專利名稱：固結(jié)復(fù)合預(yù)制件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于增強復(fù)合結(jié)構(gòu)體的預(yù)固結(jié)預(yù)制件，所述預(yù)制件包含纖維和粘合 劑。本發(fā)明也涉及制造預(yù)制件的方法、制造增強復(fù)合結(jié)構(gòu)體的方法、風(fēng)輪機葉片和包括風(fēng)輪 機葉片的風(fēng)力渦輪發(fā)電機。
背景技術(shù)：
諸如風(fēng)輪機葉片等復(fù)合結(jié)構(gòu)體包括多個由嵌埋在樹脂中的纖維構(gòu)成的片材層。這 些片材傳統(tǒng)上由環(huán)狀片材切割然后相互層疊由此形成復(fù)合結(jié)構(gòu)體。然后通過除去該結(jié)構(gòu)體 的各層之間捕集的任何空氣來固結(jié)該復(fù)合結(jié)構(gòu)體，通常是通過施加真空來進行。在該固結(jié) 過程中，可以將另外的樹脂引入或灌注到該結(jié)構(gòu)體中以填充其中的任何空隙，從而增強結(jié) 構(gòu)體。WO 2006/08M79涉及用于制造風(fēng)輪機葉片殼體部件的環(huán)狀固化復(fù)合片材。將固化 的片材切割成各元件，將這些元件重疊堆放在模具中，其中將樹脂引入各元件之間并固化 由此使各元件相互結(jié)合。這些部件可具有便于將樹脂引入相鄰元件之間的表面紋理。EP 1754589涉及連續(xù)固化層壓體，在制造過程中，該層壓體設(shè)置有用于使固化性 材料在灌注過程中移入堆疊布置的連續(xù)層壓體的各層之間的通道。US 2006/0175731涉及在兩個相鄰復(fù)合部件之間制備更為可靠的連接以制造風(fēng)輪 機葉片和用于該葉片的翼梁的方法。該方法涉及使用除氣層，這使氣體可在除氣層的平面 內(nèi)沿許多全面的方向輸送。所述除氣層包含樹脂并在固結(jié)過程中變形以形成基本上不含捕 集氣體的空隙的連接。這些文獻的目的在于由堆疊的片材構(gòu)造更大的結(jié)構(gòu)體。這樣的構(gòu)造存在的問題是 空氣陷于結(jié)構(gòu)體中，造成弱化帶，降低了結(jié)構(gòu)體的總體強度。本發(fā)明提供了易于除去該捕集 的空氣的改進的技術(shù)。
發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種用于增強復(fù)合結(jié)構(gòu)體的固結(jié)復(fù)合預(yù)制件；所 述預(yù)制件包含纖維和粘合劑；所述預(yù)制件為具有上主表面和下主表面的片狀結(jié)構(gòu)；所述預(yù) 制件在所述主表面中的至少一個的至少一部分上設(shè)置有凹部。由于本發(fā)明的預(yù)制件在所述主表面中的至少一個的至少一部分上設(shè)置有凹部，在 制造增強復(fù)合結(jié)構(gòu)體過程中，捕集在所述表面的所述部分與另一表面之間的空氣能夠通過 所述凹部逸出，所述凹部與其他表面一同形成通道。而且，預(yù)制件的過量的粘合劑可通過通 道離開，灌注的粘合劑也可通過通道進入。使復(fù)合結(jié)構(gòu)體中捕集的空氣的量最小化具有重 要的意義，因為結(jié)構(gòu)體中由該捕集的空氣形成的空隙可能使結(jié)構(gòu)體明顯弱化。固結(jié)本發(fā)明的預(yù)制件(也稱為板材)，意味著復(fù)合預(yù)制件的不同成分，例如纖維和 樹脂，結(jié)合成為單一部件。由于本發(fā)明的預(yù)制件具有片狀結(jié)構(gòu)，因此其具有兩個主表面一個上主表面(即上側(cè))和一個下主表面(即下側(cè))。而且，由于本發(fā)明的預(yù)制件具有片狀結(jié)構(gòu)，因此在空間 的全部三個維度上受到限制，因而其主表面中的每一個均具有由外邊界界定的區(qū)域。所述 邊界可以由所述片狀結(jié)構(gòu)的縱向和橫向邊緣界定。該預(yù)制件因而不具有環(huán)狀結(jié)構(gòu)。不使用 隨后要被切割成更小的片以裝入復(fù)合結(jié)構(gòu)體中的環(huán)狀結(jié)構(gòu)的優(yōu)點在于不會產(chǎn)生廢棄的片 材。當使用環(huán)狀片材時，將其切割成具有所希望的大小和形狀的更小部分時通常不能用完 所有的片材；在多數(shù)情況中將產(chǎn)生需要丟棄的剩余物，從而增大了制造成本。本發(fā)明的預(yù)制件可以是未固化的，或僅部分固化。這使得預(yù)制件可彎曲和成形以 裝入其應(yīng)增強的復(fù)合結(jié)構(gòu)體中?？梢詫⒄澈蟿┻x擇為使得在相關(guān)的存儲條件下其具有高至 足以維持即使處于未固化狀態(tài)的預(yù)制件的完整性的粘度。本發(fā)明的預(yù)制件可以是預(yù)浸漬制品，S卩，所述預(yù)制件浸漬有粘合劑。因此，不必在 后期，例如預(yù)制件作為其一部分的最終的復(fù)合結(jié)構(gòu)體的固結(jié)過程中將另外的粘合劑引入預(yù) 制件。如上所述，本發(fā)明的預(yù)制件的凹部便于從預(yù)制件和預(yù)制件所施加到的表面之間的 界面除去空氣。為了使該除去更為有效，所述凹部可至少從預(yù)制件的縱向中心線至所述預(yù) 制件的外邊緣，優(yōu)選縱向邊緣延伸。這樣，空氣可以由界面向周圍介質(zhì)傳輸，通常進入預(yù)制 件作為其一部分的復(fù)合結(jié)構(gòu)體的兩個復(fù)合層之間的空間，或排放結(jié)構(gòu)中。