專利名稱：復合材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于制造纖維增強復合材料的預浸料坯。進一步地講，本發(fā)明涉及這 種預浸料坯在制造纖維增強復合材料中的用途和制造纖維增強復合材料的方法。
背景技術(shù)：
多年來，在纖維增強復合材料領(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(structural polymer resin)的纖維增強物層的預浸料坯。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，預浸料坯可用于形成纖維增強復合材料的方法中，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浸料坯。這 為預浸料坯的外主表面提供了樹脂表面，使得纖維在整個預浸料坯樹脂內(nèi)基本上均勻分 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浸料坯粘附在相鄰表面 上，結(jié)果有助于通過將預浸料坯支撐在所期望的位置處來將預浸料坯鋪設(lay up)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，完全浸漬的預浸料坯的一個突出問題在于，在形成這種預浸料坯的層疊件 時，空氣會截留(trap)在相鄰的預浸料坯層之間，從而導致在最終固化后的、纖維增強復 合材料的樹脂基材中，會存在層間空隙(inter-ply voids)。這些空隙的存在顯著降低了復 合材料的機械性能。在預浸料坯鋪設階段(lay-up process)，當完全浸漬的預浸料坯層逐 漸堆積(built up)以形成其多層層疊件時，空氣會截留在相鄰預浸料坯層之間。相鄰預浸 料坯層的樹脂表面的粘著性(tackiness)增加了空氣在預浸料坯界面處截留在層間的可 能性。在克服不希望形成層間空隙的嘗試中，新近已經(jīng)提出了提供只是部分浸漬有結(jié)構(gòu) 聚合物樹脂的預浸料坯，從而在預浸料坯的一個或兩個主表面上存在干燥纖維增強物層。 本申請人生產(chǎn)出了這種已知的部分浸漬預浸料坯或半浸料坯(semipreg)，并且以注冊商標 SPRINT 進行銷售。這種部分浸漬的預浸料坯其優(yōu)點在于，在預浸料坯層疊為層疊件時，在初始真空 固結(jié)(vacuum consolidation)階段，隨著干燥纖維增強物層隨結(jié)構(gòu)聚合物樹脂的融化而 完全浸濕，這一干燥纖維增強物層使得空氣穿過干燥纖維增強物層而逐漸排出。在預浸料 坯真空固結(jié)期間，使預浸料坯層疊件經(jīng)受負壓(即真空)，以幫助將空氣從相鄰的預浸料坯
7和干燥纖維增強物的區(qū)域之間去除。在隨后的固化作用(curing)前，在所施加的真空作用 下，干燥纖維增強物的區(qū)域逐漸被多結(jié)構(gòu)聚合物樹脂浸濕。因此，該部分浸漬的預浸料坯結(jié) 構(gòu)的優(yōu)點在于，在相鄰層之間的層間空隙趨向減少甚至消除。已知利用預浸料坯可以制造各種具有不同厚度、形狀和體積以及所需機械性能的 產(chǎn)品。復合材料的一個特殊用途在于制造細長的桿(spar)或梁(beam)形式的結(jié)構(gòu)件，所 述結(jié)構(gòu)件要求顯示出高的機械勁度(stiffness)和壓縮強度。對于這類桿或梁而言，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桿或梁的方向取向的纖維，尤其 是單向纖維(unidirectional fibre)。相反，為了提供具有板狀構(gòu)造或者具有扭轉(zhuǎn)強度的復合材料，提供雙軸取向 (biaxialIy oriented)的纖維是合乎需要的。