组高度加捻的复丝纱以及可能结合本发明讨论的一些其它特征的增强件结构另外包含具有不同直径的高度加捻的复丝纱组。不同的直径有助于控制增强层之间的树脂流动。例如，如果我们假设第一组高度加捻的复丝纱的直径为300 µm，并且第二组高度加捻的复丝纱的直径为600µm，则进行的实验显示树脂沿着较厚的高度加捻的复丝纱的方向更快地前进或更快前进一定距离。当使用这样的高度加捻的复丝纱时，具有较小直径的该组高度加捻的复丝纱的直径或实际上Z方向尺寸可以在50-1000 µm之间变化，优选在150-900 µm之间，更优选在200-700 µm之间。当待生产的增强件具有复杂且宽面积的形状时，可以利用该特征。第三实施方案的增强件的详细结构将结合图3b和3c来更详细地讨论。

作为本发明的第四补充实施方案，还应当理解，高度加捻的复丝纱也可以放置在增强件的顶部和/或底表面上，即，高度加捻的复丝纱不仅可以在增强层之间发现。在此也适用与将高度加捻的复丝纱放置在增强层之间时相同的规则，即将高度加捻的复丝纱放置在增强件的顶部和底表面上，即高度加捻的复丝纱的取向可以与留在高度加捻的复丝纱组之间的增强层的粗纱的取向不同。

根据本发明的第五补充实施方案，双轴增强件可以具有在底部的0度方向上的高度加捻的复丝纱、在高度加捻的复丝纱上的+45度方向上的增强层、然后-45度方向上的增强层、以及最后在90度方向上的另一组高度加捻的复丝纱。

根据本发明的第六补充实施方案，另一种双轴增强件可以具有在底部的0度方向上的高度加捻的复丝纱、在高度加捻的复丝纱上的+45度方向上的增强层、然后在90度方向上的另一组高度加捻的复丝纱、以及最后在-45度方向上的增强层。

根据本发明的第七补充实施方案，可以讨论三轴和四轴增强件。当与结合图2讨论的生产相比时，通过在第一增强层下方或在第二增强层的顶部上添加具有沿着第三轴向方向的粗纱的第三增强层来生产三轴增强层。当与结合图2讨论的生产相比时，通过在第一增强层下方添加具有沿着第三轴向方向的粗纱的第三增强层以及在第二增强层的顶部添加具有沿着第四轴向方向的粗纱的第四增强层来生产四轴增强件。同样，如果期望或认为必要，可以在第三增强层和最接近的相邻的增强层之间以及在第四增强层和最接近的相邻的增强层之间提供至少一组高度加捻的复丝纱。与上述实施方案相同的规则，即，布置在两个增强层之间的每组高度加捻的复丝纱的高度加捻的复丝纱可以不与最接近的增强层的粗纱平行，但是优选但不是必须地，在此也适用在它们之间应当布置至少5度、10度或15度的倾角。

在将期望数量的增强层和期望数量的高度加捻的复丝纱组一个在另一个的顶部上铺设之后，增强层的堆叠进入粘结步骤36，在该步骤中，增强层和铺设在其间的高度加捻的复丝纱组彼此缝合，如虚线所示的缝线38，以形成具有多轴构型的粗纱的整体增强件40。此后，多轴增强件40在42处被卷起以交付给客户。

如现有技术图1a中示意性地显示的，在增强层2和4之间使用的用于改进增强件的堆叠在横向方向上树脂的渗透性和从增强层的堆叠之间的空气去除两者的高度加捻的复丝纱6在其两侧上和在增强单向粗纱之间产生小的流动通道10。

