纖維增強(qiáng)復(fù)合物、部件和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及纖維增強(qiáng)復(fù)合物、部件和方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)代風(fēng)力渦輪的轉(zhuǎn)子葉片通過(guò)將纖維增強(qiáng)復(fù)合物結(jié)合諸如輕木或塑料泡沫的芯 部構(gòu)件而構(gòu)造成。
[0003] 例如,EP 2 123 431 A1描述了一種使用真空輔助樹(shù)脂傳遞模塑(VARTM)工藝來(lái)制 造轉(zhuǎn)子葉片的方法。在該制造工藝的第一步驟中,纖維材料被分別鋪設(shè)在模具的上部部分 和下部部分上。纖維材料通過(guò)從下面施加的真空被緊固就位。然后,模具芯部被覆蓋在真空 袋中并且與腹板(也公知為剪切腹板)一起被設(shè)置在模具的下部部分中。接下來(lái),模具的上 部部分以及纖維材料繞其縱向軸線被轉(zhuǎn)動(dòng)180度并且被設(shè)置到位,使得該模具被關(guān)閉。在 另一步驟中,真空被施加在模具芯部與模具之間的空間中。然后,注入樹(shù)脂。當(dāng)樹(shù)脂已經(jīng)固 化時(shí),模具被打開(kāi)并且固化葉片從模具被移除。
[0004] 由于纖維材料具有比固化樹(shù)脂要高得多的剛度,因此旨在獲得最高可能的纖維含 量。樹(shù)脂的典型E模量是3 GPa并且玻璃纖維材料的典型E模量是75 GPa或更大。碳纖 維的E模量例如可以是240 GPa。
[0005] 公知的是,單向(UD)疊層對(duì)于橫向負(fù)載具有較低的對(duì)抗性能。這可能歸因于當(dāng)應(yīng) 力方向是垂直于纖維表面時(shí)樹(shù)脂與纖維材料之間的界面處的結(jié)合失效。
[0006] 為了改善對(duì)于單向疊層的橫向負(fù)載的對(duì)抗性能(在最終使用中或在處理或運(yùn)輸期 間),已知的是將所述單向疊層用橫向穩(wěn)定纖維來(lái)增強(qiáng)。當(dāng)單向疊層沿其主要方向(對(duì)應(yīng)于 纖維的長(zhǎng)度方向)被加載時(shí),該橫向穩(wěn)定纖維垂直于其長(zhǎng)度軸線被加載。
[0007] 已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了,由在樹(shù)脂與橫向穩(wěn)定纖維之間的界面處的結(jié)合失效而定期地形成這 類疊層中的疲勞損壞。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0008] 本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供一種改進(jìn)的纖維增強(qiáng)復(fù)合物。另一目的在于提供用于 風(fēng)力渦輪的改進(jìn)部件。進(jìn)一步來(lái)說(shuō),目的還在于提供用于制造風(fēng)力渦輪的部件的改進(jìn)方法。
[0009] 因此,提供一種用于制造風(fēng)力渦輪的部件的纖維增強(qiáng)復(fù)合物。該纖維增強(qiáng)復(fù)合物 包括:多個(gè)第一纖維,所述第一纖維被設(shè)置成單向或雙軸構(gòu)造;多個(gè)第二纖維,所述第二纖 維相對(duì)于所述第一纖維的長(zhǎng)度方向垂直地設(shè)置;以及浸漬所述第一和第二纖維的樹(shù)脂,其 中,所述樹(shù)脂的E模量等于所述第二纖維的E模量。
[0010] 由于樹(shù)脂的E模量與第二纖維的E模量相等,因此避免了疲勞裂縫的早期形成。 其原因之一在于,由于樹(shù)脂和第二纖維具有相同的E模量,減少了在第二纖維的表面上的 應(yīng)力梯度。另一原因可能歸因于泊松效應(yīng):當(dāng)?shù)谝焕w維和樹(shù)脂沿主要方向(長(zhǎng)度方向)伸展 時(shí),由于泊松效應(yīng)而發(fā)生樹(shù)脂材料的收縮?,F(xiàn)在具有與樹(shù)脂相等的E模量的橫向第二纖維 會(huì)允許第二纖維以與樹(shù)脂相同的速率來(lái)收縮。因此,避免了在第二纖維與樹(shù)脂之間的界面 處的應(yīng)力。
