用于制造復(fù)合材料的預(yù)浸料坯制造技術(shù)

一種用于制造纖維增強復(fù)合材料的預(yù)浸料坯，所述預(yù)浸料坯包含主體和樹脂材料粉末涂料層，所述主體包含浸漬有基體樹脂材料的纖維增強物層，所述樹脂材料粉末涂料層位于所述主體的至少一個主表面上，并至少部分地融合至所述基體樹脂材料。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
【國外來華專利技術(shù)】
本專利技術(shù)涉及用于制造纖維增強復(fù)合材料的預(yù)浸料坯，以及制造該預(yù)浸料坯的方法。本專利技術(shù)還涉及該預(yù)浸料坯在制造纖維增強復(fù)合材料中的用途。
技術(shù)介紹
多年來，在纖維增強復(fù)合材料領(lǐng)域，人們已經(jīng)知道要提供包含浸漬有結(jié)構(gòu)聚合物樹脂(structuralpolymerresin)的纖維增強物層的預(yù)浸料坯。結(jié)構(gòu)聚合物樹脂的量要與纖維增強物的量仔細匹配。因此，預(yù)浸料坯可用于形成纖維增強復(fù)合材料的方法中，該方法中，提供了具有所期望形狀和構(gòu)造(configuration)的預(yù)浸料坯的多層層疊件(stack)，然后將所述多層層疊件加熱，從而使結(jié)構(gòu)聚合物樹脂熔融，再固化以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以由具有所期望機械性能的預(yù)浸料坯的層疊件制成纖維增強結(jié)構(gòu)制品。通常，結(jié)構(gòu)聚合物樹脂為熱固性樹脂(最常見為環(huán)氧樹脂)，其固化以形成固態(tài)樹脂基體。所述纖維可以選自各種材料，最常見的包括玻璃纖維或碳纖維。眾所周知的是，提供結(jié)構(gòu)聚合物樹脂完全浸漬到纖維增強物層中的預(yù)浸料坯。這為預(yù)浸料坯的外主表面提供了樹脂表面，使得纖維在整個預(yù)浸料坯樹脂內(nèi)實質(zhì)上均勻分布，這樣纖維均勻嵌入在樹脂內(nèi)，從而將初始樹脂層內(nèi)無意間存在的空隙最小化。其優(yōu)點在于，樹脂表面可以稍微具有粘著性，這樣通過粘著性樹脂表面將預(yù)浸料坯粘附在相鄰表面上，結(jié)果有助于通過將預(yù)浸料坯支撐在所期望的位置處來將預(yù)浸料坯鋪設(shè)r>(layup)到模具中。另外，纖維增強物的完全浸漬避免了對于結(jié)構(gòu)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。但是，完全浸漬的預(yù)浸料坯的一個突出問題在于，在形成這種預(yù)浸料坯的層疊件時，空氣會截留(trap)在相鄰的預(yù)浸料坯層之間，從而導(dǎo)致在最終固化后的、纖維增強復(fù)合材料的樹脂基材中，會存在層間空隙(inter-plyvoids)。這些空隙的存在顯著降低了復(fù)合材料的機械性能。在預(yù)浸料坯鋪設(shè)階段(lay-upprocess)，當(dāng)完全浸漬的預(yù)浸料坯層逐漸堆積(builtup)以形成其多層層疊件時，空氣會截留在相鄰預(yù)浸料坯層之間。相鄰預(yù)浸料坯層的樹脂表面的粘著性(tackiness)增加了空氣在預(yù)浸料坯界面處截留在層間的可能性。此外，為了提供具有低粘著性的此類完全浸漬的預(yù)浸料坯，基體樹脂的粘度影響了預(yù)浸料坯的鋪覆性，即，預(yù)浸料坯適應(yīng)模具表面三維形狀的能力。通常，鋪覆性更高的樹脂具有更高的表面粘著性。在本領(lǐng)域中對具有低粘著性和高鋪覆性的組合的預(yù)浸料坯存在需求。有不同厚度、形狀和體積、以及所需機械性能的產(chǎn)品。復(fù)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(jié)構(gòu)元件，所述結(jié)構(gòu)元件要求展現(xiàn)出高的機械勁度(stiffness)和壓縮強度。本領(lǐng)域已知，“翼梁蓋(sparcap)”為包含在特定鋪設(shè)件(layup)中的、細長的翼梁層壓物，用于制造風(fēng)力渦輪機葉片。翼梁蓋是細長的外部覆蓋層壓物層，位于中央結(jié)構(gòu)元件相對的兩面上，從而形成類似于“I”形橫梁構(gòu)造的、具有增強的機械強度的細長橫梁。對于這類翼梁或橫梁而言，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(unidirectionalfibre)。