[发明专利]纤维增强的复合材料模制品和其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种制造纤维增强的复合材料模制品的方法和纤维增强 的复合材料模制品。特别地，本发明涉及一种适于制造诸如涡轮叶片、 桥梁和船体等大的复合材料结构的纤维增强的复合材料模制品。

背景技术

大多数纤维增强的复合材料部件需要外表面涂层以对部件提供美观 和保护涂饰。传统上，这种部件在成型后被涂漆或者使用具有足够环保 性的液态模具内涂层(凝胶涂层)。在某些应用中，涂漆是优选的，特别是 当需要将多个部件组装在一起并且可以随后通过填充和整流步骤隐藏任 何未对准或接合线以给予更多的无缝涂饰时。当最终颜色在开始建立时 未限定并且可以准备涂漆形式供应部件的情况下，也可使用涂漆。

涂漆纤维复合材料部件中的关键问题可能是防止纤维增强图案出现 在最终表面中。当使用更重、更低成本的增强纤维和织物来降低材料成 本和建立层压件厚度所花费的时间时，这是更重要的问题。常见的是， 除了凝胶涂层之外，使用更昂贵的低重量玻璃纤维层或非结构表面处理 薄绢来缓冲来自纤维增强物的油漆。通常的做法是，首先将液态凝胶涂 层应用到模具中，在这种情况下被设计成易于用砂纸打磨并修复涂漆之 前的任何缺陷。凝胶涂层在油漆和第一纤维层之间提供树脂阻挡层，通 过提供足够厚度以阻止纤维图案显示在最终表面中。如果层压件应用到 模具中，没有凝胶涂层阻挡层，则常见的是最终表面具有针孔状缺陷。 当涂漆时，针孔是特殊的问题，因为它们可能难以在初始模制品中辨认 出来，但是当部件涂漆时，油漆成网状，在针孔周围形成较大的缺陷， 从而需要返工。

即使当使用凝胶涂层时，也出现有时几个针孔存在的情况。希望具 有基本上彻底消除针孔问题的制造方法。

为了将凝胶涂层应用到较大部件上，如风力涡轮机、船舶、建筑模 制品和桥梁，需要额外设备，如凝胶涂层喷涂机和提取设备或与手动刷 子或辊子结合使用的混合设备，来减少凝胶涂层的缺陷并实现合理的沉 积速率。当等待凝胶涂层部分固化以对将要加到模具上的其余层压件建 立足够强度时，发生时间延迟。

目前用于制造风力涡轮叶片的三种主要热固性复合材料加工方法 是：

1.湿式层压(也称为开放式成型)-在该方法中，热固性树脂可以在 环境条件下固化，但工具通常加热至高温50～90℃，以加快树脂固化过 程；

2.使用预浸材料和本申请人自己拥有的以产品名出售的 预浸渍触干复合材料，这种材料通常在85℃～120℃的高温下固化；和

3.真空辅助树脂传递成型(也称为VARTM、树脂导注或真空导注)- 在该方法中，液态树脂在真空下被注入干燥纤维复合材料中，然后可以 在环境条件下固化，尽管工具(即模具)通常被加热到50～90℃的高温以 加快固化过程。

表面涂饰质量在空气动力学效率方面发挥重要作用。有些叶片制造 商将耐候性模具内凝胶涂层应用到最终表面层，其他制造商后续对叶片 喷漆。在任一种情况下，表面需要是光滑无缺陷的。目前，叶片制造商 花费大量的时间填充和固定叶片表面，并且随着对风力涡轮叶片的要求 增大，减少每个叶片在涂饰生产方面花费的时间的解决办法会节省时间， 降低成本并提高生产能力。

VARTM是一种有吸引力的制造叶片的方法，这是因为最初的低设备 安装成本、改善的层压件质量以及健康和安全原因。制备涂漆用VARTM 叶片的通常做法是，首先涂布模具内凝胶涂层，以在油漆和纤维增强的 层压件之间提供缓冲层，防止表面缺陷。然后，这种模具内涂层增大粘 度，形成粘性层，粘性层用于固定干增强纤维的第一层，因为使用在纤 维叠层件其余部分中使用的常用的喷洒粘合剂或粘合带体系很难将干织 物固定在剥离的工具表面上。在不需要将大量织物粘附到工具的小部件 上，凝胶涂层可由薄绢代替，在导注中用树脂浸渍。在较大部件中这是 不可行的，较大部件容易因倾向于在这些层中积累的空气泄漏或甚至轻 微空气漏气而产生缺陷，从而需要大量的返工来制备涂漆用部件。

尽管湿式层压和VARTM树脂体系确实在制造过程中的环境条件下 固化，但是工具通常加热到50～90℃以加快固化过程并改善最终机械性 能。在这种情况下，有可能将催化热固性表面树脂膜与环境固化树脂体 系组合，以实现具有高质量表面涂饰的共固化的层压件。

WO 02/094564公开了一种预浸表面膜材料，其被设计成提供易于准 备涂漆的树脂层。然而，这种预浸部件不适用于制造复合材料部件时广 泛使用的树脂导注法。