用于制造复合材料的预浸料坯的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及用于制造纤维增强复合材料的预浸料巧，W及制造该预浸料巧的方 法。本发明还设及该预浸料巧在制造纤维增强复合材料中的用途。
【背景技术】
[0002] 多年来，在纤维增强复合材料领域，人们已经知道要提供包含浸溃有结构聚合物 树脂（struc化ral polymer resin)的纤维增强物层的预浸料巧。结构聚合物树脂的量要与 纤维增强物的量仔细匹配。因此，预浸料巧可用于形成纤维增强复合材料的方法中，该方法 中，提供了具有所期望形状和构造(configuration)的预浸料巧的多层层叠件（stack),然 后将所述多层层叠件加热，从而使结构聚合物树脂烙融，再固化W形成单个均一的树脂基 体，其中纤维增强物按照所期望的纤维取向配置。层叠件中的树脂的量足W由具有所期望 机械性能的预浸料巧的层叠件制成纤维增强结构制品。通常，结构聚合物树脂为热固性树 月旨(最常见为环氧树脂），其固化W形成固态树脂基体。所述纤维可W选自各种材料，最常见 的包括玻璃纤维或碳纤维。
[0003] 众所周知的是，提供结构聚合物树脂完全浸溃到纤维增强物层中的预浸料巧。运 为预浸料巧的外主表面提供了树脂表面，使得纤维在整个预浸料巧树脂内实质上均匀分 布，运样纤维均匀嵌入在树脂内，从而将初始树脂层内无意间存在的空隙最小化。其优点在 于，树脂表面可W稍微具有粘着性，运样通过粘着性树脂表面将预浸料巧粘附在相邻表面 上，结果有助于通过将预浸料巧支撑在所期望的位置处来将预浸料巧铺设(lay up)到模具 中。另外，纤维增强物的完全浸溃避免了对于结构聚合物树脂在固化阶段显著流动的需求， 并且确保了纤维在固化阶段期间均匀地浸湿。
[0004] 但是，完全浸溃的预浸料巧的一个突出问题在于，在形成运种预浸料巧的层叠件 时，空气会截留（trap)在相邻的预浸料巧层之间，从而导致在最终固化后的、纤维增强复合 材料的树脂基材中，会存在层间空隙（inter-ply voids)。运些空隙的存在显著降低了复合 材料的机械性能。在预浸料巧铺设阶段（lay-up process)，当完全浸溃的预浸料巧层逐渐 堆积(built up) W形成其多层层叠件时，空气会截留在相邻预浸料巧层之间。相邻预浸料 巧层的树脂表面的粘着性（tackiness)增加了空气在预浸料巧界面处截留在层间的可能 性。
[0005] 此外，为了提供具有低粘着性的此类完全浸溃的预浸料巧，基体树脂的粘度影响 了预浸料巧的铺覆性，即，预浸料巧适应模具表面Ξ维形状的能力。通常，铺覆性更高的树 脂具有更高的表面粘着性。在本领域中对具有低粘着性和高铺覆性的组合的预浸料巧存在 需求。
[0006] 有不同厚度、形状和体积、W及所需机械性能的产品。复合材料的一个特殊用途在 于制造细长的翼梁(spar)或横梁(beam)形式的结构元件，所述结构元件要求展现出高的机 械劲度（stiffness)和压缩强度。本领域已知，"翼梁盖（sparcap)"为包含在特定铺设件 (layup)中的、细长的翼梁层压物，用于制造风力满轮机叶片。翼梁盖是细长的外部覆盖层 压物层，位于中央结构元件相对的两面上，从而形成类似于"Γ形横梁构造的、具有增强的 机械强度的细长横梁。对于运类翼梁或横梁而言，为了将机械劲度和压缩强度最大化，期望 提供主要沿着细长的翼梁或横梁的方向取向的纤维，尤其是单向纤维（unidirectional fibre)。
[0007] 相反，为了提供具有板状构造或者具有扭转强度的复合材料，提供双轴取向 (biaxially oriented)的纤维是合乎需要的。