相反，為了提供具有板狀構(gòu)造或者具有扭轉(zhuǎn)強度的復(fù)合材料，提供雙軸取向(biaxiallyoriented)的纖維是合乎需要的。在風(fēng)能翼梁部分和潮汐翼梁部分中形成主要結(jié)構(gòu)增強物的典型細長構(gòu)件長15m-70m，厚10mm-100mm。其主要由單向纖維制成，以產(chǎn)生縱向強度和勁度。根據(jù)設(shè)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(offaxis)的材料，以提供剪切力傳遞、扭轉(zhuǎn)勁度和翼梁蓋彎曲穩(wěn)定性。通常，厚度和/或?qū)挾瓤裳刂砹旱拈L度而改變，以匹配所需的設(shè)計勁度和應(yīng)力。也可在任何給定的截面中改變厚度，從而向抗剪腹板(shearweb)提供合適的幾何形狀和負載轉(zhuǎn)移。除了改變厚度以外，翼梁蓋的幾何形狀可在一個或多個方向具有曲率，以匹配所期望的空氣動力學(xué)輪廓，并有利地利用曲率減少翼梁蓋在負載下彎曲的趨勢。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(shè)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(jīng)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(yù)浸料坯，或者單位面積重量為100-900gsm的碳增強纖維織物或預(yù)浸料坯。可將這些片層或?qū)宇A(yù)先切成幾何形狀，或以卷的形式使用。隨著曲率改變，通常需要進行一些剪切，以適應(yīng)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(fā)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。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(zhì)上更難以透過空氣和樹脂，因此更難以可靠地對此類碳纖維疊層進行加工。在VARTM(真空輔助樹脂傳遞模塑)方法中，將干燥纖維鋪設(shè)至模具中，然后以低成本的低粘度液態(tài)樹脂浸漬。所述纖維通常是預(yù)縫制的和/或使用熱塑性粘合劑穩(wěn)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以形成間隙，從而促進樹脂流動。這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(jié)構(gòu)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(chǎn)當(dāng)代玻璃纖維風(fēng)力渦輪機，其中，該設(shè)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(xué)效率更高的渦輪機(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(xué)效率得以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。由于增強物的低滲透性，碳纖維的較厚部分已證實難以使用VARTM法可靠地進行灌注。在碳翼梁設(shè)計中，抗壓強度成為關(guān)鍵的設(shè)計驅(qū)動力。可通過使用改進材料特性的預(yù)浸料坯材料來實現(xiàn)經(jīng)濟上的節(jié)約，所述預(yù)浸料坯材料允許使用純的準(zhǔn)直纖維(collimatedfibre)。在預(yù)浸料坯生產(chǎn)和鋪設(shè)過程中，更高粘度的半固體預(yù)浸料坯樹脂則以準(zhǔn)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本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護點】
一種用于制造纖維增強復(fù)合材料的預(yù)浸料坯，所述預(yù)浸料坯包含主體和粉末涂料層，所述主體包含浸漬有基體樹脂材料的纖維增強物層，所述粉末涂料層位于所述主體的至少一個主表面上，并粘附至所述基體樹脂材料，所述粉末涂料層包含至少部分地融合至所述基體樹脂材料并從所述基體樹脂材料向外突起的樹脂粒子，并且所述粉末涂料層對于沿所述粉末涂料層的平面方向上的空氣流動而言是多孔的。

