用于制造復合材料的預浸料坯的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明設及用于制造纖維增強復合材料的預浸料巧，W及制造該預浸料巧的方 法。本發明還設及該預浸料巧在制造纖維增強復合材料中的用途。
【背景技術】
[0002] 多年來，在纖維增強復合材料領域，人們已經知道要提供包含浸潰有結構聚合物 樹脂（struc化ral polymer resin)的纖維增強物層的預浸料巧。結構聚合物樹脂的量要與 纖維增強物的量仔細匹配。因此，預浸料巧可用于形成纖維增強復合材料的方法中，該方法 中，提供了具有所期望形狀和構造(configuration)的預浸料巧的多層層疊件（stack),然 后將所述多層層疊件加熱，從而使結構聚合物樹脂烙融，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 機械性能的預浸料巧的層疊件制成纖維增強結構制品。通常，結構聚合物樹脂為熱固性樹 月旨(最常見為環氧樹脂），其固化W形成固態樹脂基體。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，提供結構聚合物樹脂完全浸潰到纖維增強物層中的預浸料巧。運 為預浸料巧的外主表面提供了樹脂表面，使得纖維在整個預浸料巧樹脂內實質上均勻分 布，運樣纖維均勻嵌入在樹脂內，從而將初始樹脂層內無意間存在的空隙最小化。其優點在 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浸料巧粘附在相鄰表面 上，結果有助于通過將預浸料巧支撐在所期望的位置處來將預浸料巧鋪設(lay up)到模具 中。另外，纖維增強物的完全浸潰避免了對于結構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，完全浸潰的預浸料巧的一個突出問題在于，在形成運種預浸料巧的層疊件 時，空氣會截留（trap)在相鄰的預浸料巧層之間，從而導致在最終固化后的、纖維增強復合 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合 材料的機械性能。在預浸料巧鋪設階段（lay-up process)，當完全浸潰的預浸料巧層逐漸 堆積(built up) W形成其多層層疊件時，空氣會截留在相鄰預浸料巧層之間。相鄰預浸料 巧層的樹脂表面的粘著性（tackiness)增加了空氣在預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浸料巧，基體樹脂的粘度影響 了預浸料巧的鋪覆性，即，預浸料巧適應模具表面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。在本領域中對具有低粘著性和高鋪覆性的組合的預浸料巧存在 需求。
[0006] 有不同厚度、形狀和體積、W及所需機械性能的產品。復合材料的一個特殊用途在 于制造細長的翼梁(spar)或橫梁(beam)形式的結構元件，所述結構元件要求展現出高的機 械勁度（stiffness)和壓縮強度。本領域已知，"翼梁蓋（sparcap)"為包含在特定鋪設件 (layup)中的、細長的翼梁層壓物，用于制造風力滿輪機葉片。翼梁蓋是細長的外部覆蓋層 壓物層，位于中央結構元件相對的兩面上，從而形成類似于"Γ形橫梁構造的、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造或者具有扭轉強度的復合材料，提供雙軸取向 (biaxially oriented)的纖維是合乎需要的。
[0008] 在風能翼梁部分和潮軟翼梁部分中形成主要結構增強物的典型細長構件長15m-70m，厚lOmm-lOOmm。其主要由單向纖維制成，W產生縱向強度和勁度。根據設計，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、扭轉勁度和翼梁蓋彎曲穩定性。通常，厚度和/或寬度可沿著翼梁的長 度而改變，W匹配所需的設計勁度和應力。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浸料巧，或者單位面積重量為100-900gsm的碳增強纖維織物或預浸料巧。可將運些片層或層預先切成幾何形狀，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，將干燥纖維鋪設至模具中，然后W低成 本的低粘度液態樹脂浸潰。所述纖維通常是預縫制的和/或使用熱塑性粘合劑穩定化，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。纖維支承結構引 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當代玻 璃纖維風力滿輪機，其中，該設計通常受限于勁度，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。在碳翼梁設計中，抗壓強度成為關鍵的設計驅動力。可通過使用改進材料特性的預浸 料巧材料來實現經濟上的節約，所述預浸料巧材料允許使用純的準直纖維（collimated fibre)。
[0013] 在預浸料巧生產和鋪設過程中，更高粘度的半固體預浸料巧樹脂則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和層 間的空隙缺陷。傳統上運是在航天工業中完成的，使用高壓力的高壓蓋對來自材料中的任 何截留空氣和揮發物進行壓縮。隨后開發了許多僅在真空下使用的高壓蓋外（out-of autoclave)預浸料巧技術，應用于對于生產大的部件(如風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有高壓蓋外材料提供了良好的結果。當用主要 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] 為了改善生產運些較高負載的滿輪部分的經濟性，期望提供一種可鋪覆的預浸料 巧材料，所述材料適合于在更廣泛的環境溫度條件下直接鋪設或離線預成形的纖維增強復 合材料，該纖維增強復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，同時具有低的層內和層間空隙缺陷。
[0017] 對于具有高鋪覆性的、浸潰的預浸料巧，樹脂應具有低粘度和低儲能模量，從而使 得鋪覆剪切適應于使粘滯的樹脂流動、而預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浸料巧。當此類預 浸料巧的層壓層疊件成型、并經真空壓實(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，消除在壓實循環期間截留的空氣。在模制期間，樹脂 隨后流動并產生均一的材料。
[0019] 當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厚的層壓制 件。為了鋪覆該產品，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。運種流動可發生于施加真空之前，特別是在層壓階段樹 脂的某些預流動之前，所述預流動往往來自壓力和接觸點的變化(導致空氣區域封閉）。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，所述材料會固結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，根據真空套袋(vacuume bagging)細節可發現所述外周邊緣具 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，新近已經提出了提供只是部分浸潰有結構 聚合物樹脂的預浸料巧，從而在預浸料巧的一個或兩個主表面上存在干燥纖維增強物層。 本申請人生產出了運種已知的部分浸潰預浸料巧或半浸料巧(semipreg)，并且W注冊商標 SP民INT?進行銷售。
[0023] 另外，在預浸料巧的真空固結期間，在將運些部分浸潰的預浸料巧在多層層疊件 中組裝在一起W形成結構件時，預浸料巧的多層層疊件厚度會收縮，即本領域已知的"失樣 (de-lofting)"的現象。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] 許多現有的專利申請文件中已經解決了除去預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 浸料巧中提供非連續的樹脂層;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浸料巧的表面上提供高粘度的硬質樹脂，并與凸起的樹脂 表面結合，W提供空氣通道;EP-A-1595689公開了部分壓至完全浸潰的預浸料巧樹脂表面 上的網格布（scrim);EP-A-2254936公開了將樹脂區域印制到預浸料;fc丕上；并且W0-A-2012052272公開了在預浸料巧的表面提供干燥纖維通道，任選地與部分壓入至預浸料巧樹 脂表面的網格布進行組合。