如图3a至图3c所示的本发明的增强件的堆叠在灌注阶段起作用，使得灌注树脂将与增强粗纱32’交叉地流过流动通道10’，并且然后在各个增强件粗纱或长丝之间渗透，并且确保快速的树脂流动和良好的浸渍。在灌注期间，前进的树脂将剩余的气泡沿着增强件结构内部的室或腔推动到流动通道，并最终从产品中排出。在刚性上模具在使用中的情况下，如RTM或轻型RTM (尽管很少使用)中，在流动通道的第一端，通过加压树脂的进料和/或通过将真空布置到流动通道的相对端，可以另外促进树脂的前进和空气的去除。由于两组高度加捻的复丝纱彼此横向排列，单丝或复丝可以以所需方向取向，由此可以比现有技术产品更好地控制树脂流动的方向。如果第一组高度加捻的复丝纱的直径不同于第二组高度加捻的复丝纱的直径，则尤其如此。换句话说，树脂流动可以例如根据应用而取向在待制造的产品的最短或最长尺寸的方向上。

图3a至图3c示意性地说明，一方面，彼此横向布置的高度加捻的复丝纱带给增强件的作用，另一方面，高度加捻的复丝纱的不同直径带来的作用。图3a显示沿着第二增强层的粗纱32’和第一组26高度加捻的复丝纱的轴向方向截取的本发明的增强件的横截面，第一增强层的粗纱20’和第二组28高度加捻的复丝纱与第二增强层的粗纱32’和第一组26高度加捻的复丝纱的高度加捻的复丝纱的粗纱两者成直角取向。第二增强层的粗纱32’和第一组26高度加捻的复丝纱两者在灌注阶段中在压缩下显示弯曲。在图3a的实施方案中，两组(26和28)高度加捻的复丝纱具有相同的直径。图3b在所有其它方面都是类似的，但是第一组26’高度加捻的复丝纱的直径现在小于第二组28高度加捻的复丝纱的直径。通过比较示例性的图，容易看出，(第一组26’)较薄的高度加捻的复丝纱弯曲更多，并从而稍微减小了树脂流动通道10’在(第二组28)较厚的高度加捻的复丝纱方向上的横截面流动面积。然而，更重要的是，沿着(第一组26’)较薄的高度加捻的复丝纱的方向的横截面流动面积减少更多，因为第二增强层的弯曲粗纱32’至少几乎能够与第一增强层的弯曲粗纱20’在点X处接触。从而沿着(第一组26’)较薄的高度加捻的复丝纱的方向的树脂流动比沿着(第二组28)较厚的高度加捻的复丝纱的方向的树脂流动受到更多限制。基本上与图3c所示的相同，其中横截面的截取使得第一组26’ 较薄的高度加捻的复丝纱从左侧朝向观察者，而第二组28较厚的高度加捻的复丝纱从右侧朝向观察者。

图4是比较根据在图2中讨论的方法制造的六个双轴增强件的树脂流动或浸湿性质并使用高度加捻的复丝纱作为树脂流动通道产生装置与标准双轴增强件的图。换句话说，所有实施例中的增强层由两个+/-45度单向增强层形成，得到面积重量为600 g/m²的增强件。标准双轴增强件(实施例A)在产品中没有任何流动通道形成装置。在根据本发明的所有实施例(B至G)中，增强层具有两组在其间以0度和90度取向铺设的高度加捻的复丝纱。进行实验以制备七种不同的双轴增强件。在增强件的制造中，使用相同的单向粗纱、相同的缝合纱和相同种类和类型的缝合。唯一的差异在于，以10 mm间距放置(在实施例B至G中)并关于待生产的增强件的行进方向以0度和90度的角度布置在UD粗纱的两个增强层之间的高度加捻的复丝纱组的直径。实验中使用的高度加捻的复丝纱的性质可以在下表中看出。

对于实验，从每个双轴增强件切割80 cm×80 cm的本发明的双轴增强件的片材，使得粗纱与片材的侧面形成+/-45度的角度，并且高度加捻的复丝纱与片材的侧面平行，即在实施例B至G中为0/90度的角度。在每个实验中，将片材放置在下侧包含玻璃片材的测试模具中，使得塑料膜覆盖增强件。用通常的密封物使包装为气密性的。此后使模具经受-0.95巴的真空用于空气去除10分钟，然后在23℃的室温下将粘度为300 mPas的环氧树脂交叉地引入到增强粗纱中。通过记录树脂前进的润湿距离作为时间的函数绘制图。