但是，在制造這種包含沿桿或梁的長度延伸的單向纖維的、結(jié)構(gòu)性的桿或梁時， 在采用這種具有干燥纖維增強物外表面的、部分浸漬的預浸料坯的情況下，還存在技術(shù)問 題。該技術(shù)問題在于，沒有用結(jié)構(gòu)聚合物樹脂浸漬的外部的單向干燥纖維容易在預浸料 坯的平面內(nèi)發(fā)生橫向扭曲。在這些預浸料坯組裝在一起成為多層層疊件時，這使得單向 取向的纖維變?yōu)榉蔷€性的，從而造成在所得復合材料的平面中出現(xiàn)一定程度的纖維波紋 (waviness)、扭曲或彎曲。單向纖維的這種非線性會降低結(jié)構(gòu)件(例如桿)的壓縮強度。另外，在預浸料坯的真空固結(jié)期間，在將這些部分浸漬的預浸料坯在多層層疊件 中組裝在一起以形成結(jié)構(gòu)件時，預浸料坯的多層層疊件厚度會收縮，即本領(lǐng)域已知的“失樣 (de-lofting)”的現(xiàn)象。由于纖維將容易在壓縮負載作用下更早變形，所以該“失樣”對單 向纖維造成一些面外波紋(out-of plane waviness)，所述面外波紋降低了壓縮機械性能。另外，在制造這種包含沿桿或梁的長度延伸的單向纖維的、結(jié)構(gòu)性的桿或梁時，在 采用完全浸漬的預浸料坯時進一步存在技術(shù)問題。很容易形成層內(nèi)空隙，這會明顯降低結(jié) 構(gòu)件的機械性能。JP-A-08/183U9公開了隔音阻尼材料，沒有涉及纖維增強復合材料的結(jié)構(gòu)性能。JP-A-2003/0(^990公開了包含浸漬有熱塑性樹脂和兩種環(huán)氧樹脂的碳纖維的預 浸料坯，從而提供了高的纏繞性能、粘著性和懸垂性(drape)。US-A-2007/179461公開了用于造口術(shù)(ostomy)或傷口護理器具的熱熔融硅酮壓 敏粘合劑。W0-A-2005-0755M公開了包含具有特定弛豫時間的聚烯烴樹脂的纖維增強復合 材料。JP-A-2007/161797公開了一種預浸料坯的性能測試方法，其中預浸料坯的半硬化 狀態(tài)是數(shù)字化控制的，與樹脂種類或預浸料坯的結(jié)構(gòu)無關(guān)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明至少部分是為了克服已知預浸料坯的這些技術(shù)問題，所述預浸料坯用于制 造桿或梁形式的細長結(jié)構(gòu)件。因此，本發(fā)明提供了用于制造纖維增強復合材料的預浸料坯，所述預浸料坯包括 由基體樹脂材料完全浸漬的纖維增強物層，其中至少所述樹脂材料的表面在室溫下具有粘 度(viscosity)和粘著性(tack)，并且每個預浸料坯在室溫下具有勁度，從而在兩個預浸料坯用相鄰的樹脂材料表面在室溫下設置成其垂直層疊件時，所述相鄰的樹脂材料表面不 粘合(unadhered)并且在它們之間形成連續(xù)空氣通道(air path)。如下文中更詳細解釋的那樣，樹脂材料表面可顯示出低粘著性，尤其在用于復合 材料領(lǐng)域的常見鋪設溫度下。這使得所述表面暫時處于并且保持在所需位置中，所述表面 朝向模具表面或朝向具有類似或相同性能的相鄰樹脂材料表面。這種低粘著性使得預浸料 坯可以按照要求重新定位(!^positioning)。因此，任意相鄰樹脂材料表面不粘合的程度， 應使得它們不會在其間形成強粘結(jié)或永久粘結(jié)；而由于低粘著性樹脂材料的表面性能，所 述表面仍然可以暫時粘著在一起，但是不會永久粘附或難以分開。下文所公開的本發(fā)明的 一些實施方式參照粘著性測試表進行說明，該表提供了對于樹脂材料表面所顯示出的粘著 性程度(尤其是低粘著性程度)的量化。通過在相鄰接觸面之間形成只是低粘著性或微粘 著性的連接、而非永久粘結(jié)或者需要高分離力的粘結(jié)，相鄰表面不會密封在一起，由于在它 們之間形成連續(xù)空氣通道，因而不會抑制它們之間的氣流。