通過延伸至或穿 過縱向中心線的凹部，即使是位于中心線附近的界面中的空氣也可由界面?zhèn)鬏?。即使延伸至或穿過縱向中心線的凹部易于使位于預(yù)制件和預(yù)制件所施加到的表 面之間的界面中的預(yù)制件縱向中心線附近的空氣進行傳輸，為了將位于中心線附近的界面 中的空氣傳輸出該界面，凹部幾乎延伸至中心線而并未完全到達中心線或穿過中心線就已 足夠。例如根據(jù)樹脂的粘度，凹部到達中心線的例如10cm、5cm或2cm內(nèi)則足以使界面空氣 能夠從中心線向外邊緣傳輸。類似地，凹部到達例如預(yù)制件的外邊緣的10cm、5cm或2cm內(nèi) 就足以使界面空氣能夠向預(yù)制件的周圍傳輸。為了使空氣能夠由中心線傳輸而凹部必須達 到的與中心線或邊緣的接近程度也取決于預(yù)制件表面的大小。因此，凹部延伸至中心線與 外邊緣之間的距離的至少三分之二，優(yōu)選四分之三，更優(yōu)選五分之四，可能就足夠。當凹部由預(yù)制件的縱向中心線至少橫向延伸至縱向邊緣時，空氣可采取離開界面 的可能的最短路線。如果凹部由中心線延伸至預(yù)制件的兩個縱向邊緣，則該凹部有效地由 預(yù)制件的一個縱向邊緣延伸至其另一個縱向邊緣。不過，為了使空氣能夠從預(yù)制件和另一 表面之間的界面?zhèn)鬏?，通道以相對于中心線為一定角度延伸就足夠。因此，至少一個，可能 全部的凹部可以以相對于所述預(yù)制件的縱向中心線為30° 90°的角度延伸，更有利的 為 50° 90° 或 70° 90°。所述凹部可以是直的或彎曲的。為了使空氣更易于傳輸，優(yōu)選的是一個、一部分或 全部的凹部是直的。當然，根據(jù)預(yù)制件的預(yù)期用途還可以使用其他的凹部模式/延伸。例如，如果它 們應(yīng)當從預(yù)制件和表面之間的界面除去空氣，其中所述界面位于預(yù)制件的縱向邊緣處的部 分，則可優(yōu)選具有沿基本上縱向方向延伸的通道。所述凹部可以為足以使捕集的空氣通過該凹部除去的任何尺寸。舉例來說，所述 凹部可具有0. 5mm 2mm的深度。所述凹部優(yōu)選為在預(yù)制件的邊緣處比在預(yù)制件的中心線處更寬。優(yōu)選的是，凹部隨著與中心線的距離的增大而連續(xù)擴大，在預(yù)制件的邊緣處達到最寬。這使得氣體可通過 隨著更接近預(yù)制件的邊緣而擴大的凹部形成的通道傳輸。通常通過對復(fù)合結(jié)構(gòu)體施加真空 而除去復(fù)合結(jié)構(gòu)體中的兩個復(fù)合片材之間的界面中的空氣。通過所述結(jié)構(gòu)體向外移動的氣 泡因此會隨著壓力的降低而沿著該路線膨脹。纖維可具有絲束、紗線或繩股形式。根據(jù)預(yù)制件的最終用途可以使用不同種類的 纖維，例如玻璃纖維、碳纖維、合成纖維、生物纖維、礦物纖維和金屬纖維等。為增強如風(fēng)輪 機葉片翼梁等經(jīng)受重大應(yīng)力的大型復(fù)合結(jié)構(gòu)體，優(yōu)選碳纖維，這是因為碳纖維比例如玻璃 纖維等更堅固。所述粘合劑優(yōu)選是如熱固性樹脂等熱固性粘合劑，以使粘合劑可通過施加熱而以 可控的方式固化。根據(jù)所用的粘合劑體系，固化也可以通過例如微波、X射線、紫外光或任 何其他輻射引發(fā)。所述粘合劑可以是熱固性環(huán)氧樹脂。該樹脂具有潛伏性，使得固化可在 任何所希望的時候通過將該樹脂加熱至一定溫度之上即可進行，但不含在低于所述一定溫 度時固化的樹脂。環(huán)氧樹脂在固化時還提供極強的粘合并且不含溶劑。所述凹部可通過任何手段引入本發(fā)明的預(yù)制件中，例如通過壓印、例如用粘合劑 在預(yù)制件表面上印刷、雕刻、腐蝕、侵蝕、模切等，從而在預(yù)制件的表面上形成凹部模式。壓 印可以極為簡單，尤其是預(yù)制件未固化的時候，通過將沖頭降至預(yù)制件的表面上然后加壓 即可。壓印可以在固結(jié)預(yù)制件的過程中進行，也可以在后期進行，但是要在將預(yù)制件封入復(fù) 合結(jié)構(gòu)體之前進行。壓印等候的原因是如果在制造預(yù)制件時仍未精確決定要如何使用預(yù)制 件以及如何與其他元件結(jié)合。所述凹部可以設(shè)置在所述主表面中的至少一個的至少一部分上，這表示所述凹部 可以布置在本發(fā)明的預(yù)制件的整個主表面上，或局限于僅僅本發(fā)明的預(yù)制件的要與其他預(yù) 制件重疊的部分上。那些其他的預(yù)制件可以與本發(fā)明相一致。因為重疊通常僅涉及預(yù)制件 的末端部分，即，預(yù)制件的那些位于該預(yù)制件的橫向邊緣的部分，或預(yù)制件的在該預(yù)制件的 縱向邊緣處的部分，因此在多數(shù)情況中只要在主要的預(yù)制件表面的那些部分中的一個或多 個上設(shè)置凹部就已足夠。這樣做的優(yōu)點在于簡化了預(yù)制件的制造，因為只需提供較少的凹 部。還應(yīng)當注意，如果兩個本發(fā)明的預(yù)制件彼此重疊放置，則所述預(yù)制件中僅有一個需要在 與另一個預(yù)制件的界面中的表面上設(shè)置凹部，從而在所述界面中形成通道。不過，也可以在 兩個預(yù)制件上設(shè)置凹部。本發(fā)明的預(yù)制件可包括纖維與粘合劑的交替層，也如以下關(guān)于制造用于形成層壓 結(jié)構(gòu)體的預(yù)制件的方法所討論的。因此，所述預(yù)制件可包括粘合劑的第一層，隨后是位于 所述粘合劑的第一層之上的第一纖維層，隨后是位于所述第一纖維層之上的粘合劑的第二 層，隨后是第二纖維層，等等。