图4说明树脂已经行进的润湿距离作为时间的函数。在该图中，X轴显示浸渍所用的时间，而Y轴显示树脂能够前进的距离。流动前沿位置通常遵循公知的达西定律，其中该位置与时间的平方根成反比。因此，存在某个最大值，其可以无限接近但从未达到。如果其它参数(如粘度和温度)保持恒定，则渗透性的差异决定了流动前沿的实际距离，即浸湿距离。最下面的曲线A表示根本没有树脂流动通道形成装置的标准双轴增强件。对于树脂，需要在35分钟内前进大约31 cm。曲线B表示双轴增强件，其中高度加捻的复丝纱的直径为0.25 mm，由此在相同的35分钟时间期间树脂前进约56 cm。曲线C表示双轴增强件，其中高度加捻的复丝纱的直径为0.35 mm，由此在35分钟内树脂前进约76 cm。曲线D表示双轴增强件，其中高度加捻的复丝纱的直径为0.45 mm，由此在相同的35分钟内树脂前进约81 cm。曲线E表示双轴增强件，其中高度加捻的复丝纱的直径为0.55 mm，由此对于树脂前进80 cm，其仅花费约20分钟。曲线F表示双轴增强件，其中高度加捻的复丝纱的直径为0.65 mm，由此对于树脂前进80 cm，其仅花费约14分钟。而曲线E表示双轴增强件，其中高度加捻的复丝纱的直径为0.75 mm，由此对于树脂前进80 cm，其仅花费约7分钟。例如，如在图4中可见，通过将高度加捻的复丝纱的直径从实施例C的0.35 mm约加倍到实施例F的0.65或实施例G的0.75，将润湿时间从约38分钟减少到14分钟或7分钟。换句话说，当高度加捻的复丝纱的直径减小到一半时，实际上，润湿速度平均看来是四倍。进行的实验还显示，如果需要长浸渍距离，则与现有技术的增强件相比，使用根据本发明的相对厚的高度加捻的复丝纱将润湿时间减少至约四分之一。当与实施例A相比时，直径为0.55时在约4分钟内，直径为0.65时在约3分钟内，而直径为0.75 mm时在约2分钟内，可达到33 cm的浸湿距离。在一定时间段内增加浸湿距离的另一种方式是将相邻的高度加捻的复丝纱之间的距离例如减小到5 mm。

上述实验清楚地显示了具有两个横向或不平行方向的流动通道的新型设计带来的巨大优点。并且如以上讨论的，不仅“高速”灌注的问题显著提高了生产速度，而且从增强件的堆叠中非常有效的气体去除的问题确保了没有干燥或半浸渍区域的无空隙的层压材料，以及层压材料比用于相同目的的现有技术层压材料具有更好的强度和疲劳性质的问题。

本发明的多轴增强件可以与所有种类的灌注方法一起使用，包括但不限于真空灌注、轻质RTM或RTM方法。树脂浸渍是关键的或以其它方式通过紧密布置的纤维或其它材料而延迟的其它层压情况存在于层压结构中，例如夹层材料、阻燃材料、填料、颜料等，其中树脂粘度可能极高，可以通过本发明的增强件来改进。

本发明的多轴增强件可以用于制造预成型件或最终产品(即层压材料，例如风力涡轮机叶片、船、运动设备、储罐、公共汽车、拖车、火车和卡车面板等)两者。通过将增强层一个在另一个之上地铺设，使得其轴向方向形成角度(对于双轴增强件，优选地但不是必须地+/-45度，+/-60度或0/90度)，通过将高度加捻的复丝纱在增强层之间的至少两个横向方向上定位，使得高度加捻的复丝纱的方向不平行于最接近的增强层的粗纱的轴向尺寸，通过缝合多轴增强件，并且最后通过使用合适的粘结剂将增强件粘合在一起以形成预成型件，可以由至少两个本身单向的增强层制造预成型件。

以类似的方式，可以由本发明的多轴增强件或以上讨论的预成型件制造层压材料。在制造层压材料的方法中，至少两个多轴增强件或预成型件在模具中一个在另一个之上铺设，盖位于多轴增强件上，模具闭合，并且提供压差以从模具中排出空气并且用树脂浸渍多轴增强件。