優(yōu)選的是，該預浸料坯相對的主表面具有由其中的多條溝槽(channel)提供的表 面粗糙度。優(yōu)選的是，這些溝槽壓印(emboss)到樹脂表面中。本發(fā)明進一步提供了用于制造纖維增強復合材料的預浸料坯，該預浸料坯包含 由基體樹脂材料完全浸漬的纖維增強物層，其中至少樹脂材料的表面具有3X 105 至 1 X IO8Pa的儲能模量G，和2 X IO6Pa至1 X IO8Pa的損耗模量G”。優(yōu)選的是，該樹脂材料具有1 X IO6Pa至1 X 107Pa、更優(yōu)選2X 106 至4X IO6Pa的 儲能模量G’。優(yōu)選的是，該樹脂材料具有5 X IO6Pa至1 X 107Pa、更優(yōu)選7 X IO6Pa至9 X IO6Pa的 損耗模量G”。優(yōu)選的是，該樹脂材料具有5 X IO5Pa · s至1 X IO7Pa · S、更優(yōu)選7. 5 X IO5Pa · s至 5X106Pa· s的復數(shù)粘度。優(yōu)選的是，該樹脂材料具有1 X IO6Pa至2X IO6Pa的復數(shù)粘度，更優(yōu)選在80°C時 5-30Pa · s的復數(shù)粘度。優(yōu)選的是，該樹脂材料在80°C下具有10_25Pa · s的復數(shù)粘度。優(yōu)選的是，該樹脂材料為環(huán)氧樹脂。優(yōu)選的是，該預浸料坯在其縱向上是細長的，并且所述纖維增強物沿著所述預浸 料坯的縱向為單向的。優(yōu)選的是，在該預浸料坯兩個相對的主表面中壓印有溝槽陣列(an array of channels)0該預浸料坯進一步包括對所述預浸料坯的每個相對的主表面進行覆蓋的襯板 (liner sheet)，其中與相鄰樹脂表面接觸的襯板表面向外具有壓紋，并且所述具有壓紋的 表面被壓到所述樹脂表面中以形成溝槽陣列。優(yōu)選的是，該預浸料坯是細長的，并且用來形成纖維增強復合材料的細長結(jié)構(gòu)件。本發(fā)明進一步提供了用于制造纖維增強復合材料的預浸料坯，該預浸料坯包含由 基體樹脂材料完全浸漬的纖維增強物層，其中至少所述樹脂材料的表面在復數(shù)模量G*和 儲能模量G’之間具有相位角δ，并且所述相位角δ的值在10-25°C的溫度范圍中增加至少邪°。任選的是，在10_25°C的溫度范圍中，復數(shù)模量G*和儲能模量G’之間的相位角δ 的值增加25-70°的值。任選的是，在10_25°C的溫度范圍中，復數(shù)模量G*和儲能模量G’之間的相位角δ 的值增加35-65°的值。任選的是，在12. 5_25°C范圍內(nèi)的至少一個溫度值處，復數(shù)模量G*和儲能模量G’ 之間的相位角S的值不超過70°和/或至少為50°。任選的是，該樹脂材料具有2 X IO5Pa至1 X IO7Pa的儲能模量G’和7. 5 X IO5Pa至 1 X IO7Pa的損耗模量G”，和/或1 X IO5Pa · s至1 X IO7Pa · s的復數(shù)粘度。如下文中更詳細解釋的那樣，在相位角δ高(即接近90° )時，樹脂趨向于表現(xiàn) 為粘性液體，因此它可以在預浸料坯鋪設期間變形進入到設定位置，但是它會顯示出一些 (或高)粘著性(或表面粘附作用)；而在相位角S低(即接近0° )時，樹脂趨向于表現(xiàn) 為彈性固體，因此它不能在預浸料坯鋪設期間變形進入設定位置，并且它顯出低(或無)粘 著性。本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，選擇下述預浸料坯樹脂存在技術(shù)優(yōu)勢在涵蓋預浸料坯通常的儲 藏溫度和鋪設溫度的溫度范圍中，所述樹脂的相位角δ隨著溫度而變化。