根據(jù)所希望的預(yù)制件的厚度，所述預(yù)制件可包括任何數(shù)目的 層。優(yōu)選的是，所述預(yù)制件包括至少兩個纖維層，更優(yōu)選至少三個纖維層，其間具有粘合劑 的層。所述預(yù)制件的厚度可為約Imm 約20mm，更優(yōu)選為4mm 15mm，進而更優(yōu)選5mm IOmm0所述預(yù)制件可以為矩形以簡化其制造，不過根據(jù)所述預(yù)制件的預(yù)期用途，如漸縮 或梯形等其他的幾何形狀也可以是有利的。為制造風(fēng)輪機葉片翼梁，預(yù)制件可以在其縱向 上漸縮從而適合風(fēng)輪機葉片的形狀。在該漸縮形狀的情況中，預(yù)制件的縱向邊緣不會相互 平行。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種制造預(yù)制件的方法，所述方法包括設(shè)置粘合劑 層；在所述粘合劑層上設(shè)置纖維或纖維束的纖維層以制造纖維和粘合劑的片狀預(yù)制件，所 述預(yù)制件具有上主表面和下主表面；和在所述主表面中的至少一個的至少一部分上設(shè)置凹 部。根據(jù)本發(fā)明的方法，通過例如在平坦工作面上設(shè)置粘合劑層，隨后在所述粘合劑 層上設(shè)置纖維或纖維束來制造預(yù)制件。纖維或纖維束可排列為相互平行以與粘合劑一同形 成單向復(fù)合材料。不過，在一些實施方式中，取決于預(yù)制件的預(yù)期用途以及如何使預(yù)制件適 于耐受應(yīng)力，纖維或纖維束可以雙向排列，例如，形成網(wǎng)狀，其中縱向纖維/纖維束和橫向 纖維/纖維束相互垂直排列，或無定向排列，例如以隨機的方式，或根據(jù)預(yù)制件的預(yù)期性質(zhì) 以任何其他方式排列?？梢詫⒗w維或纖維束切割為任何所希望的長度，只要將它們布置在 粘合劑層上即可。在一些情況中，還可以方便地使用切段纖維、人造短纖維或切段絲束，以 代替沿著整個預(yù)制件延伸的纖維/絲束/紗線/繩股。由于制得的預(yù)制件具有片狀結(jié)構(gòu)，因此其是以在空間的全部三個維度上受限的方 式制得。因而制得的預(yù)制件不為環(huán)狀。將粘合劑層設(shè)置為區(qū)域由外邊界限定的層。所述預(yù)制件的粘合劑可以是未固化的，或僅部分固化。根據(jù)所希望的預(yù)制件的厚度可以加入另外的粘合劑和/或纖維的層。根據(jù)取決于 預(yù)制件的預(yù)期用途的預(yù)制件的理想厚度，預(yù)制件可包括任意數(shù)量的纖維或纖維束以及粘合 劑的層。由此可使預(yù)制件具有約Imm以上的厚度。預(yù)制件可由相同類型的纖維或纖維束制備。作為選擇，纖維或纖維束的一層可由 例如碳纖維制成，而另一層可由例如玻璃纖維制成。為了使預(yù)制件作為配件更具有剛性且更易于控制，并且為了除去空氣以避免最終 的復(fù)合結(jié)構(gòu)體弱化，如上所述，優(yōu)選使預(yù)制件固結(jié)。這可以例如通過包封預(yù)制件然后將包封 物中的空氣抽空來實現(xiàn)。本發(fā)明的預(yù)制件因而實質(zhì)上提供了使最終復(fù)合結(jié)構(gòu)體中捕集的空 氣最小化的改進方式，原因是在固結(jié)預(yù)制件時首先從預(yù)制件除去了空氣。在使本發(fā)明的預(yù) 制件已經(jīng)成為其一部分的復(fù)合結(jié)構(gòu)體固結(jié)的過程中，要除去的空氣的量因而減少，尤其是 在該結(jié)構(gòu)體的希望增強所述結(jié)構(gòu)體的部分中，所述部分是這樣的部分其中由捕集的空氣 所造成的空隙因為它們會使結(jié)構(gòu)體弱化而很可能是最不希望的。正如以上關(guān)于本發(fā)明的預(yù)制件所述的，在固結(jié)預(yù)制件的過程中可以設(shè)置凹部，通 過同時進行數(shù)個步驟而使得預(yù)制件的制造更為有效。也如以上關(guān)于本發(fā)明的預(yù)制件所述的，凹部可以利用壓印技術(shù)設(shè)置。以上關(guān)于本發(fā)明的預(yù)制件的討論在適用部分中也與預(yù)制件的制造方法相關(guān)。引用 該討論。根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了一種制造增強復(fù)合結(jié)構(gòu)體的方法，所述方法包 括設(shè)置包含纖維和粘合劑的第一增強預(yù)制件；設(shè)置在重疊區(qū)至少部分重疊所述第一預(yù)制 件的包含纖維和粘合劑的第二增強預(yù)制件，其中所述第一預(yù)制件和第二預(yù)制件中的至少一 個包含凹部，這些凹部在所述重疊區(qū)中的所述第一預(yù)制件和第二預(yù)制件之間的界面中形成 通道；施加真空以固結(jié)所述結(jié)構(gòu)體，使得所述重疊區(qū)中的所述第一預(yù)制件和第二預(yù)制件之 間捕集的空氣能夠通過所述通道由所述重疊區(qū)排出。在制造諸如風(fēng)輪機葉片的翼梁等復(fù)合結(jié)構(gòu)體時，一般將數(shù)層復(fù)合片材放置在彼此的頂部以形成較大的復(fù)合結(jié)構(gòu)體。在一些情況中，片材圍繞心軸卷繞數(shù)圈。根據(jù)復(fù)合結(jié)構(gòu) 體的預(yù)期用途，理想的是在預(yù)期所述結(jié)構(gòu)體需要耐受大量應(yīng)變或應(yīng)力的某些位置處增強該 結(jié)構(gòu)體。