用于制造復(fù)合材料的預(yù)浸料坯的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及用于制造纖維增強復(fù)合材料的預(yù)浸料巧，W及制造該預(yù)浸料巧的方 法。本發(fā)明還設(shè)及該預(yù)浸料巧在制造纖維增強復(fù)合材料中的用途。
【背景技術(shù)】
[0002] 多年來，在纖維增強復(fù)合材料領(lǐng)域，人們已經(jīng)知道要提供包含浸潰有結(jié)構(gòu)聚合物 樹脂（struc化ral polymer resin)的纖維增強物層的預(yù)浸料巧。結(jié)構(gòu)聚合物樹脂的量要與 纖維增強物的量仔細匹配。因此，預(yù)浸料巧可用于形成纖維增強復(fù)合材料的方法中，該方法 中，提供了具有所期望形狀和構(gòu)造(configuration)的預(yù)浸料巧的多層層疊件（stack),然 后將所述多層層疊件加熱，從而使結(jié)構(gòu)聚合物樹脂烙融，再固化W形成單個均一的樹脂基 體，其中纖維增強物按照所期望的纖維取向配置。層疊件中的樹脂的量足W由具有所期望 機械性能的預(yù)浸料巧的層疊件制成纖維增強結(jié)構(gòu)制品。通常，結(jié)構(gòu)聚合物樹脂為熱固性樹 月旨(最常見為環(huán)氧樹脂），其固化W形成固態(tài)樹脂基體。所述纖維可W選自各種材料，最常見 的包括玻璃纖維或碳纖維。
[0003] 眾所周知的是，提供結(jié)構(gòu)聚合物樹脂完全浸潰到纖維增強物層中的預(yù)浸料巧。運 為預(yù)浸料巧的外主表面提供了樹脂表面，使得纖維在整個預(yù)浸料巧樹脂內(nèi)實質(zhì)上均勻分 布，運樣纖維均勻嵌入在樹脂內(nèi)，從而將初始樹脂層內(nèi)無意間存在的空隙最小化。其優(yōu)點在 于，樹脂表面可W稍微具有粘著性，運樣通過粘著性樹脂表面將預(yù)浸料巧粘附在相鄰表面 上，結(jié)果有助于通過將預(yù)浸料巧支撐在所期望的位置處來將預(yù)浸料巧鋪設(shè)(lay up)到模具 中。另外，纖維增強物的完全浸潰避免了對于結(jié)構(gòu)聚合物樹脂在固化階段顯著流動的需求， 并且確保了纖維在固化階段期間均勻地浸濕。
[0004] 但是，完全浸潰的預(yù)浸料巧的一個突出問題在于，在形成運種預(yù)浸料巧的層疊件 時，空氣會截留（trap)在相鄰的預(yù)浸料巧層之間，從而導(dǎo)致在最終固化后的、纖維增強復(fù)合 材料的樹脂基材中，會存在層間空隙（inter-ply voids)。運些空隙的存在顯著降低了復(fù)合 材料的機械性能。在預(yù)浸料巧鋪設(shè)階段（lay-up process)，當(dāng)完全浸潰的預(yù)浸料巧層逐漸 堆積(built up) W形成其多層層疊件時，空氣會截留在相鄰預(yù)浸料巧層之間。相鄰預(yù)浸料 巧層的樹脂表面的粘著性（tackiness)增加了空氣在預(yù)浸料巧界面處截留在層間的可能 性。
[0005] 此外，為了提供具有低粘著性的此類完全浸潰的預(yù)浸料巧，基體樹脂的粘度影響 了預(yù)浸料巧的鋪覆性，即，預(yù)浸料巧適應(yīng)模具表面Ξ維形狀的能力。通常，鋪覆性更高的樹 脂具有更高的表面粘著性。在本領(lǐng)域中對具有低粘著性和高鋪覆性的組合的預(yù)浸料巧存在 需求。