一般來說，對于 一些預浸料坯樹脂而言，在較低溫度下相位角δ低，在較高溫度下相位角δ高，并且在特 定溫度范圍內(nèi)低相位角δ和高相位角δ之間發(fā)生轉(zhuǎn)變。具體而言，本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)通過在通常儲藏溫度下具有相對低的相位角 δ (例如在低于10°C的通常儲藏溫度下，不超過50° )、通常的鋪設溫度下具有相對高的相 位角S (例如在20-25°C的通常鋪設溫度范圍內(nèi)，高達約70° )、并且在10-25°C的溫度范 圍中，在低相位角δ值和高相位角δ值之間存在至少25°的急劇轉(zhuǎn)變，則可以在工廠或車 間的環(huán)境條件下進行鋪設并真空固結(jié)，從而在良好的懸垂性/可變形性、以及相鄰預浸料 坯層間良好的層間空氣逸出性之間實現(xiàn)平衡。在從10-25°C的溫度范圍內(nèi)，用于本發(fā)明另一方面的優(yōu)選樹脂在低相位角δ和高 相位角δ之間轉(zhuǎn)變，這意味著在所述轉(zhuǎn)變作用中存在有用的溫度范圍，該溫度范圍通常存 在于用以制造纖維增強復合材料的車間或工廠中，在該溫度范圍中，相位角δ的值處于中 間值(例如50-70° )。這意味著在某溫度范圍內(nèi)，預浸料坯可顯示出所期望的低粘著性和 可變形性的組合，而在車間或工廠中通常遇到的環(huán)境溫度條件下可以很容易地實現(xiàn)或控制 所述溫度范圍。在該相位角值處，樹脂能夠可靠地顯示出所期望的低粘著性和可變形性的 組合。本發(fā)明進一步提供了制造纖維增強復合材料細長結(jié)構(gòu)件的方法，該方法包括以下 步驟(a)提供多個本發(fā)明的預浸料坯；(b)將所述多個預浸料坯組裝成細長層疊件；(c)對所述層疊件施以真空以使所述層疊件固結(jié)，并且從所述層疊件的相鄰預浸 料坯之間去除空氣；以及(d)使得所述基體樹脂材料固化以形成所述細長結(jié)構(gòu)件。優(yōu)選的是，在步驟(b)中，將所述層疊件組裝在由部分浸漬的預浸料坯構(gòu)成的主體內(nèi)，并且所述層疊件由所述部分浸漬的預浸料坯的纖維增強物包圍。優(yōu)選的是，所述細長結(jié)構(gòu)件為在風力渦輪機葉片內(nèi)的桿。本發(fā)明進一步提供了本發(fā)明的預浸料坯在制造纖維增強復合材料細長結(jié)構(gòu)件、尤 其是桿或梁中的用途。本發(fā)明人基于以下發(fā)現(xiàn)推斷出本發(fā)明用于制造細長結(jié)構(gòu)件(例如桿或梁)的預 浸料坯可具有高樹脂粘度、高預浸料坯勁度和低粘著性的性能的組合；目前在復合材料領(lǐng) 域的技術(shù)人員看來，上述性能的組合在預浸料坯中是不符合要求的。本發(fā)明人的這一發(fā)現(xiàn) 實現(xiàn)了滿足下述事實的預浸料坯結(jié)構(gòu)只需要相對較短的空氣通道(通常直至約500_)， 即可進行預浸料坯多層層疊件的真空固結(jié)，以形成細長結(jié)構(gòu)件。這是因為，細長結(jié)構(gòu)件通 常其最大寬度為1米，空氣能夠沿著從細長結(jié)構(gòu)件的縱向中心延伸出的相對方向上橫向排 出ο 在制造細長結(jié)構(gòu)件整體形成在產(chǎn)品的其他復合層疊部分內(nèi)的產(chǎn)品時(例如風力 渦輪機葉片，其中每個單向桿由雙軸向復合材料包圍)，預浸料坯層疊件幫助空氣排出，從 而在真空固結(jié)階段形成由干燥纖維增強物包圍的細長結(jié)構(gòu)件。這些干燥纖維具有高的透氣 性，允許將截留的氣體輸送回大型復合模具中的真空源。這些干燥纖維增強物可以存在于 半浸料坯或存在于例如申請人的SPRINT 材料的產(chǎn)品中，這包括具有干燥纖維外表面的不 連續(xù)(discrete)中心樹脂層。