在一些情況中，可理想地增強整個結(jié)構(gòu)體。通過包含具有比復(fù)合結(jié)構(gòu)體的其他層更高的結(jié)構(gòu)強度的復(fù)合層，可以實現(xiàn)所述增 強。例如，如果復(fù)合結(jié)構(gòu)體通過玻璃纖維復(fù)合物層構(gòu)造，則可通過一個或數(shù)個碳纖維復(fù)合物 層增強該結(jié)構(gòu)體。為了實現(xiàn)該增強，可以使用預(yù)制件以在復(fù)合結(jié)構(gòu)體中形成增強復(fù)合層。所 述預(yù)制件可依據(jù)上述關(guān)于本發(fā)明的其他方面的討論。在一些情況中，單個預(yù)制件不足以增強復(fù)合結(jié)構(gòu)體，尤其是如果該結(jié)構(gòu)體如在例 如可能有40m長的風(fēng)輪機葉片翼梁的情況中這樣大。于是，使用了多個預(yù)制件。為了使多個 預(yù)制件連續(xù)增強復(fù)合結(jié)構(gòu)體的較大部分，預(yù)制件例如可以沿預(yù)制件的縱向彼此重疊放置。預(yù)制件設(shè)置有凹部，使得在預(yù)制件之間彼此重疊的地方形成通道，從而使預(yù)制件 之間捕集的任何空氣的至少一部分可在固結(jié)該結(jié)構(gòu)體的過程中通過所述通道逸出。極為重 要的是能夠除去兩個預(yù)制件之間的重疊區(qū)所捕集的空氣，因為這部分空氣否則會弱化復(fù)合 結(jié)構(gòu)體，而且將在正希望用預(yù)制件進行增強的位置弱化該結(jié)構(gòu)體。因而極為重要的是盡可 能多地除去兩個重疊的預(yù)制件之間所捕集的任何空氣，從而獲得所述預(yù)制件之間的牢固連 接，并由此獲得所希望的復(fù)合結(jié)構(gòu)體的增強。對復(fù)合結(jié)構(gòu)體施加真空以固結(jié)所述結(jié)構(gòu)體時，通過存在于兩個預(yù)制件之間的界面 中的通道有利于將空氣從兩個預(yù)制件之間的重疊區(qū)除去。形成通道的凹部可整合在重疊的 預(yù)制件中的一個或兩個的主表面中。在一些情況中，使用兩個重疊的預(yù)制件來增強復(fù)合結(jié)構(gòu)體可能是不夠的。于是在 固結(jié)復(fù)合結(jié)構(gòu)體之前使用更多的預(yù)制件，這些預(yù)制件與一個或多個先前使用的預(yù)制件重 疊。因而，由重疊的預(yù)制件所覆蓋的組合區(qū)域在縱向上無限擴張(即，預(yù)制件在其末端部分 的橫向邊緣處重疊)，或在橫向上無限擴張(即在緯度方向上，預(yù)制件在其縱向邊緣重疊)。所希望的重疊區(qū)域的大小取決于對增強的要求，是在覆蓋的區(qū)域的大小和連接的 強度之間的平衡。而且，預(yù)制件的材料往往比復(fù)合結(jié)構(gòu)體的其余部分的材料更為昂貴，因而 并不希望使用比覆蓋區(qū)域所必需的還多的預(yù)制件。如果希望該位置處的結(jié)構(gòu)強度高于由單層預(yù)制件所能得到的結(jié)構(gòu)強度，當然也可 以將兩個以上預(yù)制件放置在彼此的頂部，完全或幾乎完全地相互覆蓋。心軸可用于制造復(fù)合結(jié)構(gòu)體，例如在制造風(fēng)輪機葉片翼梁時。在該情況中，將第一 增強預(yù)制件放置在所述心軸上，要么直接放置在心軸上，要么在心軸與預(yù)制件之間具有一 層或多層復(fù)合片材。隨后將第二預(yù)制件放置在心軸上，與第一預(yù)制件相重疊。如果復(fù)合結(jié)構(gòu)體在固結(jié)前未完全被粘合劑飽和，則利用固結(jié)過程中施加的真空可 以將另外的粘合劑灌注到該結(jié)構(gòu)體中，例如，通過真空泵，將粘合劑吸到該結(jié)構(gòu)體中。在該 情況中，兩個重疊的預(yù)制件之間的界面中的通道通過引導(dǎo)粘合劑而有利于將粘合劑灌注到 該結(jié)構(gòu)體中。通道因而可具有雙重功能，引導(dǎo)空氣至該結(jié)構(gòu)體之外和引導(dǎo)粘合劑進入該結(jié) 構(gòu)體中。另一方面，如果結(jié)構(gòu)體或結(jié)構(gòu)體的一部分在固結(jié)之前已經(jīng)由粘合劑飽和，例如，如 果結(jié)構(gòu)體或至少預(yù)制件預(yù)先浸漬過，則取而代之的是，粘合劑可與任何捕集的空氣一同通 過兩個重疊的預(yù)制件之間的界面中的通道流出該結(jié)構(gòu)體。
可以使所述通道在固結(jié)的過程中，可能是在固結(jié)結(jié)束時崩塌，從而使任何捕集的 空氣首先有時間經(jīng)通道逸出。通道的崩塌可如下實現(xiàn)，例如，通過在預(yù)制件被所施加的真空 吸到一起時施加的力，和/或通過固結(jié)時加熱該結(jié)構(gòu)體以降低粘合劑的粘度，由此使預(yù)制 件改變其表面結(jié)構(gòu)，可能還結(jié)合施加的真空的效果。通過使通道崩塌，獲得了預(yù)制件之間的 更好且更堅固的連接，由此改善了復(fù)合結(jié)構(gòu)體的強度。不過，在一些情況中可能理想的是并不使通道崩塌，例如，如果擔心并非所有的捕 集空氣均有時間逸出，或者實際上可能無法使通道崩塌。在這樣的情況中，優(yōu)選的是用粘合 劑填充通道以使重疊的預(yù)制件之間的界面中不存在空隙，或至少使空隙體積最小化。在固結(jié)的過程中可以加熱該結(jié)構(gòu)體。如上所述這可有利于通道的崩塌，但也可能 更普遍的是促進結(jié)構(gòu)的固結(jié)。