[0006] 有不同厚度、形狀和體積、W及所需機械性能的產(chǎn)品。復(fù)合材料的一個特殊用途在 于制造細長的翼梁(spar)或橫梁(beam)形式的結(jié)構(gòu)元件，所述結(jié)構(gòu)元件要求展現(xiàn)出高的機 械勁度（stiffness)和壓縮強度。本領(lǐng)域已知，"翼梁蓋（sparcap)"為包含在特定鋪設(shè)件 (layup)中的、細長的翼梁層壓物，用于制造風(fēng)力滿輪機葉片。翼梁蓋是細長的外部覆蓋層 壓物層，位于中央結(jié)構(gòu)元件相對的兩面上，從而形成類似于"Γ形橫梁構(gòu)造的、具有增強的 機械強度的細長橫梁。對于運類翼梁或橫梁而言，為了將機械勁度和壓縮強度最大化，期望 提供主要沿著細長的翼梁或橫梁的方向取向的纖維，尤其是單向纖維（unidirectional fibre)。
[0007] 相反，為了提供具有板狀構(gòu)造或者具有扭轉(zhuǎn)強度的復(fù)合材料，提供雙軸取向 (biaxially oriented)的纖維是合乎需要的。
[0008] 在風(fēng)能翼梁部分和潮軟翼梁部分中形成主要結(jié)構(gòu)增強物的典型細長構(gòu)件長15m-70m，厚lOmm-lOOmm。其主要由單向纖維制成，W產(chǎn)生縱向強度和勁度。根據(jù)設(shè)計，典型的翼 梁蓋部分可含有85%~100%的單向纖維，所述單向纖維具有一些離軸(off axis)的材料， W提供剪切力傳遞、扭轉(zhuǎn)勁度和翼梁蓋彎曲穩(wěn)定性。通常，厚度和/或?qū)挾瓤裳刂砹旱拈L 度而改變，W匹配所需的設(shè)計勁度和應(yīng)力。也可在任何給定的截面中改變厚度，從而向抗剪 腹板(shear web)提供合適的幾何形狀和負載轉(zhuǎn)移。除了改變厚度W外，翼梁蓋的幾何形狀 可在一個或多個方向具有曲率，W匹配所期望的空氣動力學(xué)輪廓，并有利地利用曲率減少 翼梁蓋在負載下彎曲的趨勢。
[0009] 隨著幾何形狀和厚度不斷變化，層壓物通常由纖維增強物的片層(ply)制成，從而 在設(shè)計過程中得到模具沉積速率、材料成本和幾何靈活性之間的經(jīng)濟平衡。通常使用單位 面積織物重量為500-2400gsm的玻璃增強纖維織物或預(yù)浸料巧，或者單位面積重量為100-900gsm的碳增強纖維織物或預(yù)浸料巧。可將運些片層或?qū)宇A(yù)先切成幾何形狀，或W卷的形 式使用。隨著曲率改變，通常需要進行一些剪切，W適應(yīng)在纖維增強物的片材或卷中相鄰纖 維之間的長度變化。給定纖維增強物的寬度和厚度通常限于在不會顯著地發(fā)生纖維彎曲或 引起纖維波紋的情況下，將材料鋪覆為模具形狀。
[0010] 相比于縫制材料、多軸向材料和編織材料而言，多層單向纖維可有效地嵌套并封 裝，僅剩余有限的自由體積空間，從而減少對空氣和樹脂的滲透性。碳纖維直徑(7微米)通 常小于玻璃纖維（17-24微米），由于它們本質(zhì)上更難W透過空氣和樹脂，因此更難W可靠地 對此類碳纖維疊層進行加工。