另外，形成細長結(jié)構(gòu)件的預浸料坯的多層層疊件可以基本上為扁平的，從而每 個預浸料坯在放下以形成層疊件時可以基本上為平面。因此，形成層疊件的每個預浸 料坯不需要為了懸垂到具有任意小半徑彎曲的彎曲表面或波動表面上而具有機械柔性 (mechanical flexibility)。相反，預浸料坯可顯示出高的勁度和剛度(rigidity)，并且該 層疊件的單個預浸料坯的勁度積極地幫助空氣從預浸料坯之間排出，并幫助減少了層內(nèi)空 隙。在纖維為縱向取向的單向(UD)纖維時，勁度和剛度在縱向上趨向于更高，纖維取向限 制了預浸料坯沿著橫向線的撓曲(flexing)。另外，通過為預浸料坯選擇高粘基體樹脂，這不僅有助于制備出高勁度的預浸料 坯，而且還確保在預浸料坯鋪設期間和鋪設之后，保持了形成預浸料坯之間間隙(gap)的 任意間隔(spacing)，從而有助于真空固結(jié)期間空氣的排出。樹脂還具有低的粘著性，并 且因此降低了相鄰預浸料坯表面的相互粘附，這樣通過減少層內(nèi)空氣的封閉空穴(closed pockets)的形成從而幫助空氣排出，所述封閉空穴在真空固結(jié)期間將會阻止或限制空氣逸 出ο這種高粘基體樹脂可以是完全浸漬的預浸料坯中唯一的樹脂?；蛘?，完全浸漬的 預浸料坯可以包括兩個或多個樹脂層的夾層結(jié)構(gòu)(sandwich structure)，該夾層結(jié)構(gòu)包 括至少一個(優(yōu)選兩個相對的)的高粘基體樹脂(作為第一樹脂)的最外層；以及相鄰 的(優(yōu)選中心的)第二樹脂的層，所述第二樹脂具有低于第一樹脂層的粘度。該第二樹脂 提供了更可懸垂的樹脂(more drapable resin)，從而預浸料坯可顯示出以下性能的組合 (a)前述有助于真空固結(jié)期間空氣排出的表面性能(在一個或多個、優(yōu)選兩個主表面上)； 以及(b)高懸垂水平的整體性能(bulk property)。因此，在本發(fā)明的預浸料坯的一些實施方式中，基體樹脂材料為完全浸漬的預浸 料坯中唯一的樹脂。或者，在本發(fā)明的預浸料坯的其他實施方式中，完全浸漬的預浸料坯包括兩個或多個樹脂層的夾層結(jié)構(gòu)，該夾層結(jié)構(gòu)包括至少一個第一樹脂的最外層，提供樹脂 材料的表面；以及相鄰的第二樹脂的層，所述第二樹脂具有低于第一樹脂的粘度。優(yōu)選的是，這種夾層結(jié)構(gòu)包括兩個相對的所述第一樹脂的最外層；以及所述第 二樹脂中心層，所述第二樹脂具有低于第一樹脂的粘度。任選的是，所述第二樹脂具有IX 103 至小于3X 105 的儲能模量G’和/或 1 X IO4Pa至小于2 X IO6Pa的損耗模量G”。任選的是，所述第二樹脂具有1 X IO3Pa · s至小 于5X 105 · s的復數(shù)粘度。任選的是，所述第二樹脂在復數(shù)模量G*和儲能模量G’之間 具有相位角S，所述相位角S在10-25°C的溫度范圍內(nèi)高于70°每個完全浸漬的預浸料坯層在預浸料坯內(nèi)具有低的初始空氣含量，所述含量低于 部分浸漬的預浸料坯，這反過來又減少了固化后的復合材料內(nèi)空隙的存在。完全浸漬的預浸料坯結(jié)構(gòu)以正確的縱向排列的方式保持著單向纖維，并且在橫向 上幾乎沒有或沒有任何纖維扭曲。這不僅提高了結(jié)構(gòu)件的機械性能(尤其是與其中存在排 列不齊(misalignment)問題的半浸料坯的使用相比)，而且與半浸料坯相比還減少了鋪設 時間，這是因為半預浸料坯在形成預浸料坯的層疊件時需要小心定位，以便將暴露的外部 干燥纖維無意扭曲最小化。完全浸漬的預浸料坯結(jié)構(gòu)還避免了采用半浸料坯相關(guān)的失樣和 面內(nèi)波紋的問題。