本发明的多轴增强件也可以与夹层类型层压材料的制造结合使用。夹层类型层压材料由至少一个外层形成，该外层布置在厚度层或芯层的面上。然而，通常这样的层压材料具有布置在芯层或厚度层的两个相对面上的两个外层。一个或多个外层各自由任选地与一个或多个其它增强层结合布置的一个或多个本发明的多轴增强件形成。优选地，但不是必须地，本发明的多轴增强件用作灌注介质，其将树脂引入到增强件的整个区域以被吸收到任选的其它增强层。这样的夹层类型层压材料可以用于公共汽车、卡车、拖车或船面板。在这样的层压材料中，与一个外层结合或在外层之间布置的厚度层或芯层可以由PVC、PE泡沫和轻木中的至少一种形成。本发明的多轴增强件也可以用于需要多于两个增强层的结构中，例如公共汽车或拖车的地板或船的底部。

在层压结构中可以发现另一种任选的用途，以代替现有技术稀松布的使用。稀松布是开放的网络结构，其位于模具中的增强件的堆叠的一侧或两侧(顶部或底部)上。稀松布的目标是允许树脂被快速地引入增强件的整个表面上，从该处假定树脂灌注遍及增强件的堆叠。然而，稀松布的使用具有许多缺点。首先，在树脂固化之前，必须将稀松布从模具中去除，这意味着例如人工劳动。其次，由于树脂在稀松布中固化，一旦用过的稀松布不能再次使用。并且第三，相当大量的树脂粘附到稀松布上，并且也被浪费。现在，通过将本发明的双轴增强件放置在其它增强件的层之间，其作为稀松布工作，即，像稀松布那样将树脂散布在整个增强件上，但是没有稀松布的任何一个弱点，因为其形成可以保留在增强件中的增强层中的一种。唯一的折衷可能是稍微增加的重量。

除了所附权利要求之外，本发明还涵盖以下方面。

根据本发明的一个方面，每组高度加捻的复丝纱彼此以2-50 mm的间距布置。

根据本发明的另一方面，高度加捻的复丝纱6的纵横比小于2，优选小于1.5。

根据本发明的另一方面，增强层20、32的粗纱20’、32’是人造或天然纤维，即，纤维，如玻璃、碳、芳族聚酰胺、玄武岩、亚麻(flax)、大麻、黄麻、亚麻(linen)。

根据本发明的另一方面，高度加捻的复丝纱由聚酯(例如PET和PBT)、聚酰胺(PA)、共聚酰胺或共聚酯(共PET)长丝制成，通常为模量小于10 GPa的人造或天然聚合物。

根据本发明的另一方面，第一和第二组26、26’、28高度加捻的复丝纱形成树脂到其高度加捻的复丝纱侧面的流动通道10’，并从而当用树脂润湿增强件38的堆叠时，促进树脂在横向于单向粗纱20’、32’方向的方向上流动。

根据本发明的另一方面，非增强纱的模量小于20 GPa，优选小于10 GPa，更优选与所用树脂的模量基本相同。

根据本发明的另一方面，高度加捻的复丝纱的复丝以至少100捻/米加捻，优选超过150 TPM，更优选超过200 TPM。

显然，本发明不限于以上提及的实施例，而是可以在本发明思想的范围内以许多其它不同的实施方案来实现。还清楚的是，只要可行，上述每个实施方案中的特征可以与其他实施方案结合使用。

Claims (18)