[0011] 在VARTM(真空輔助樹脂傳遞模塑)方法中，將干燥纖維鋪設(shè)至模具中，然后W低成 本的低粘度液態(tài)樹脂浸潰。所述纖維通常是預(yù)縫制的和/或使用熱塑性粘合劑穩(wěn)定化，使得 可對纖維進行操作使其進入模具，并在纖維之間提供受控間距W形成間隙，從而促進樹脂 流動。運使得同時在翼梁中增加了未增強樹脂材料的面積和附加的重量。纖維支承結(jié)構(gòu)引 起纖維波紋，降低了最終(尤其是在受壓下）的承載能力。該方法已成功地用于生產(chǎn)當(dāng)代玻 璃纖維風(fēng)力滿輪機，其中，該設(shè)計通常受限于勁度，并且層壓物無需最高的壓縮強度。對于 更大的葉片和新一代空氣動力學(xué)效率更高的滿輪機(其中翼梁蓋間距減少），需要更高的材 料性能，從而得到空氣動力學(xué)效率得W改進的更薄的葉片部分。此時，需要更高性能的玻璃 纖維或碳纖維層壓物。
[0012] 由于增強物的低滲透性，碳纖維的較厚部分已證實難W使用VARTM法可靠地進行 灌注。在碳翼梁設(shè)計中，抗壓強度成為關(guān)鍵的設(shè)計驅(qū)動力?？赏ㄟ^使用改進材料特性的預(yù)浸 料巧材料來實現(xiàn)經(jīng)濟上的節(jié)約，所述預(yù)浸料巧材料允許使用純的準直纖維（collimated fibre)。
[0013] 在預(yù)浸料巧生產(chǎn)和鋪設(shè)過程中，更高粘度的半固體預(yù)浸料巧樹脂則W準直的形式 保持纖維更直，從而使得層壓物具有更少的固有纖維波紋和更高的抗壓強度。另外，可w選 擇更高分子量的材料和增初添加劑來配制預(yù)浸料巧樹脂，使其同時具有高的樹脂模量和良 好的初性/強度平衡，從而進一步提高壓縮性能和抗疲勞性。
[0014] 為了進一步使強度最大化，期望在厚的、細長的翼梁蓋部分中除去任何層內(nèi)和層 間的空隙缺陷。傳統(tǒng)上運是在航天工業(yè)中完成的，使用高壓力的高壓蓋對來自材料中的任 何截留空氣和揮發(fā)物進行壓縮。隨后開發(fā)了許多僅在真空下使用的高壓蓋外（out-of autoclave)預(yù)浸料巧技術(shù)，應(yīng)用于對于生產(chǎn)大的部件(如風(fēng)力滿輪機和潮軟翼梁)而言使用 高壓蓋的成本變得無法接受的情況。
[0015] 由于纖維自身橋接而形成了天然的空氣通道，因此在含有纖維取向混合物的層壓 物中，運些使用部分浸潰或干燥纖維層的現(xiàn)有高壓蓋外材料提供了良好的結(jié)果。當(dāng)用主要 為單向的材料建造大而厚的層壓物時，運些材料不能提供下述層壓物:具有非常低的空隙 水平、高水平的纖維對齊、W及對于高工作溫度條件和低工作溫度條件兩者同時具有耐受 性。
[0016] 為了改善生產(chǎn)運些較高負載的滿輪部分的經(jīng)濟性，期望提供一種可鋪覆的預(yù)浸料 巧材料，所述材料適合于在更廣泛的環(huán)境溫度條件下直接鋪設(shè)或離線預(yù)成形的纖維增強復(fù) 合材料，該纖維增強復(fù)合材料可使用高壓蓋外的真空加工方法進行固化，從而使得纖維增 強層壓物良好地對齊，同時具有低的層內(nèi)和層間空隙缺陷。
[0017] 對于具有高鋪覆性的、浸潰的預(yù)浸料巧，樹脂應(yīng)具有低粘度和低儲能模量，從而使 得鋪覆剪切適應(yīng)于使粘滯的樹脂流動、而預(yù)浸料巧不趨于彈回至其初始位置。
[0018] 已知的是用具有低粘著性、高粘度和高儲能模量的樹脂提供預(yù)浸料巧。當(dāng)此類預(yù) 浸料巧的層壓層疊件成型、并經(jīng)真空壓實(de-bulking)步驟除去空氣時，樹脂保持一定程 度的表面紋理，W提供空氣排氣路徑，消除在壓實循環(huán)期間截留的空氣。在模制期間，樹脂 隨后流動并產(chǎn)生均一的材料。