【技術(shù)特征摘要】
【國外來華專利技術(shù)】2013.07.17 GB 1312787.31.一種用于制造纖維增強復(fù)合材料的預(yù)浸料坯，所述預(yù)浸料坯包含
主體和粉末涂料層，所述主體包含浸漬有基體樹脂材料的纖維增強物層，
所述粉末涂料層位于所述主體的至少一個主表面上，并粘附至所述基體
樹脂材料，所述粉末涂料層包含至少部分地融合至所述基體樹脂材料并
從所述基體樹脂材料向外突起的樹脂粒子，并且所述粉末涂料層對于沿
所述粉末涂料層的平面方向上的空氣流動而言是多孔的。
2.如權(quán)利要求1所述的預(yù)浸料坯，其中，所述主體具有兩個相對的
主表面，并且所述粉末涂料層位于全部兩個主表面上。
3.如權(quán)利要求1或2所述的預(yù)浸料坯，其中，所述粉末涂料層實質(zhì)
上覆蓋所述至少一個主表面。
4.如前述權(quán)利要求中任一項所述的預(yù)浸料坯，其中，所述纖維增強
物層被所述基體樹脂材料完全浸漬。
5.如前述權(quán)利要求中任一項所述的預(yù)浸料坯，其中，所述預(yù)浸料坯
是細長的，在縱向方向上延伸，并且所述纖維增強物層為在所述預(yù)浸料
坯的縱向方向上延伸的單向纖維增強物。
6.如前述權(quán)利要求中任一項所述的預(yù)浸料坯，其中，所述粉末涂料
層包含具有如下粒徑的粒子：25-2000微米、任選50-1000微米、進一步
任選75-750微米、更進一步任選100-600微米、又進一步任選175-500
微米、更進一步任選250-500微米。
7.如權(quán)利要求8所述的預(yù)浸料坯，其中，所述粉末涂料層至少50％
的粒子為具有如下粒徑的粒子：25-2000微米、任選50-1000微米、進一
步任選75-750微米、更進一步任選100-600微米、又進一步任選175-500

\t微米、更進一步任選250-500微米。
8.如前述權(quán)利要求中任一項所述的預(yù)浸料坯，其中，所述粉末涂料
層具有5-80克/平方米、任選5-50克/平方米、任選10-30克/平方米、進
一步任選15-25克/平方米的涂料重量。
9.如前述權(quán)利要求中任一項所述的預(yù)浸料坯，其中，所述粉末涂料
層實質(zhì)上包含位于所述主體的所述主表面上的粉末粒子單層，所述單層
任選為連續(xù)或不連續(xù)的。
10.如前述權(quán)利要求中任一項所述的預(yù)浸料坯，其中，所述粉末涂
料層包含粉末粒子，所述粉末粒子在所述主體的所述主表面處部分嵌入
至所述基體樹脂材料中。
11.如前述權(quán)利要求中任一項所述的預(yù)浸料坯，其中，所述粉末涂料
層包含粒徑為250-500微米的粉末粒子，所述粒徑為250-500微米的粉末
粒子具有15-25克/平方米的涂料重量；任選地，所述粉末涂料層進一步
包含粒徑為2-100微米的另外的粉末粒子，所述粒徑為2-100微米的另外
的粉末粒子具有1-5克/平方米的涂料重量。
12.如前述權(quán)利要求中任一項所述的預(yù)浸料坯，其中，所述預(yù)浸料
坯包含所述主體和至少一個所述粉末涂料層，具有0.5mm-0.85mm、任
選0.6mm-0.8mm的總厚度。
13.如前述權(quán)利要求中任一項所述的預(yù)浸料坯，其中，所述樹脂粒
子包含能夠與所述基體樹脂材料共聚的樹脂材料。
14.如權(quán)利要求13所述的預(yù)浸料坯，其中，所述基體樹脂材料和所
述粉末涂料的樹脂材料均由熱固性樹脂構(gòu)成。
15.如權(quán)利要求13或14所述的預(yù)浸料坯，其中，所述粒子的樹脂

\t和所述基體樹脂在固化時形成單相的固化樹脂基體。
16.如權(quán)利要求13-15中任一項所述的預(yù)浸料坯，其中，所述基體樹
脂材料和所述粉末涂料的樹脂材料各自為環(huán)氧樹脂。
17.如前述權(quán)利要求中任一項所述的預(yù)浸料坯，其中，所述粉末涂
料的樹脂材料具有比所述基體樹脂材料更高的熔點，任選地，其中所述
粉末的熔點低于85℃。
18.如前述權(quán)利要求中任一項所述的預(yù)浸料坯，其中，所述粉末涂
料的樹脂材料具有比所述基體樹脂材料更高的Tg。
19.如前述權(quán)利要求中任一項所述的預(yù)浸料坯，其中，對于所述粉
末涂料層中至少大部分的粒子而言，大于50％的粒子高度被暴露在所述
