[发明专利]纤维增强复合材料的改进或与纤维增强复合材料有关的改进

说明书

本发明申请是基于申请日为2012年12月21日，申请号为201280063411.4(国际申请号为PCT/EP2012/076780)，发明名称为“纤维增强复合材料的改进或与纤维增强复合材料有关的改进”的专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及通过在模具中叠铺可固化结构件的层的堆叠体并且使所述结构件堆叠体固化来制备层状结构件。本发明特别地涉及由浸渍有可固化树脂如环氧树脂的纤维来制备基于树脂的纤维增强结构件。这样的可固化结构件的层(其中树脂是未固化的)有时称为预浸料。在一个实施方式中，本发明涉及风力涡轮机结构件的制备，例如涡轮机叶片的壳体以及支撑叶片的横梁(spars)的制备。

因此，本发明涉及纤维增强材料，特别是涉及包含纤维和热固性树脂的预浸料，该预浸料可以堆叠成预制件(preform)并随后固化成增强的复合材料。这样的复合材料是已知的，它们重量轻，具有高强度并且用于许多结构应用中，如用于汽车和航空航天工业以及用于工业应用，如风力涡轮机组件，像用于制造叶片的横梁和壳体。

背景技术

预浸料是用来描述浸渍有处于未固化状态的树脂或者与处于未固化状态的树脂相结合，并准备好固化的纤维和织物的术语。所述纤维可以以丝束或织物的形式，丝束通常包含多根细纤维。预浸料中采用的纤维材料和树脂将取决于经固化的纤维增强材料的所需性能，并还取决于经固化的层压件要放置到的应用。本文中纤维材料被描述为结构纤维。树脂可以以各种方式与纤维或织物结合。树脂可被粘至纤维材料的表面。树脂可以部分或完全地浸渍纤维材料。树脂可以浸渍纤维材料，以便提供用于在预浸料材料的加工期间促进空气或气体的去除的路径。

各种方法已被提议用于制备预浸料，优选的方法之一是用液态、熔融或半固态的未固化热固性树脂来浸渍移动的纤维幅面。由该方法制备的预浸料可以然后切割成所期望长度的节段，将一叠节段通过加热来固化，以制备最终的纤维增强层压件。固化可以在真空袋中进行，真空袋可以放置在用于固化的模具中，如在风能结构件如叶片的壳体和横梁的制备中优选的那样。供选择地，堆叠体可以直接在模具中形成并固化。

在这样的应用中使用的树脂中一个优选的族是可固化的环氧树脂，并且固化剂和固化剂的促进剂通常包含在树脂中，以缩短固化循环时间。然而，虽然环氧树脂是非常适合的树脂，但是它们在固化后可能是脆的，导致最终层压件一经冲击就破裂或断裂，因此，惯常的做法是在环氧树脂中包含增韧材料，如热塑性材料或橡胶。

为使预浸料和预浸料堆叠体固化所采用的固化循环时间是顾及树脂的反应性以及所采用的树脂和纤维的量的温度与时间的平衡。从经济观点出发，有利的是，循环时间尽可能短并因此通常将固化剂和促进剂包含于环氧树脂中。不仅需要热量来引发树脂的固化，而且固化反应本身可以是高度放热的，这在时间/温度循环时间中，特别是用于使大且厚的预浸料堆叠体固化的时间/温度固化循环时间中是需要考虑到的，因为采用大量环氧树脂并且由于树脂固化反应的放热量而在堆叠体内产生高温的工业应用的层压件制备更加是这种情况。因此过高温度可能损伤模具增强件或者导致树脂的一些分解，所以要避免过高温度。过高温度还可以导致失去对树脂固化的控制，造成失控固化。

当要固化的是包含许多层预浸料的厚的节段时，正如在用于重工业应用的纤维增强层压件的制备中，如在风力涡轮机结构件，特别是风力涡轮机的横梁和壳体(叶片由其组装而成)的制备中变得更加普遍的那样，过高温度的产生可以是更严重的问题。为了补偿固化期间所产生的热量，在固化循环期间采用停留时间已是必要的，其中将模制在恒定温度保持一段时间以控制模制温度，并将其冷却以防止过热，这使循环时间增加至不利地长的几小时的循环时间，在某些情况下大于8小时的循环时间。

例如基于环氧树脂的预浸料的厚堆叠体，如60个或更多个层，可需要几小时的高于100℃的固化温度。然而，该固化可具有150焦耳每克环氧树脂或更多的反应焓，该反应焓使得需要在低于100℃的固化循环期间的停留时间，以避免树脂的过热和分解。此外，在停留时间之后，有必要进一步加热该堆叠体至高于100℃(例如高于125℃)，以完成树脂的固化。这导致不利地长的且不经济的固化循环。另外，所产生的高温可以对模具或袋的材料造成损伤，或者需要使用特殊且昂贵的材料用于模具或袋。