[0019] 當(dāng)不需要顯著的曲率時，運一具有高粘度樹脂的材料非常適合于生產(chǎn)厚的層壓制 件。為了鋪覆該產(chǎn)品，需要一定程度的加熱W軟化樹脂。加熱降低了樹脂的粘度，但隨后樹 脂變得容易流動，會失去空氣通道。運種流動可發(fā)生于施加真空之前，特別是在層壓階段樹 脂的某些預(yù)流動之前，所述預(yù)流動往往來自壓力和接觸點的變化(導(dǎo)致空氣區(qū)域封閉）。施 加真空可使得較軟的樹脂能夠流動，并在空氣有足夠的時間被抽出層壓物疊層之前關(guān)閉剩 余的通道，從而降低了層壓物的透過性。
[0020] 隨后，在進行固化之前，較低粘度的預(yù)浸料巧會對操作和任何壓實均變得非常敏 感。如果開始并中止真空循環(huán)，所述材料會固結(jié)并且會失去任何表面紋理排氣途徑。運通常 在外周邊緣附近更為明顯，根據(jù)真空套袋(vacuume bagging)細節(jié)可發(fā)現(xiàn)所述外周邊緣具 有更大的力。除去真空后，空氣可慢慢滲回材料之間，但由于較軟預(yù)浸料巧樹脂先前的粘滯 流動，在再次及隨后多次重新施加真空后，目前已壓實的層壓物層疊件的空氣透過性要低 得多。
[0021] 同樣，如果需要鋪覆性和透氣性，可減小工藝窗口（process window)，使得需要精 確地控制車間的溫度環(huán)境，顯著增加了制造工藝的成本。
[0022] 在克服不希望形成層間空隙的嘗試中，新近已經(jīng)提出了提供只是部分浸潰有結(jié)構(gòu) 聚合物樹脂的預(yù)浸料巧，從而在預(yù)浸料巧的一個或兩個主表面上存在干燥纖維增強物層。 本申請人生產(chǎn)出了運種已知的部分浸潰預(yù)浸料巧或半浸料巧(semipreg)，并且W注冊商標 SP民INT?進行銷售。
[0023] 另外，在預(yù)浸料巧的真空固結(jié)期間，在將運些部分浸潰的預(yù)浸料巧在多層層疊件 中組裝在一起W形成結(jié)構(gòu)件時，預(yù)浸料巧的多層層疊件厚度會收縮，即本領(lǐng)域已知的"失樣 (de-lofting)"的現(xiàn)象。由于纖維將容易在壓縮負載作用下更早變形，所W該"失樣"對單向 纖維造成一些面外波紋(out-of plane waviness)，所述面外波紋降低了壓縮機械性能。
[0024] 許多現(xiàn)有的專利申請文件中已經(jīng)解決了除去預(yù)浸料巧層壓物中截留的空氣，從而 降低固化后的纖維增強復(fù)合材料中的空隙含量運一問題。特別是W0-A-2001/000405公開了 部分浸潰的預(yù)浸料巧，其在中屯、具有干燥纖維;EP-A-1128958公開了具有中屯、樹脂層和外 部干燥纖維層的預(yù)浸料巧;EP-A-1379376公開了在具有中屯、樹脂層和外部干燥纖維層的預(yù) 浸料巧中提供非連續(xù)的樹脂層;W0-A-2002/088231公開了在纖維表面提供樹脂膜的帶;EP-A-2268720公開了至少在所述預(yù)浸料巧的表面上提供高粘度的硬質(zhì)樹脂，并與凸起的樹脂 表面結(jié)合，W提供空氣通道;EP-A-1595689公開了部分壓至完全浸潰的預(yù)浸料巧樹脂表面 上的網(wǎng)格布（scrim);EP-A-2254936公開了將樹脂區(qū)域印制到預(yù)浸料;fc丕上；并且W0-A-2012052272公開了在預(yù)浸料巧的表面提供干燥纖維通道，任選地與部分壓入至預(yù)浸料巧樹 脂表面的網(wǎng)格布進行組合。