如果使用如熱固性環(huán)氧樹脂等熱固性粘合劑，則可以加熱該結(jié)構(gòu)體以固化粘合 劑，使得復(fù)合結(jié)構(gòu)體更剛性，更硬且更堅固。為了使固化過程足夠快以用于工業(yè)生產(chǎn)，優(yōu)選 加熱該結(jié)構(gòu)體到至少100°c，更優(yōu)選到至少115°C。然而，應(yīng)當理解適宜的溫度取決于使用 何種熱固性粘合劑，因為不同的粘合劑在不同的溫度以不同的速度固化。在一些情況中，理想的是首先組合兩個以上預(yù)制件，然后將組合的預(yù)制件用于更 大的復(fù)合結(jié)構(gòu)體，例如將組合的預(yù)制件放置在如上所述的心軸上?？蛇x的是，可以將組合的 預(yù)制件一起固結(jié)，從重疊的預(yù)制件之間形成的界面中除去空氣，然后將它們?nèi)菁{在復(fù)合結(jié) 構(gòu)體中。組合并固結(jié)的預(yù)制件甚至可以被固化，形成組合的堅硬的增強部分，然后將它們?nèi)?納在復(fù)合結(jié)構(gòu)體中。如果預(yù)浸漬或未預(yù)浸漬的預(yù)制件要包含在將在復(fù)合結(jié)構(gòu)體固結(jié)過程中 被注入/灌注粘合劑的復(fù)合結(jié)構(gòu)體中，則可以方便地將組合的預(yù)制件固化。因此，根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供一種組合預(yù)制件以制造增強復(fù)合結(jié)構(gòu)體的 方法，所述方法包括設(shè)置包含纖維和粘合劑的第一增強預(yù)制件；設(shè)置在重疊區(qū)至少部分 重疊所述第一預(yù)制件的包含纖維和粘合劑的第二增強預(yù)制件以提供組合的預(yù)制件，其中所 述第一預(yù)制件和第二預(yù)制件中的至少一個包含凹部，這些凹部在所述重疊區(qū)中的所述第一 預(yù)制件和第二預(yù)制件之間的界面中形成通道；施加真空以固結(jié)所述組合的預(yù)制件，使得所 述重疊區(qū)中的所述第一預(yù)制件和第二預(yù)制件之間捕集的空氣能夠通過所述通道由所述重 疊區(qū)導(dǎo)出。以上關(guān)于本發(fā)明的預(yù)制件和本發(fā)明的預(yù)制件的制造方法的討論在適用部分中也 與制造增強復(fù)合結(jié)構(gòu)體的方法和組合預(yù)制件以制造增強復(fù)合結(jié)構(gòu)體的方法相關(guān)。引用這些 討論。根據(jù)本發(fā)明的其他方面，提供了根據(jù)以上討論的本發(fā)明的制造增強復(fù)合結(jié)構(gòu)體的 方法所制造的風(fēng)輪機葉片，和包括上述討論的本發(fā)明的固結(jié)預(yù)制件的風(fēng)輪機葉片，以及包 括任何該風(fēng)輪機葉片的風(fēng)力渦輪發(fā)電機。用于風(fēng)力渦輪發(fā)電機的風(fēng)輪機葉片的制造是制造復(fù)合材料結(jié)構(gòu)體的技術(shù)的主要 應(yīng)用。葉片是較大的結(jié)構(gòu)體，例如40m長，需要耐受很高的應(yīng)力同時仍需要盡可能的輕。風(fēng) 力渦輪發(fā)電機的制造因此是可以采用以上討論的本發(fā)明的技術(shù)得到良好的結(jié)果的應(yīng)用的 一個優(yōu)秀實例。盡管風(fēng)輪機的制造是本發(fā)明的應(yīng)用的一個優(yōu)選領(lǐng)域，但本發(fā)明也適用于涉及復(fù)合 材料的其他領(lǐng)域，本領(lǐng)域的技術(shù)人員易于領(lǐng)悟到這一點。
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將參照附圖以非限制性實例的方式描述本發(fā)明，其中圖1是工作表面上的本發(fā)明的預(yù)制件的截面示意圖。圖2是標準風(fēng)輪機葉片的截面示意圖。圖3是兩個重疊的本發(fā)明的預(yù)制件的示意性側(cè)視圖。圖4是具有第一實施方式的凹部模式的本發(fā)明的預(yù)制件的局部頂面示意圖。圖5是具有第二實施方式的凹部模式的本發(fā)明的預(yù)制件的局部頂面示意圖。
具體實施例方式此處使用的術(shù)語凹部可作為下凹結(jié)構(gòu)形成在本發(fā)明的預(yù)制件的主表面中，例如通 過壓印、雕刻、腐蝕、侵蝕、模切等形成在表面中，或者作為凸紋或隆起之間的空隙，施加至 預(yù)制件的表面，在所述表面的頂部形成三維結(jié)構(gòu)，例如通過使用如粘合劑等印刷在預(yù)制件 的表面上等。所述凹部可以是直的，彎曲的，或具有任何其他的幾何形狀；所述凹部在其縱 向和橫向上可具有恒定的或變化的深度；所述凹部可以彼此隔開或相互連接。所述凹部甚 至可以大部分相互連接，僅僅是間歇地簡單相互隔開，例如如上所述凹部是通過將隆起施 加至預(yù)制件的表面而形成時。本申請中使用的術(shù)語通道通常是由第一預(yù)制件表面中的凹部和如第二預(yù)制件表 面等第二表面形成的結(jié)構(gòu)，所述第二表面覆蓋兩個相互重疊的表面之間的界面中的所述凹 部。因此，通道可以被形成為使界面中捕集的氣體經(jīng)所述通道運動至沿著兩個重疊的預(yù)制 件的邊緣形成的通道的出口處。表面的凹部可以相互隔開，也可以互相連接。在一個實施 方式中，這樣提供通道結(jié)構(gòu)在預(yù)制件的表面上形成多個隆起或突出物，然后將該預(yù)制件表 面施加至另一個預(yù)制件的表面，在表面之間的界面中形成通道。