[发明专利]模制聚合物复合材料的加热塑模

说明书

技术领域

本发明涉及适合于高温模制聚合物复合材料诸如热塑性和热固性复合材料组件的塑模。该塑模可以用于制造复合材料制品诸如风力涡轮机叶片。描述了较大结构的元件或制品的制造方法，其通常被认为比起例如较小的风力涡轮机叶片更难制造。这类组件的实例包括风力涡轮机叶片、飞机机身的部分、船只结构(marine structures)诸如船体以及大的汽车和运输工具面板、外层或容器。

技术背景

复合材料和塑料材料用于使用各种模塑技术和设备制造产品。制造复合材料和塑料材料的方法通常需要将热提供给产品材料，其将导致该材料呈现模表面的形状。加热也可以在材料中激活化学固化或者聚合、或者一些其它期望的化学变化或形态变化。

加热例如可以通过高压釜和印压机提供。这些方法通常产生漫长的周期时间以获得被制造部件所需要的温度状态，并且因此热加工周期通常由塑模和装备限制所限定，而不是由加工材料的最佳周期所限定。当被加工的复合材料组件的尺寸超过一定的限制时，高压釜和印压机的成本可以变得令人望而却步。

非常大的复合材料制品诸如风力涡轮机叶片的制造例如可涉及多个技术难题。这些问题由于叶片的长度被放大。

此外，通常在本领域中使用的复合材料塑模没有坚固到足以被安全地操纵，并且不能够经受在复合材料制品的生产中使用的重复高温过程。金属塑模不适合于在高温制造非常大的复合材料制品，因为它们由于塑模和在其中加工的复合材料之间热膨胀系数不匹配而不可用。此外，已知的陶瓷塑模通常没有坚固到足以经受操纵。例如，当例如加工复合材料的真空压力被施加到大的陶瓷塑模时，其往往塌陷。

因此，对于用于加工大的复合材料制品或其部件、具有内部加热的改进的塑模存在需求。

本发明的一个目的是提供适合于加工大的复合材料组件的塑模，其具有高的强度和有效的加热设备。

最近，出现了可再生能源领域的诸多研究和开发。具体地，很多研究已经集中在风能和其生成的方法。在本发明内特别感兴趣的是适合于风力发电使用的叶片，通常是用于转化天然风能成为足以驱动涡轮的转动能量的那些类型。这些叶片形状适合于捕获天然风能并从该天然风能产生转动运动。该转动运动被用于驱动发动机，其又生成电。叶片通常是转化风动能成为机械能的薄片。这些叶片常常被称为风力涡轮机叶片。

复合材料制品诸如风力涡轮机叶片的制造方法在本领域是熟知的。大的复合材料制品诸如大的风力涡轮机叶片通常由以下三种方法中的一种制造：手工铺叠(hand layup)；预浸渍带(pre-impregnated tape)以及一些形式的液体树脂注入干纤维和芯预制件(core perform)的方法。一般而言，涡轮叶片在两个凹形半壳中制成，其中凹表面彼此面对，结构支撑物如盒形梁(spar-box)或梁(spar)在两个匹配的半部分之间的腔中。在叶片与轮毂连接处，该部分(总称为根部分)是圆柱形单片复合材料层压板，并且通常分开地制造。整个组件然后在额外的操作中进行粘结结合——一个可能是复杂和费时的过程。

生产大的复合材料结构的最基本方法是使用手工铺叠玻璃纤维和未固化的热固性树脂诸如环氧树脂和聚酯树脂。这涉及手工施加玻璃纤维和树脂的交替层，其中刷子和辊被用于手工地施加一定压力到叠层上，以去除气穴和确保树脂已经渗透加强物。这个方法的主要优势是它便宜，因为不需要复杂设备。叶片加工可以是未被加热的，或者可能是加热的，例如至80℃，以引发固化反应。手工铺叠的主要缺点是它不干净和难以控制层压件质量。在工作场所存在与使用未固化的树脂相关的重大健康和安全问题。一般而言，大的复合材料结构的这种方法正在逐渐地被液体树脂注入方法或者使用预浸渍带所替代。

使用预浸渍带是比手工铺叠更先进的制作方法。在风力涡轮机叶片中，带通常由玻璃纤维强化的环氧树脂制成，但是碳纤维强化的环氧树脂也可以特别地在梁中使用。带通过手工铺叠或自动地铺叠在具有叶片壳的一半部分的形状的工具之上。整个铺叠物然后封装在真空袋中并进行空气抽空。然后对工具进行加热以固化树脂，通常到100℃的温度以上，持续多个小时，其可以是在4小时和8小时之间，这取决于叶片的尺寸。相同的操作在独立的工具上对叶片壳的另一半部分进行。梁和根部分在第三和第四工具上分别制造，与叶片壳的对半部分独立地进行。

总的来说，整个过程——包括部件制造和粘接——可能花费24小时和36小时之间以从其单独部件(即，壳的半部分、梁和根部分)完全地生产大的例如长＞40m的风力涡轮机叶片。