下面參照附圖，將僅以舉例的方式對本發(fā)明的實施方案進行說明，其中圖1為根據(jù)本發(fā)明第一實施方式形成纖維增強復合材料的預浸料坯的示意性透 視圖；圖2為在固化以形成纖維增強復合材料之前，圖1的預浸料坯多層層疊件部分放 大的示意性透視圖；圖3為在樹脂固化之后，用圖2的預浸料坯多層層疊件制備的纖維增強復合材料 的示意圖；圖4為包含結(jié)構(gòu)桿的風力渦輪機葉片的剖面示意圖，所述結(jié)構(gòu)桿采用圖1的預浸 料坯制造；圖5為包含結(jié)構(gòu)桿的風力渦輪機葉片的一部分的示意圖，所述結(jié)構(gòu)桿由圖1的預 浸料坯制造；圖6為根據(jù)本發(fā)明進一步實施方式生產(chǎn)出的纖維增強復合材料的照片；圖7為采用未根據(jù)本發(fā)明的完全浸漬的預浸料坯，生產(chǎn)出的纖維增強復合材料的 照片；圖8顯示了粘彈性材料的復數(shù)粘度、儲能模量和損耗模量之間的關(guān)系；圖9-12為說明根據(jù)本發(fā)明的實施例和比較例的樹脂其儲能模量、損耗模量、復數(shù) 粘度和升溫速率粘度(ramp rate viscosity)與溫度之間的關(guān)系的圖；圖13為顯示出根據(jù)本發(fā)明的實施例和比較例的樹脂其相位角δ和溫度之間的關(guān) 系的圖；并且圖14為根據(jù)本發(fā)明第二實施方式形成纖維增強復合材料的預浸料坯的示意性透 視圖。
具體實施例方式參照圖1，該圖顯示出根據(jù)本發(fā)明第一實施方式的預浸料坯2。為了說明清楚，在 這些附圖中的一些尺寸放大，并且只顯示出部分纖維。預浸料坯2包括由基體樹脂6完全浸漬的纖維增強物4的層。完全浸漬使得預 浸料坯2相對的主表面8、10包含樹脂表面。本領(lǐng)域中已知，樹脂6通常為包含潛固化劑 (latent curing agent)的環(huán)氧功能樹脂。纖維增強物4包括由玻璃、碳、芳綸或類似材料 制成的纖維12。纖維12為單向的(UD)，沿著共同的縱向L取向。通常，預浸料坯2在纖維 12取向的縱向L上具有不確定或未指定的長度，并且成卷供應。該預浸料坯2在用于制造 下文所述細長結(jié)構(gòu)件時，具有相對窄的寬度W，從而能夠制造出細長桿或梁。但是，可以通過 形成具有未指定長度的初始較寬片材，并且隨后將該片材縱向切割成多個更窄的條帶，每 個條帶限定了各自的預浸料坯2，從而制造出預浸料坯。在圖1中，為了簡化起見，將該桿顯示為單個平面體。但是，還可采用其他形狀和 構(gòu)造；尤其是為了改變沿著桿長度的撓曲模量，已知的是改變型材寬度(section width) 的方法。在這種情況下，也可從更寬的片材切割出梯形型材或三角形型材以及平行條帶，從 而避免浪費任何預浸料坯材料。參照圖2，預浸料坯2的樹脂6具有特定的性能，從而在形成預浸料坯2的多層層 疊件14、并且在固結(jié)步驟中對多層層疊件14施加真空時，預浸料坯2的表面15附近存在 的空氣以及預浸料坯2的各層之間(其間的界面17處)的空氣很容易被排出。具體地說， 將樹脂6選擇為具有相對高的粘度和相對低的粘著性。選擇樹脂6和單向纖維12 (為說明 清楚，在圖2中沒有顯示出這些纖維)的組合是為了在以下兩個方向上提供相對高的勁度 (a)作為單向纖維12的取向方向的縱向長度方向；和(b)與之垂直的橫向。技術(shù)特征的這種結(jié)合使得層疊件14的每個預浸料坯2的層與已知的預浸料坯 相比，相對更為剛性。宏觀來看，預浸料坯的層顯示出局部區(qū)域的表面平面性(surface planarity)。這會造成相鄰預浸料坯2相面對的主表面8、10存在非接觸區(qū)域。因此，在將兩個相鄰的預浸料坯2層層疊在一起時，兩個相對剛性的相鄰表面8、 10并未沿著單一平面界面重合，而是趨向于在相對較大的區(qū)域上，被相鄰表面8、10的接觸 部分16相互分離，由此在預浸料坯2層相面對的表面8、10之間限定了間隙或間隔18。相 鄰表面8、10通過接觸部分16的無規(guī)排列(random array)而相互連接，接觸部分16則通 過由間隙或間隔18形成的非接觸區(qū)域間隔開。