于是，形成了下述結(jié)構(gòu)體， 其中任何捕集的空氣可在任意數(shù)量的方向上運動，由此該結(jié)構(gòu)體可被視為大量相互連接的 通道。使預(yù)制件固結(jié)是指預(yù)制件的不同成分，如纖維和粘合劑，經(jīng)固結(jié)成為單一的復(fù)合 單元。例如通過將預(yù)制件的所有層/成分包封在包封物中然后從包封物中除去空氣可有助 于固結(jié)過程，由此可除去預(yù)制件中的捕集空氣。從結(jié)構(gòu)強度的觀點看，對預(yù)制件進行真空固 結(jié)是有利的，因為捕集的空氣會降低完成的預(yù)制件的強度，因而最終降低使用所述預(yù)制件 的最后的復(fù)合結(jié)構(gòu)體的強度。而且，升高的溫度可有助于固結(jié)，降低了粘合劑的粘度并有利 于從預(yù)制件除去空氣。如果粘合劑是熱固性的，在一些實施方式中在預(yù)制件固結(jié)過程中可 以使所述粘合劑部分固化。在后的包含固結(jié)預(yù)制件的復(fù)合結(jié)構(gòu)體的固結(jié)類似于預(yù)制件的固 結(jié)，但在該在后固結(jié)之后，可使粘合劑完全固化。預(yù)浸漬制品是預(yù)浸漬的復(fù)合材料，S卩，在預(yù)浸漬制品的最終使用之前用粘合劑浸 漬纖維。浸漬可進行至達到飽和。此處使用的術(shù)語心軸是其上構(gòu)建復(fù)合結(jié)構(gòu)體的結(jié)構(gòu)。所述心軸例如可以是上面放 置或卷繞有纖維和粘合劑的層的長棒或長管。隨后在完成諸如風(fēng)輪機葉片翼梁等復(fù)合結(jié)構(gòu) 體之前移除該心軸。在本申請中“壓印”是指通過施加壓力形成凹部。優(yōu)選的是，使用沖頭擠壓到預(yù)制件的主表面中從而在表面中形成凹部或通道的模式。通過使預(yù)制件的粘合劑不固化而由此 具有延展性，這樣有利于該過程。所述粘合劑可以是任何能夠使纖維或纖維束相互粘接，由此穩(wěn)定預(yù)制件的粘合 劑。所述粘合劑例如可以是樹脂，膠粘劑，如聚氨酯類膠粘劑或單組分或雙組分膠粘劑，或 任何其他膠粘劑。所述粘合劑可以是固化性樹脂，需要時例如通過對預(yù)制件施加熱量而使 預(yù)制件具有剛性，只要樹脂是熱固性樹脂即可。所述樹脂可以是有機聚合物液體，該液體在 轉(zhuǎn)化成為其最終使用狀態(tài)時變成固體。作為一個實例，所述樹脂可以是環(huán)氧類樹脂或聚酯 類樹脂，不過也可以使用其他的樹脂類型。此外，制備預(yù)制件時可以使用一種或多種不同類 型的粘合劑。例如，可將一種粘合劑用于使纖維層的絲束/紗線/繩股相互粘結(jié)，而可將與 其不同的粘合劑用于使不同的纖維層彼此粘結(jié)，形成層壓體。而在使用不同類型的粘合劑 時，有利的是使用僅為一族的粘合劑以確保粘合劑之間的相容性。本發(fā)明的預(yù)制件根據(jù)其預(yù)期用途可具有任何大小和形狀。不過，考慮到實際生產(chǎn) 和處理的原因，預(yù)制件優(yōu)選不長于30m，不寬于5m，不厚于20mm。而且從處理的觀點考慮時， 所述預(yù)制件優(yōu)選不薄于1mm，因為否則預(yù)制件可能太不結(jié)實。預(yù)制件的長度優(yōu)選為約5m 約20m，預(yù)制件的寬度優(yōu)選為約0. Im 約:3m。本發(fā)明的預(yù)制件的邊緣優(yōu)選基本上垂直于預(yù) 制件的主表面。具體而言，所述邊緣相對于預(yù)制件的主表面優(yōu)選為80° 100°的角。本發(fā)明的預(yù)制件的纖維或絲束/紗線/繩股可以是單向性的，相互平行，由此預(yù)制 件適于耐受主要在一個方向上的應(yīng)力。預(yù)制件在纖維或絲束/紗線/繩股的方向上將比在 垂直于該方向的方向上更堅固。纖維或絲束/紗線/繩股的方向通常也就是預(yù)制件的縱向。 根據(jù)預(yù)制件的預(yù)期用途，其他的纖維/絲束/紗線/繩股構(gòu)造可能是理想的，例如雙向性或 無定向性，或任何其他的構(gòu)造。下面參照附圖討論優(yōu)選的實施方式。圖1顯示了位于工作臺2頂部上的預(yù)制件1的橫截面，在工作臺2上已經(jīng)制得了 預(yù)制件1。預(yù)制件ι包括多個層3和4，其中底層是粘合劑的層3，在其頂部上平行的纖維束 形成了纖維層4。另一粘合劑層3和另一纖維層4也包含在圖1的預(yù)制件1中。圖2是標準風(fēng)輪機葉片11的橫截面。葉片11包括風(fēng)翼(wind foil) 12和翼梁 (也稱為梁)13。風(fēng)翼12具有的主要功能是提供所希望的葉片11的形狀以使葉片11作為 其一部分的風(fēng)輪機的效率最優(yōu)，而翼梁13是葉片11的骨架，確保葉片11堅固到足以耐受 由其自身的大尺寸以及風(fēng)所施加至葉片11上的應(yīng)力。如果翼梁13不良，則葉片11將斷裂。 翼梁13優(yōu)選是中空的，以降低葉片11的重量，而且可具有矩形截面。圖3顯示了如何將兩個本發(fā)明的預(yù)制件21和22放置在心軸表面M上而在重疊 區(qū)相互重疊以形成搭接頭。預(yù)制件21和22可直接放置在心軸上，或表面M可由心軸和位 于其上的一層或多層復(fù)合片材形成。將第一預(yù)制件21放置在表面M上，之后將第二預(yù)制 件22放置在表面M上，使其與第一預(yù)制件21重疊，由此在重疊區(qū)域中在預(yù)制件21和22 之間形成界面23。在所述預(yù)制件的縱向和/或橫向邊緣處可形成搭接頭。圖4顯示了本發(fā)明的預(yù)制件31的凹部模式的第一實施方式。平行的橫向凹部32 從預(yù)制件31的一個縱向邊緣沿直線延伸至預(yù)制件31的對側(cè)的縱向邊緣，垂直穿過預(yù)制件 31的中心線33。圖5顯示了本發(fā)明的預(yù)制件41的凹部模式的第二實施方式。平行的橫向凹部42從預(yù)制件41的一個縱向邊緣延伸至預(yù)制件41的對側(cè)的縱向邊緣，垂直穿過預(yù)制件41的中 心線43。再者，凹部42以基本上直線的方式在預(yù)制件41的兩個縱向邊緣之間延伸，不過， 在本發(fā)明的該實施方式中，凹部42由中心線43向預(yù)制件41的縱向邊緣逐漸地變寬，以至 凹部42在所述邊緣處最寬，在所述中心線43處最窄。