[0008] 在风能翼梁部分和潮软翼梁部分中形成主要结构增强物的典型细长构件长15m-70m，厚lOmm-lOOmm。其主要由单向纤维制成，W产生纵向强度和劲度。根据设计，典型的翼 梁盖部分可含有85%~100%的单向纤维，所述单向纤维具有一些离轴(off axis)的材料， W提供剪切力传递、扭转劲度和翼梁盖弯曲稳定性。通常，厚度和/或宽度可沿着翼梁的长 度而改变，W匹配所需的设计劲度和应力。也可在任何给定的截面中改变厚度，从而向抗剪 腹板(shear web)提供合适的几何形状和负载转移。除了改变厚度W外，翼梁盖的几何形状 可在一个或多个方向具有曲率，W匹配所期望的空气动力学轮廓，并有利地利用曲率减少 翼梁盖在负载下弯曲的趋势。
[0009] 随着几何形状和厚度不断变化，层压物通常由纤维增强物的片层(ply)制成，从而 在设计过程中得到模具沉积速率、材料成本和几何灵活性之间的经济平衡。通常使用单位 面积织物重量为500-2400gsm的玻璃增强纤维织物或预浸料巧，或者单位面积重量为100-900gsm的碳增强纤维织物或预浸料巧。可将运些片层或层预先切成几何形状，或W卷的形 式使用。随着曲率改变，通常需要进行一些剪切，W适应在纤维增强物的片材或卷中相邻纤 维之间的长度变化。给定纤维增强物的宽度和厚度通常限于在不会显著地发生纤维弯曲或 引起纤维波纹的情况下，将材料铺覆为模具形状。
[0010] 相比于缝制材料、多轴向材料和编织材料而言，多层单向纤维可有效地嵌套并封 装，仅剩余有限的自由体积空间，从而减少对空气和树脂的渗透性。碳纤维直径(7微米)通 常小于玻璃纤维（17-24微米），由于它们本质上更难W透过空气和树脂，因此更难W可靠地 对此类碳纤维叠层进行加工。
[0011] 在VARTM(真空辅助树脂传递模塑)方法中，将干燥纤维铺设至模具中，然后W低成 本的低粘度液态树脂浸溃。所述纤维通常是预缝制的和/或使用热塑性粘合剂稳定化，使得 可对纤维进行操作使其进入模具，并在纤维之间提供受控间距W形成间隙，从而促进树脂 流动。运使得同时在翼梁中增加了未增强树脂材料的面积和附加的重量。纤维支承结构引 起纤维波纹，降低了最终(尤其是在受压下）的承载能力。该方法已成功地用于生产当代玻 璃纤维风力满轮机，其中，该设计通常受限于劲度，并且层压物无需最高的压缩强度。对于 更大的叶片和新一代空气动力学效率更高的满轮机(其中翼梁盖间距减少），需要更高的材 料性能，从而得到空气动力学效率得W改进的更薄的叶片部分。此时，需要更高性能的玻璃 纤维或碳纤维层压物。
[0012] 由于增强物的低渗透性，碳纤维的较厚部分已证实难W使用VARTM法可靠地进行 灌注。在碳翼梁设计中，抗压强度成为关键的设计驱动力。可通过使用改进材料特性的预浸 料巧材料来实现经济上的节约，所述预浸料巧材料允许使用纯的准直纤维（collimated fibre)。
[0013] 在预浸料巧生产和铺设过程中，更高粘度的半固体预浸料巧树脂则W准直的形式 保持纤维更直，从而使得层压物具有更少的固有纤维波纹和更高的抗压强度。另外，可w选 择更高分子量的材料和增初添加剂来配制预浸料巧树脂，使其同时具有高的树脂模量和良 好的初性/强度平衡，从而进一步提高压缩性能和抗疲劳性。
[0014] 为了进一步使强度最大化，期望在厚的、细长的翼梁盖部分中除去任何层内和层 间的空隙缺陷。传统上运是在航天工业中完成的，使用高压力的高压蓋对来自材料中的任 何截留空气和挥发物进行压缩。随后开发了许多仅在真空下使用的高压蓋外（out-of autoclave)预浸料巧技术，应用于对于生产大的部件(如风力满轮机和潮软翼梁)而言使用 高压蓋的成本变得无法接受的情况。
[0015] 由于纤维自身桥接而形成了天然的空气通道，因此在含有纤维取向混合物的层压 物中，运些使用部分浸溃或干燥纤维层的现有高压蓋外材料提供了良好的结果。当用主要 为单向的材料建造大而厚的层压物时，运些材料不能提供下述层压物:具有非常低的空隙 水平、高水平的纤维对齐、W及对于高工作溫度条件和低工作溫度条件两者同时具有耐受 性。