基體樹脂表面以上。
20.如前述權(quán)利要求中任一項所述的預(yù)浸料坯，所述預(yù)浸料坯被成
型為經(jīng)繞制的所述預(yù)浸料坯的卷，任選地，其中所述卷的相鄰預(yù)浸料坯
層的所述粉末涂料層彼此直接接觸，相鄰的所述粉末涂料層實質(zhì)上彼此
未相互粘附。
21.一種生產(chǎn)用于制造纖維增強復(fù)合材料的預(yù)浸料坯的方法，所述
方法包括如下步驟：
(a)提供基底，所述基底包含浸漬有基體樹脂材料的纖維增強物層；
(b)將粉末涂料層涂布至所述纖維增強物層的至少一個主表面，所
述粉末涂料層包含樹脂粒子；以及
(c)對至少一個所述粉末涂料層和所述至少一個主表面進行加熱，
以將所述樹脂粒子至少部分地融合至所述基體樹脂材料，經(jīng)融合的樹脂
粒子從所述基體樹脂材料向外突起，并且所述粉末涂料層對于沿所述粉
末涂料層的平面方向上的空氣流動而言是多孔的。
22.如權(quán)利要求21所述的方法，其中，在涂布步驟(b)中，通過
靜電磁刷、通過重力或通過摩擦靜電噴槍將所述粉末涂料粒子涂布至所
述至少一個主表面。
23.如權(quán)利要求21或22所述的方法，其中，在加熱步驟(c)中，
將來自至少一個紅外輻射源的紅外輻射施用至粉末涂料層和至少一個主
表面，以將樹脂加熱至足以引起所述基體樹脂和所述樹脂粒子的經(jīng)輻照
的樹脂表面熔融的表面溫度。
24.如權(quán)利要求23所述的方法，其中，將所述樹脂加熱至70℃-100℃
的表面溫度。
25.如權(quán)利要求23或24所述的方法，其中，所述粉末涂料層和所
述至少一個主表面曝露至所述紅外輻射的時間為0.2秒-2秒、任選0.2秒
-0.5秒。
26.如權(quán)利要求23-25中任一項所述的方法，其中，將來自至少一個
紅外輻射源的所述紅外輻射施用于30,000mm2的輻照區(qū)域內(nèi)，具有2
kW-4kW的輸出功率。
27.如權(quán)利要求26所述的方法，其中，所述至少一個紅外輻射源與
所述粉末涂料層及所述至少一個主表面相隔開5mm-150mm的距離。
28.如權(quán)利要求26中任一項所述的方法，其中，在加熱步驟(c)中，
所述至少一個紅外輻射源是靜止的，并將所述主體、所述基底和所述粉
末涂料層運送穿過所述至少一個紅外輻射源。
29.如權(quán)利要求21-28中任一項所述的方法，所述方法在涂布步驟
(c)之后進一步包含下述步驟(d)：向所述粉末涂料的粒子施加壓力，
使得所述粉末粒子固結(jié)到所述至少一個主表面中，從而使得所述粉末粒
子部分地嵌入至所述主表面。
30.如權(quán)利要求29所述的方法，其中，在步驟(c)中，由成對的輥
施加所述壓力，所述粉末涂覆的基底從所述成對的輥之間通過。
31.如權(quán)利要求30所述的方法，其中，對所述輥進行加熱。
32.如權(quán)利要求30或31所述的方法，其中，所述輥具有PTFE表面。
33.如權(quán)利要求21-32中任一項所述的方法，其中，所述基底具有兩
個相對的主表面，并且在步驟(b)中，將所述粉末涂料層涂布至全部兩
個主表面。
34.如權(quán)利要求21-33中任一項所述的方法，其中，在步驟(b)中，
涂布所述粉末涂料層，從而使得實質(zhì)上覆蓋所述至少一個主表面。
35.如權(quán)利要求21-34中任一項所述的方法，其中，在所述基底中，
所述纖維增強物層被所述基體樹脂材料完全浸漬。
36.如權(quán)利要求21-35中任一項所述的方法，其中，所述基底是細長
的，并沿縱向方向延伸，所述纖維增強物層為在所述基底的縱向方向上
延伸的單向纖維增強物。
37.如權(quán)利要求21-36中任一項所述的方法，其中，在步驟(b)中，
所述粉末涂料層包括具有如下粒徑的粒子：25-2000微米、任選50-1000
微米、進一步任選75-750微米、更進一步任選100-600微米、又進一步
任選175-500微米、更進一步任選250-500微米。
38.如權(quán)利要求37所述的方法，其中，所述粉末涂料層至少50％的
粒子為具有如下粒徑的粒子：25-2000微米、任選50-1000微米、進一步
任選75-750微米、更進一步任選100-600微米、...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：保羅·斯潘塞，凱文·史蒂文·卡迪，
申請(專利權(quán))人：古瑞特英國有限公司，
類型：發(fā)明
國別省市：英國;GB