實施例實施例1-預(yù)浸漬預(yù)制件的制造使第一層的熱固性樹脂分布在工作臺上。樹脂已經(jīng)被加熱以降低其粘度并使其粘 性更好，但并未加熱到足以引發(fā)固化反應(yīng)。使該層15m長。使所述層漸縮，使其在一端為 1. 5m寬，另一端為0. 5m。使第一層的基本上平行的碳纖維束分布在樹脂層頂部上，并切割 絲束以對應(yīng)樹脂層的形狀和延伸，由此使得沿樹脂層中心線放置的絲束比更接近于預(yù)制件 的縱向邊緣處放置的那些絲束更長。由于樹脂具有粘性，絲束固定于樹脂層。隨后將第二 層樹脂施加于絲束頂部之上，之后施加第二層絲束。施加更多的層直至獲得所希望的厚度。將樹脂和纖維束的層包封在真空袋中，然后將空氣吸出以使預(yù)制件固結(jié)。在固結(jié) 過程中，稍微加熱預(yù)制件以促進固結(jié)，而不使樹脂固化。在固結(jié)過程中，將沖頭按壓到預(yù)制件上以在預(yù)制件的主表面的部分中壓印約Imm 深的凹部。所述凹部由預(yù)制件的一個縱向邊緣延伸至另一個縱向邊緣，并在所述邊緣處達 到最寬，在預(yù)制件的縱向中心線處達到最窄。使固結(jié)的預(yù)制件冷卻，由此增大樹脂粘度，使預(yù)制件穩(wěn)定。將固結(jié)的預(yù)浸漬預(yù)制件 儲存以備稍后用于復(fù)合結(jié)構(gòu)體。實施例2-非預(yù)浸漬預(yù)制件的制造如實施例1制造預(yù)制件，不過使用較少的樹脂，不使預(yù)制件被樹脂飽和，使得可在 后續(xù)階段灌注樹脂。將溫熱的樹脂滴落或印刷在預(yù)制件頂部上從而在預(yù)制件的表面上形成 凹部模式，由此生成凹部。實施例3-增強的風(fēng)輪機葉片翼梁的制造圍繞棒狀心軸卷繞基本上為環(huán)狀的玻璃纖維復(fù)合片材。在玻璃纖維卷之間放置浸 漬有環(huán)氧樹脂的單向性碳纖維的預(yù)制件。在心軸的頂部上沿心軸的縱向放置第一預(yù)制件，使得嵌埋在預(yù)制件中的纖維束沿 心軸的縱向排列。所述預(yù)制件具有壓印在其頂部主表面的末端部分上的凹部。在心軸的頂部上沿心軸的縱向放置第二預(yù)制件，使其重疊第一預(yù)制件的末端部 分，使得壓印在第一預(yù)制件上的凹部在兩個預(yù)制件之間的界面中形成通道?？蛇x的是，可以 按照與第二預(yù)制件重疊第一預(yù)制件相同的方式將第三預(yù)制件放置為與第二預(yù)制件重疊放 置。圍繞心軸卷繞玻璃纖維復(fù)合片材的層，覆蓋預(yù)制件并形成復(fù)合結(jié)構(gòu)體，即翼梁。將所述復(fù)合結(jié)構(gòu)體包封在真空袋中，并在真空泵的輔助下使其固結(jié)。固結(jié)過程中， 將空氣吸出復(fù)合結(jié)構(gòu)體。具體而言，兩個預(yù)制件之間的重疊區(qū)中捕集的空氣經(jīng)通道除去，然 后也從片材的不同層之間離開所述結(jié)構(gòu)體。在固結(jié)過程中，將結(jié)構(gòu)體加熱至低于樹脂的固 化溫度，以使樹脂粘度較低，從而有利于固結(jié)和除去空氣。固結(jié)之后，或在固結(jié)的后期，預(yù)制件之間的通道因樹脂的粘度降低所致而崩塌。
固結(jié)后，將溫度升至120°C以固化樹脂，使翼梁變硬以備用于風(fēng)輪機。在工作面上放置第一預(yù)制件。該預(yù)制件在其頂部主表面的末端部分壓印有凹部。放置第二預(yù)制件重疊第一預(yù)制件的末端部分，以使第一預(yù)制件上壓印的凹部在兩 個預(yù)制件之間的界面中形成通道?？蛇x的是，可以按照與第二預(yù)制件重疊第一預(yù)制件相同 的方式，將第三預(yù)制件放置為與第二預(yù)制件重疊。重疊的預(yù)制件可以可選地為彎曲的，或者 以其他方式成形，以適合裝入意圖容納預(yù)制件的較大的復(fù)合結(jié)構(gòu)體中?？蛇x的是，成形可以 在固化預(yù)制件之前的后續(xù)階段中進行。將重疊的預(yù)制件包封在真空袋中并使其固結(jié)，通過所述界面中的通道除去預(yù)制件 之間的界面中捕集的空氣。將固結(jié)的重疊預(yù)制件于120°C固化，之后，例如根據(jù)以上的實施例3，或根據(jù)樹脂 灌注固結(jié)方法，可以將組合的預(yù)制件作為較大的復(fù)合結(jié)構(gòu)體的一部分。
權(quán)利要求
1.一種用于增強復(fù)合結(jié)構(gòu)體的固結(jié)復(fù)合預(yù)制件， 所述預(yù)制件包含纖維和粘合劑；所述預(yù)制件為具有上主表面和下主表面的片狀結(jié)構(gòu)；而且所述預(yù)制件在所述主表面中的至少一個的至少一部分上設(shè)置有凹部，其中，至少一個所述凹部至少在所述預(yù)制件的縱向中心線與縱向邊緣之間延伸。
2.如權(quán)利要求1所述的預(yù)制件，其中，所述粘合劑未固化。