[0016] 为了改善生产运些较高负载的满轮部分的经济性，期望提供一种可铺覆的预浸料 巧材料，所述材料适合于在更广泛的环境溫度条件下直接铺设或离线预成形的纤维增强复 合材料，该纤维增强复合材料可使用高压蓋外的真空加工方法进行固化，从而使得纤维增 强层压物良好地对齐，同时具有低的层内和层间空隙缺陷。
[0017] 对于具有高铺覆性的、浸溃的预浸料巧，树脂应具有低粘度和低储能模量，从而使 得铺覆剪切适应于使粘滞的树脂流动、而预浸料巧不趋于弹回至其初始位置。
[0018] 已知的是用具有低粘着性、高粘度和高储能模量的树脂提供预浸料巧。当此类预 浸料巧的层压层叠件成型、并经真空压实(de-bulking)步骤除去空气时，树脂保持一定程 度的表面纹理，W提供空气排气路径，消除在压实循环期间截留的空气。在模制期间，树脂 随后流动并产生均一的材料。
[0019] 当不需要显著的曲率时，运一具有高粘度树脂的材料非常适合于生产厚的层压制 件。为了铺覆该产品，需要一定程度的加热W软化树脂。加热降低了树脂的粘度，但随后树 脂变得容易流动，会失去空气通道。运种流动可发生于施加真空之前，特别是在层压阶段树 脂的某些预流动之前，所述预流动往往来自压力和接触点的变化(导致空气区域封闭）。施 加真空可使得较软的树脂能够流动，并在空气有足够的时间被抽出层压物叠层之前关闭剩 余的通道，从而降低了层压物的透过性。
[0020] 随后，在进行固化之前，较低粘度的预浸料巧会对操作和任何压实均变得非常敏 感。如果开始并中止真空循环，所述材料会固结并且会失去任何表面纹理排气途径。运通常 在外周边缘附近更为明显，根据真空套袋(vacuume bagging)细节可发现所述外周边缘具 有更大的力。除去真空后，空气可慢慢渗回材料之间，但由于较软预浸料巧树脂先前的粘滞 流动，在再次及随后多次重新施加真空后，目前已压实的层压物层叠件的空气透过性要低 得多。
[0021] 同样，如果需要铺覆性和透气性，可减小工艺窗口（process window)，使得需要精 确地控制车间的溫度环境，显著增加了制造工艺的成本。
[0022] 在克服不希望形成层间空隙的尝试中，新近已经提出了提供只是部分浸溃有结构 聚合物树脂的预浸料巧，从而在预浸料巧的一个或两个主表面上存在干燥纤维增强物层。 本申请人生产出了运种已知的部分浸溃预浸料巧或半浸料巧(semipreg)，并且W注册商标 SP民INT?进行销售。
[0023] 另外，在预浸料巧的真空固结期间，在将运些部分浸溃的预浸料巧在多层层叠件 中组装在一起W形成结构件时，预浸料巧的多层层叠件厚度会收缩，即本领域已知的"失样 (de-lofting)"的现象。由于纤维将容易在压缩负载作用下更早变形，所W该"失样"对单向 纤维造成一些面外波纹(out-of plane waviness)，所述面外波纹降低了压缩机械性能。
[0024] 许多现有的专利申请文件中已经解决了除去预浸料巧层压物中截留的空气，从而 降低固化后的纤维增强复合材料中的空隙含量运一问题。特别是W0-A-2001/000405公开了 部分浸溃的预浸料巧，其在中屯、具有干燥纤维;EP-A-1128958公开了具有中屯、树脂层和外 部干燥纤维层的预浸料巧;EP-A-1379376公开了在具有中屯、树脂层和外部干燥纤维层的预 浸料巧中提供非连续的树脂层;W0-A-2002/088231公开了在纤维表面提供树脂膜的带;EP-A-2268720公开了至少在所述预浸料巧的表面上提供高粘度的硬质树脂，并与凸起的树脂 表面结合，W提供空气通道;EP-A-1595689公开了部分压至完全浸溃的预浸料巧树脂表面 上的网格布（scrim);EP-A-2254936公开了将树脂区域印制到预浸料;fc丕上；并且W0-A-2012052272公开了在预浸料巧的表面提供干燥纤维通道，任选地与部分压入至预浸料巧树 脂表面的网格布进行组合。