1.用于通过树脂传递模塑方法和真空灌注模塑方法中的一种制造纤维增强的复合材料的缝合的多轴增强件，所述缝合的多轴增强件(38)至少包含

●具有第一轴向方向的连续单向粗纱(20’)的第一增强层(20)，

●具有第二轴向方向的连续单向粗纱(32’)的第二增强层(32)，以及

●第一组(26)高度加捻的复丝，其由通过捻合至少100捻/米的长丝而粘合在一起或涂布有胶料的长丝束形成；

●所述第一轴向方向和所述第二轴向方向之间留有角度；

其特征在于

●所述第一组(26)粘合复丝由以不同于所述第一轴向方向的角度位于所述第一增强层(20)上的高度加捻的复丝纱形成，

●第二组(28)高度加捻的复丝纱在横向于所述第一组(26)高度加捻的复丝纱的第一方向的第二方向上布置在所述第一增强层(20)和所述第二增强层(32)之间，

●所述高度加捻的复丝纱是模量小于10GPa的非增强纱，以及

●所述第一增强层(20)和所述第二增强层(32)以及所述第一组(26)和所述第二组(28)高度加捻的复丝纱通过缝合(36)彼此粘合以形成缝合的增强件，

●由此所述高度加捻的复丝纱在其侧面形成树脂流动通道。

2.如权利要求1所述的缝合的多轴增强件，其特征在于所述第二组(28)高度加捻的复丝纱在与所述第一组(26)高度加捻的复丝纱相同的方向上布置在所述第一增强层(20)和所述第二增强层(32)之间。

3.如权利要求1或2所述的缝合的多轴增强件，其特征在于所述第一组(26)和所述第二组(28)高度加捻的复丝纱布置在所述第一增强层(20)和所述第二增强层(32)之间。

4.如权利要求1或2所述的缝合的多轴增强件，其特征在于所述缝合的增强件包含布置在彼此顶部的所述第一增强层和所述第二增强层以及在所述增强层的外表面上的所述高度加捻的复丝纱组。

5.如权利要求1或2所述的缝合的多轴增强件，其特征在于所述缝合的增强件在与所述增强件的平面成直角的方向上包含第一组高度加捻的复丝纱、第一增强层、第二组高度加捻的复丝纱和第二增强层。

6.如权利要求1所述的缝合的多轴增强件，其特征在于所述第一组(26)高度加捻的复丝纱和所述第二组(28)高度加捻的复丝纱横向于形成最接近的增强层(20，32)的所述增强粗纱的所述轴向方向。

7.如权利要求1所述的缝合的多轴增强件，其特征在于所述第一组(26)高度加捻的复丝纱和所述第二组(28)高度加捻的复丝纱与形成更远的增强层(20，32)的所述增强粗纱的轴向方向平行。

8.如权利要求1所述的缝合的多轴增强件，其特征在于所述第二组(28)高度加捻的复丝纱从所述缝合的多轴增强件(38)的一个边缘延伸到其相对边缘。

9.如权利要求1所述的缝合的多轴增强件，其特征在于所述第一组(26)和所述第二组(28)高度加捻的复丝纱与所述第一轴向方向和所述第二轴向方向成5度或更大的角度布置。

10.如权利要求1所述的缝合的多轴增强件，其特征在于所述第一方向和所述第二方向彼此成5度或更大的角度布置。

11.如权利要求1所述的缝合的多轴增强件，其特征在于所述高度加捻的复丝纱(6)的直径为50-2000μm。

12.如权利要求11所述的缝合的多轴增强件，其特征在于所述高度加捻的复丝纱(6)的直径在100-1000μm之间。

13.如权利要求12所述的缝合的多轴增强件，其特征在于所述高度加捻的复丝纱(6)的直径在150-900μm之间。

14.如权利要求1所述的缝合的多轴增强件，其特征在于所述高度加捻的复丝纱组中的一组(26’)的直径与另一组(28)高度加捻的复丝纱不同。

15.如权利要求14所述的缝合的多轴增强件，其特征在于所述高度加捻的复丝纱组中的一组(26’)的直径在50-1000μm之间变化。

16.如权利要求15所述的缝合的多轴增强件，其特征在于所述高度加捻的复丝纱组中的一组(26’)的直径在150-900μm之间变化。

17.如权利要求16所述的缝合的多轴增强件，其特征在于所述高度加捻的复丝纱组中的一组(26’)的直径在200-800μm之间变化。

18.如权利要求1所述的缝合的多轴增强件，其特征在于所述多轴增强件(38)具有顶表面和底表面，并且第三组高度加捻的复丝纱布置在所述多轴增强件(38)的所述顶表面和所述底表面中的至少一个上。