纖維增強復合物、部件和方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及纖維增強復合物、部件和方法。
【背景技術】
[0002] 現代風力渦輪的轉子葉片通過將纖維增強復合物結合諸如輕木或塑料泡沫的芯 部構件而構造成。
[0003] 例如，EP 2 123 431 A1描述了一種使用真空輔助樹脂傳遞模塑（VARTM)工藝來制 造轉子葉片的方法。在該制造工藝的第一步驟中，纖維材料被分別鋪設在模具的上部部分 和下部部分上。纖維材料通過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）一起被設置在模具的下部部分中。接下來，模具的上 部部分以及纖維材料繞其縱向軸線被轉動180度并且被設置到位，使得該模具被關閉。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，注入樹脂。當樹脂已經固 化時，模具被打開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脂要高得多的剛度，因此旨在獲得最高可能的纖維含 量。樹脂的典型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)疊層對于橫向負載具有較低的對抗性能。這可能歸因于當應 力方向是垂直于纖維表面時樹脂與纖維材料之間的界面處的結合失效。
[0006] 為了改善對于單向疊層的橫向負載的對抗性能(在最終使用中或在處理或運輸期 間)，已知的是將所述單向疊層用橫向穩定纖維來增強。當單向疊層沿其主要方向（對應于 纖維的長度方向）被加載時，該橫向穩定纖維垂直于其長度軸線被加載。
[0007] 已經發現了，由在樹脂與橫向穩定纖維之間的界面處的結合失效而定期地形成這 類疊層中的疲勞損壞。
【發明內容】
[0008] 本發明的一個目的在于提供一種改進的纖維增強復合物。另一目的在于提供用于 風力渦輪的改進部件。進一步來說，目的還在于提供用于制造風力渦輪的部件的改進方法。
[0009] 因此，提供一種用于制造風力渦輪的部件的纖維增強復合物。該纖維增強復合物 包括：多個第一纖維，所述第一纖維被設置成單向或雙軸構造；多個第二纖維，所述第二纖 維相對于所述第一纖維的長度方向垂直地設置；以及浸漬所述第一和第二纖維的樹脂，其 中，所述樹脂的E模量等于所述第二纖維的E模量。
[0010] 由于樹脂的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 應力梯度。另一原因可能歸因于泊松效應：當第一纖維和樹脂沿主要方向（長度方向）伸展 時，由于泊松效應而發生樹脂材料的收縮。現在具有與樹脂相等的E模量的橫向第二纖維 會允許第二纖維以與樹脂相同的速率來收縮。因此，避免了在第二纖維與樹脂之間的界面 處的應力。
[0011] 樹脂的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(其是樹脂的E模量的多倍(反之亦然)）可能仍然是小的，并且當考慮第一 纖維的高E模量時等于樹脂的E模量：例如，第二纖維的E模量可以是樹脂的E模量的高達 5倍、優選地3倍、甚至更優選地2倍、以及甚至更優選地1. 5倍。在替代性實施例中，樹脂 的E模量可以是第二纖維的E模量的高達5倍、優選地3倍、甚至更優選地2倍、以及甚至 更優選地1.5倍。根據實施例，第一纖維的E模量大于60 GPa、優選地大于100 GPa、甚至 更優選地大于200 GPa。
[0012] "單向"意味著，所有的第一纖維都沿單個方向（在本文稱為長度方向）延伸。"雙 軸"意味著，所述第一纖維相對于本文稱為"長度方向"的方向以+45°和-45°的角度設 置。
[0013]第二纖維相對于第一纖維的長度方向"垂直地"設置意味著，相應第二纖維與相應 第一纖維之間的角度在90° ± 45°的范圍內、優選地在90° ± 20°的范圍內、甚至更 優選地在90° ± 5°的范圍內。
[0014]可被用于浸漬第一和第二纖維的樹脂的示例是環氧樹脂、聚酯、乙烯基酯或任何 其他合適熱塑性或硬質塑性材料。
[0015]相對于"第二纖維"而言的術語"纖維"要以廣義的意義來理解，并且包括纖維、紗 線、纖維細絲、（例如，粘結劑）的串珠、帶子、條帶、條子等。優選地，相應第二纖維的直徑小 于相應第一纖維的直徑。