相反，如果預浸料坯2層相對柔韌(例如與一些通常已知的預浸料坯一樣柔韌) 時，兩個預浸料坯2層將會撓曲并流動，從而相鄰表面8、10將會互補，上層將在重力作用或 在壓力作用下懸垂，所述壓力用于將隨后的層施放在預浸料坯的層疊件的頂部，從而使得 預浸料坯2具有與下層所鄰近的上表面準確匹配的下表面。通過根據(jù)本發(fā)明提供包含粘度相對較高樹脂的相對剛性的預浸料坯2，從而將這 種懸垂作用最小化，并且預浸料坯的相鄰表面8、10不互補，由此在預浸料坯界面17處保持 相對較大的間隔或間隙18。通過為預浸料坯的主表面8、10提供初始粗糙表面，從而可以增加這種相對較大 的間隔或間隙18。另外，由于樹脂表面的性質(zhì)，每個預浸料坯2相對的主表面8、10具有幾
13何學上非平面的微觀結(jié)構(gòu)，這點將在下文中進行討論。這種表面粗糙度促進了在相對剛性的相鄰預浸料坯2層的表面8、10之間間隔的 形成和保持?？梢酝ㄟ^將溝槽M的陣列壓印(impressing)到樹脂表面22來提供所述表 面粗糙度。例如，如圖1中的樹脂下表面10上所示一樣(已經(jīng)將之前位于樹脂表面8上的 上襯板去除)，可以通過設置具有壓紋的襯板沈來形成所述溝槽M陣列，所述具有壓紋的 襯板26由于樹脂6的固有粘著性而暫時粘附在樹脂外表面8、10上。溝槽M可以設置在 一個或兩個最外層樹脂表面8、10上。在預浸料坯領(lǐng)域公知的是，設置這種襯板沈是為了 保護樹脂表面，并且防止將預浸料坯卷繞成卷時，樹脂無意間粘附到相鄰樹脂表面上。在即 將形成層疊件14之前，將襯板沈去除。但是，可通過下述方式增強在真空固結(jié)階段期間相鄰預浸料坯2界面處的氣流 為具有壓紋表面的襯板26配置向外伸出的脊，所述脊將溝槽M壓印入下面的樹脂表面22， 從而有意地在樹脂表面22上引入溝槽M陣列。例如，溝槽M陣列可以包括兩組相互傾 斜的平行線，所述兩組平行線在樹脂表面22中限定出菱形溝槽M。這些溝槽M通常沿著 相對于預浸料坯的縱向傾斜，并且相對于在預浸料坯中任意單向纖維的縱向傾斜的方向延 伸。例如，溝槽M可以下述方式取向相對于預浸料坯的縱向和/或相對于在預浸料坯中 的任意這種單向纖維的縱向成+45/-45度或+60/-60度。溝槽M可具有高達250微米、例 如50-150微米的通常深度，并且可具有高達100微米、例如20-80微米的通常寬度。在相 鄰平行溝槽之間的間距(Pitch)可以變化，但例如可以高達250微米(如約50微米)。通常所采用的鋪設溫度下，熱固性預制預浸料坯材料表現(xiàn)出高的粘彈性。彈性固 體部分將變形能量存儲為可復原的彈性勢能，而粘性液體(viscous liquid)在外力作用下 不可逆地流動。該復數(shù)粘度是采用流變儀進行振動試驗而獲得的。在粘彈性材料中，應力和應變 使相位偏離角度S。構(gòu)成復數(shù)粘度的各個因素定義如下G，(儲能模量)=G^cos δG，，(損耗模量)=G*sin δ在圖8中顯示出這一關(guān)系。G’涉及該材料的彈性如何，并限定了其勁度。G”涉及材料的粘度如何，并限定了材料的阻尼和液體不可逆流動響應。對于純彈性固體(玻璃狀或橡膠狀)，G” = 0并且相位角δ為0° ；而對于純粘 性液體，G，=0并且相位角δ為90°。為了防止在鋪設組裝過程和施加初始真空期間空氣通道阻塞，優(yōu)選采用高的流動 阻力。儲能模量成為初始操作和預浸料坯的剛度的特征，具有高儲能模量的材料將不會壓 縮成緊密接觸，并在開始施加真空壓力時仍保持空氣通道。損耗模量G”表示不可逆流動性 能，希望具有高損耗模量G”的材料來防止出現(xiàn)早期蠕變流(creep-like flow)，并更長時間 地保持開放的空氣通道。因此，在與通常鋪設溫度相應的溫度、例如室溫(20°C )下，在本發(fā)明的預浸料坯 中所采用的樹脂具有高儲能模量和高損耗模量，并且相應地具有高復數(shù)模量。