3.如權(quán)利要求1所述的預(yù)制件，其中，所述粘合劑部分固化。
4.如權(quán)利要求1 3中任一項所述的預(yù)制件，其中，所述預(yù)制件包含至少兩個纖維層， 所述纖維層通過粘合劑層隔開。
5.如權(quán)利要求1 4中任一項所述的預(yù)制件，其中，所述纖維浸漬有粘合劑。
6.如權(quán)利要求1 5中任一項所述的預(yù)制件，其中，全部的所述凹部至少在所述預(yù)制件 的縱向中心線與縱向邊緣之間延伸。
7.如權(quán)利要求1 6中任一項所述的預(yù)制件，至少一個、優(yōu)選全部的所述凹部以相對于 所述預(yù)制件的縱向中心線為30° 90°，優(yōu)選為50° 90°，更優(yōu)選為70° 90°的角 度延伸。
8.如權(quán)利要求1 7中任一項所述的預(yù)制件，至少一個所述凹部在所述預(yù)制件的邊緣 處比在所述預(yù)制件的中心線處更寬。
9.如權(quán)利要求1 8中任一項所述的預(yù)制件，其中，所述纖維包括碳纖維。
10.如權(quán)利要求1 9中任一項所述的預(yù)制件，其中，所述粘合劑是熱固性樹脂，優(yōu)選為 環(huán)氧樹脂。
11.如權(quán)利要求1 10中任一項所述的預(yù)制件，其中，所述凹部已通過壓印引入。
12.如權(quán)利要求1 11中任一項所述的預(yù)制件，其中，所述預(yù)制件只在所述預(yù)制件的至 少一個邊緣部分設(shè)置有凹部。
13.如權(quán)利要求1 12中任一項所述的預(yù)制件，其中，所述預(yù)制件具有漸縮形狀。
14.一種制造預(yù)制件的方法，所述方法包括 設(shè)置粘合劑層；在所述粘合劑層上設(shè)置纖維或纖維束的纖維層以制造纖維和粘合劑的片狀預(yù)制件，所 述預(yù)制件具有上主表面和下主表面；和在所述主表面中的至少一個的至少一部分上設(shè)置凹部，其中，至少一個所述凹部至少在所述預(yù)制件的縱向中心線與縱向邊緣之間延伸。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，所述方法還包括固結(jié)所述預(yù)制件。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其中，在所述固結(jié)過程中設(shè)置所述凹部。
17.如權(quán)利要求14 16中任一項所述的方法，其中，通過壓印技術(shù)設(shè)置所述凹部。
18.—種制造增強復(fù)合結(jié)構(gòu)體的方法，所述方法包括 設(shè)置包含纖維和粘合劑的第一增強預(yù)制件；設(shè)置第二增強預(yù)制件，所述第二增強預(yù)制件包含纖維和粘合劑，在重疊區(qū)至少部分重 疊所述第一預(yù)制件，其中，所述第一預(yù)制件和第二預(yù)制件中的至少一個包含凹部，這些凹部 在所述重疊區(qū)中的所述第一預(yù)制件和第二預(yù)制件之間的界面中形成通道，其中至少一個所 述凹部至少在所述預(yù)制件的縱向中心線與縱向邊緣之間延伸；和施加真空以固結(jié)所述結(jié)構(gòu)體，使得所述重疊區(qū)中的所述第一預(yù)制件和第二預(yù)制件之間 捕集的空氣能夠通過所述通道由所述重疊區(qū)排出。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，所述方法還包括在固結(jié)所述結(jié)構(gòu)體之前設(shè)置另外的預(yù) 制件，以形成更多的包括通道的重疊區(qū)。
20.如權(quán)利要求18 19中任一項所述的方法，其中，所述第一增強預(yù)制件與另外的纖 維一同布置在心軸上以形成復(fù)合層壓體。
21.如權(quán)利要求18 20中任一項所述的方法，其中，將粘合劑灌注到所述結(jié)構(gòu)體中。
22.如權(quán)利要求18 21中任一項所述的方法，其中，所述通道布置為在所述固結(jié)過程 中崩塌。
23.如權(quán)利要求18 22中任一項所述的方法，其中，在所述固結(jié)過程中加熱所述結(jié)構(gòu)體。
24.如權(quán)利要求18 23中任一項所述的方法，其中，在固結(jié)之后所述結(jié)構(gòu)體的粘合劑 以高溫進行固化，優(yōu)選為至少在100°C進行固化。
25.一種由權(quán)利要求18 M中任一項所述的方法制造的風(fēng)輪機葉片。
26.—種包括權(quán)利要求1 13中任一項所述的固結(jié)預(yù)制件的風(fēng)輪機葉片。
27.一種包括權(quán)利要求25 沈中任一項所述的葉片的風(fēng)力渦輪發(fā)電機。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于增強復(fù)合結(jié)構(gòu)體的固結(jié)復(fù)合預(yù)制件，所述預(yù)制件包含纖維和粘合劑，所述預(yù)制件為具有上主表面和下主表面的片狀結(jié)構(gòu)，并且所述預(yù)制件在所述主表面中的至少一個的至少一部分上設(shè)置有凹部。
文檔編號B29C70/44GK102123852SQ200980114045
公開日2011年7月13日 申請日期2009年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月30日
發(fā)明者亨寧·施雷德, 克努德·斯騰貝克·尼爾森 申請人:維斯塔斯風(fēng)力系統(tǒng)有限公司