[0011] 樹(shù)脂的E模量等于第二纖維的E模量意味著,E模量是相等的或大致相等的。"大 致相等"要被解釋為:針對(duì)第一纖維,在玻璃纖維的情況下典型地具有70 GPa (或更大)的 非常大的E模量,或者在碳纖維的情況下具有240 GPa (或更大)的E模量。因此,即便第 二纖維的E模量(其是樹(shù)脂的E模量的多倍(反之亦然))可能仍然是小的,并且當(dāng)考慮第一 纖維的高E模量時(shí)等于樹(shù)脂的E模量:例如,第二纖維的E模量可以是樹(shù)脂的E模量的高達(dá) 5倍、優(yōu)選地3倍、甚至更優(yōu)選地2倍、以及甚至更優(yōu)選地1. 5倍。在替代性實(shí)施例中,樹(shù)脂 的E模量可以是第二纖維的E模量的高達(dá)5倍、優(yōu)選地3倍、甚至更優(yōu)選地2倍、以及甚至 更優(yōu)選地1.5倍。根據(jù)實(shí)施例,第一纖維的E模量大于60 GPa、優(yōu)選地大于100 GPa、甚至 更優(yōu)選地大于200 GPa。
[0012] "單向"意味著,所有的第一纖維都沿單個(gè)方向(在本文稱為長(zhǎng)度方向)延伸。"雙 軸"意味著,所述第一纖維相對(duì)于本文稱為"長(zhǎng)度方向"的方向以+45°和-45°的角度設(shè) 置。
[0013]第二纖維相對(duì)于第一纖維的長(zhǎng)度方向"垂直地"設(shè)置意味著,相應(yīng)第二纖維與相應(yīng) 第一纖維之間的角度在90° ± 45°的范圍內(nèi)、優(yōu)選地在90° ± 20°的范圍內(nèi)、甚至更 優(yōu)選地在90° ± 5°的范圍內(nèi)。
[0014]可被用于浸漬第一和第二纖維的樹(shù)脂的示例是環(huán)氧樹(shù)脂、聚酯、乙烯基酯或任何 其他合適熱塑性或硬質(zhì)塑性材料。
[0015]相對(duì)于"第二纖維"而言的術(shù)語(yǔ)"纖維"要以廣義的意義來(lái)理解,并且包括纖維、紗 線、纖維細(xì)絲、(例如,粘結(jié)劑)的串珠、帶子、條帶、條子等。優(yōu)選地,相應(yīng)第二纖維的直徑小 于相應(yīng)第一纖維的直徑。
[0016]根據(jù)實(shí)施例,樹(shù)脂和第二纖維的E模量小于第一纖維的E模量。
[0017]優(yōu)選地,第一纖維的E模量比樹(shù)脂或第二纖維的E模量要大得多,如上文所述的。[0018]根據(jù)另一實(shí)施例,第二纖維由熱塑性材料和/或樹(shù)脂制成。這些材料典型地具有 與浸漬第一和第二纖維的樹(shù)脂的E模量相等的E模量。
[0019]根據(jù)另一實(shí)施例,第二纖維由環(huán)氧樹(shù)脂、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET/PETP)或聚 酯制成。
[0020] 環(huán)氧樹(shù)脂以及PETP、PET或聚酯具有在2-4 GPa、優(yōu)選地在2. 5-3. 5 GPa的范圍 內(nèi)的E模量,且因此十分適合于旨在應(yīng)用。
[0021] 此外,第二纖維可以由腈綸、聚碳酸酯、聚亞酰胺、ABS或聚丙烯制成。
[0022] 這些材料可具有范圍在1 - 4 GPa、優(yōu)選地在1. 5 - 2 GPa的范圍內(nèi)的E模量。
[0023]第二纖維還可包括上述材料的組合。
[0024]根據(jù)另一實(shí)施例,第二纖維均包括多個(gè)細(xì)絲。
[0025]所述細(xì)絲被組合以形成剛性紗線。細(xì)絲例如可以由熱塑性材料制成。
[0026]根據(jù)另一實(shí)施例,每個(gè)細(xì)絲具有在2 -20Mm的范圍內(nèi)的直徑。
[0027]根據(jù)另一實(shí)施例,第二纖維均形成為單個(gè)纖維。
[0028]換言之,相應(yīng)單個(gè)細(xì)絲由單個(gè)連接的材料件制成。單個(gè)纖維可由例如熱塑性材料 制成。
[0029]根據(jù)另一實(shí)施例,相應(yīng)單個(gè)纖維的直徑在50 -500 Mm的范圍內(nèi)。