[0016]根據實施例，樹脂和第二纖維的E模量小于第一纖維的E模量。
[0017]優選地，第一纖維的E模量比樹脂或第二纖維的E模量要大得多，如上文所述的。[0018]根據另一實施例，第二纖維由熱塑性材料和/或樹脂制成。這些材料典型地具有 與浸漬第一和第二纖維的樹脂的E模量相等的E模量。
[0019]根據另一實施例，第二纖維由環氧樹脂、聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET/PETP)或聚 酯制成。
[0020] 環氧樹脂以及PETP、PET或聚酯具有在2-4 GPa、優選地在2. 5-3. 5 GPa的范圍 內的E模量，且因此十分適合于旨在應用。
[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、優選地在1. 5 - 2 GPa的范圍內的E模量。
[0023]第二纖維還可包括上述材料的組合。
[0024]根據另一實施例，第二纖維均包括多個細絲。
[0025]所述細絲被組合以形成剛性紗線。細絲例如可以由熱塑性材料制成。
[0026]根據另一實施例，每個細絲具有在2 -20Mm的范圍內的直徑。
[0027]根據另一實施例，第二纖維均形成為單個纖維。
[0028]換言之，相應單個細絲由單個連接的材料件制成。單個纖維可由例如熱塑性材料 制成。
[0029]根據另一實施例，相應單個纖維的直徑在50 -500 Mm的范圍內。
[0030] 根據另一實施例，單個纖維例如可由熱固性樹脂制成。
[0031] 根據另一實施例，第二纖維和樹脂的E模量在1-6 GPa的范圍內。優選地，E模量 在2 - 4 GPa、甚至更優選地在2. 5- 3.5 GPa的范圍內。
[0032] 根據另一實施例，第二纖維經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] 根據另一實施例，第二纖維可用耦合劑來處理。耦合劑改進在第二纖維與樹脂之 間的界面處的機械連接。
[0034]此外，提供用于風力渦輪的部件、尤其是轉子葉片。該部件包括如上所述的纖維增 強復合物。
[0035]此外，提供一種用于制造風力渦輪的部件、尤其是上述部件的方法。該方法包括以 下步驟：a)提供包括多個第一纖維和多個第二纖維的纖維材料，所述第一纖維被設置成單 向或雙軸構造，所述第二纖維相對于所述第一纖維的長度方向垂直地設置；b)將所述纖維 材料鋪設到模具表面上；以及c)固化浸漬所述第一和第二纖維的樹脂以形成所述部件。
[0036] 包括第一和第二纖維的纖維材料可以預浸狀態(所謂的預浸材料）或以未浸漬狀 態被供應。在后者的情況下，纖維材料在步驟c)之前用樹脂來浸漬。例如，樹脂可以在樹 脂傳遞模塑（RTM)或真空輔助樹脂傳遞模塑（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 面之間的區域中。然后，樹脂被注入到所述區域中。在樹脂已經凝固或已經固化(通常通過 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，例如轉子葉片。當然，當 使用預浸材料時，不需要用樹脂來注入纖維材料。
[0037] 通常，模具可以是打開或關閉模具。例如，模具可包括一個或多個部分，尤其是下 部部分和上部部分。
[0038] "固化"或"凝固"是指所述樹脂被硬化和/或交聯至其中用樹脂浸漬的纖維材料 的形狀將不再會改變或不再會顯著地改變的程度。
[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 域技術人員認為合適的不同順序來實施。
[0040]如本文所使用的，"敷層"是指纖維材料的一層或多層。
[0041] "風力渦輪"目前指代將風的動能轉換為旋轉能量的設備，該旋轉能量可通過該設 備再次被轉換為電能。
[0042] 本發明的進一步可能的實施方式或替代性方案還包括針對所述實施例在上文或 下文描述的特征的組合，這種組合在本文未被明確地提出。本領域技術人員還可將單個或 孤立的方面和特征添加到本發明的最基本形式。
【附圖說明】
[0043]本發明的進一步目的、特征和優勢從后述說明和所附權利要求書結合附圖將顯而 易見，在附圖中： 圖1是根據一個實施例的風力渦輪的透視圖； 圖2A示出了根據實施例的纖維增強復合物的俯視圖； 圖2B示出了根據實施例的圖2A的放大圖； 圖