[0030] 根據(jù)另一實(shí)施例,單個(gè)纖維例如可由熱固性樹(shù)脂制成。
[0031] 根據(jù)另一實(shí)施例,第二纖維和樹(shù)脂的E模量在1-6 GPa的范圍內(nèi)。優(yōu)選地,E模量 在2 - 4 GPa、甚至更優(yōu)選地在2. 5- 3.5 GPa的范圍內(nèi)。
[0032] 根據(jù)另一實(shí)施例,第二纖維經(jīng)由縫合紗線被附接到第一纖維。例如,可使用由PET 制造的縫合紗線。
[0033] 根據(jù)另一實(shí)施例,第二纖維可用耦合劑來(lái)處理。耦合劑改進(jìn)在第二纖維與樹(shù)脂之 間的界面處的機(jī)械連接。
[0034]此外,提供用于風(fēng)力渦輪的部件、尤其是轉(zhuǎn)子葉片。該部件包括如上所述的纖維增 強(qiáng)復(fù)合物。
[0035]此外,提供一種用于制造風(fēng)力渦輪的部件、尤其是上述部件的方法。該方法包括以 下步驟:a)提供包括多個(gè)第一纖維和多個(gè)第二纖維的纖維材料,所述第一纖維被設(shè)置成單 向或雙軸構(gòu)造,所述第二纖維相對(duì)于所述第一纖維的長(zhǎng)度方向垂直地設(shè)置;b)將所述纖維 材料鋪設(shè)到模具表面上;以及c)固化浸漬所述第一和第二纖維的樹(shù)脂以形成所述部件。
[0036] 包括第一和第二纖維的纖維材料可以預(yù)浸狀態(tài)(所謂的預(yù)浸材料)或以未浸漬狀 態(tài)被供應(yīng)。在后者的情況下,纖維材料在步驟c)之前用樹(shù)脂來(lái)浸漬。例如,樹(shù)脂可以在樹(shù) 脂傳遞模塑(RTM)或真空輔助樹(shù)脂傳遞模塑(VARTM)工藝中被注入到纖維材料中。例如在 VARTM工藝中,纖維材料被覆蓋在真空袋中。在另一步驟中,真空被施加到真空袋與模具表 面之間的區(qū)域中。然后,樹(shù)脂被注入到所述區(qū)域中。在樹(shù)脂已經(jīng)凝固或已經(jīng)固化(通常通過(guò) 添加外部熱量)之后,真空袋和/或模具被移除并且獲得最終部件,例如轉(zhuǎn)子葉片。當(dāng)然,當(dāng) 使用預(yù)浸材料時(shí),不需要用樹(shù)脂來(lái)注入纖維材料。
[0037] 通常,模具可以是打開(kāi)或關(guān)閉模具。例如,模具可包括一個(gè)或多個(gè)部分,尤其是下 部部分和上部部分。
[0038] "固化"或"凝固"是指所述樹(shù)脂被硬化和/或交聯(lián)至其中用樹(shù)脂浸漬的纖維材料 的形狀將不再會(huì)改變或不再會(huì)顯著地改變的程度。
[0039] 〃a) 〃、〃b) 〃和〃c) 〃不隱含方法步驟的固定順序。而是,步驟a) -c)可按照本領(lǐng) 域技術(shù)人員認(rèn)為合適的不同順序來(lái)實(shí)施。
[0040]如本文所使用的,"敷層"是指纖維材料的一層或多層。
[0041] "風(fēng)力渦輪"目前指代將風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)能量的設(shè)備,該旋轉(zhuǎn)能量可通過(guò)該設(shè) 備再次被轉(zhuǎn)換為電能。
[0042] 本發(fā)明的進(jìn)一步可能的實(shí)施方式或替代性方案還包括針對(duì)所述實(shí)施例在上文或 下文描述的特征的組合,這種組合在本文未被明確地提出。本領(lǐng)域技術(shù)人員還可將單個(gè)或 孤立的方面和特征添加到本發(fā)明的最基本形式。
【附圖說(shuō)明】
[0043]本發(fā)明的進(jìn)一步目的、特征和優(yōu)勢(shì)從后述說(shuō)明和所附權(quán)利要求書(shū)結(jié)合附圖將顯而 易見(jiàn),在附圖中: 圖1是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的風(fēng)力渦輪的透視圖; 圖2A示出了根據(jù)實(shí)施例的纖維增強(qiáng)復(fù)合物的俯視圖; 圖2B示出了根據(jù)實(shí)施例的圖2A的放大圖; 圖