在本申請文件中，通過采用具有直徑25mm的一次性(disposable)鋁板的TA Instruments AR2000流變儀，在應用溫度(即20°C的鋪設溫度)下，可以測量出本發(fā)明的預浸料坯中所采用的樹脂的粘彈性性能(即儲能模量、損耗模量和復數(shù)粘度)。采用以下設 定進行測量以2°C /分鐘的速度將溫度從40°C降低至-10°C，以IHz的頻率和1000 μ m的 間隙、受控位移(controlled displacement)為1 X 10_4rad的情況下進行振動測試。通常，粘彈性預浸料坯的勁度通過顯示出高彈性流變響應的樹脂進行表征。樹脂 流變性則由樹脂的儲能模量G’進行表征，在20°C下優(yōu)選為3 X 10 至1 X IO8Pa,更優(yōu)選為 IX IO6Pa至IX IO7Pa,進一步優(yōu)選為2X 106 至4X 106Pa。室溫下的儲能模量越高，預浸 料坯的層疊件的空氣輸送性能越高。但是，儲能模量的上限受到限制，這是因為儲能模量過 高，使預制預浸料坯將會變得過于剛性，而且預浸料坯即使被層壓在風力渦輪機桿中常見 的平緩曲面上時也易于突然折斷(snap)。在采用本發(fā)明的預浸料坯制造桿或梁形式的結(jié)構(gòu)件時，樹脂6具有高損耗模量 G”，在20°C下優(yōu)選為2 X IO6Pa至IX IO8Pa,更優(yōu)選為5 X IO6Pa至1 X IO7Pa,進一步優(yōu)選為 7X106Pa 至 9X106Pa。樹脂材料優(yōu)選在20°C下具有高的復數(shù)粘度，優(yōu)選為5 X IO5Pa · s至IX IO7Pa · s, 更優(yōu)選為 7. 5X IO5Pa · s 至 5X IO6Pa · s，進一步優(yōu)選為 IXlO6Pa · s 至 2X IO6Pa · S。另外，如上所述，在預浸料坯2中樹脂6的粘度相對高。固化階段通常在較高溫度 (例如高于75°C的溫度，典型的固化溫度為80°C以上)下進行，這就造成在固化階段之前， 樹脂呈現(xiàn)低的流動性能或甚至可忽略不計的流動性能。樹脂材料的粘度優(yōu)選在80°C下為 5-30Pa · s，更優(yōu)選在 80°C下為 10_25Pa · s。在本申請文件中，使用具有直徑25mm的一次性鋁板的TA Instruments AR2000 流變儀，測定固化周期(cure cycle)期間的樹脂流動粘度。該測量采用以下設定進行以 2V /分鐘的速度將溫度從30°C升至130°C，剪切應力3. 259Pa,間隙1000 μ m。這實現(xiàn)了下述技術(shù)效果在相鄰預浸料坯2層形成多層層疊件14時，在重力作用 下或在任何由于真空固結(jié)而施加的常壓(該壓力通常大約為lMpa(即大約1個大氣壓)) 作用下，在樹脂的相鄰表面8、10處不會實質(zhì)上發(fā)生樹脂6的流動。在固化階段可能施加 的任何壓力下，作為提供高粘度樹脂的結(jié)果，這種對樹脂流動的阻力在固化階段期間樹脂6 熔融之前，使得層間間隔得以保持。如果采用低粘度樹脂來代替在本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中用來提供高勁度預浸料 坯層的高粘度樹脂，則由層壓過程施加在預制預浸料坯上的任何局部壓力還會將氣穴(air pocket)截留在層間，這是因為粘度較低的樹脂將長期流動，并圍繞層疊件中的截留空氣的 島形成氣密密封。另外，高粘度樹脂6具有低的表面粘著性。通過降低表面粘著性，則相鄰的預浸料 坯2層疊在一起，預浸料坯的相鄰表面8、10之間的粘附趨勢降低，這反過來又提高了真空 固結(jié)階段期間空氣在界面間流動的能力。通過降低層間表面粘著性，在相鄰表面8、10之間 的任何間距或間隔傾向于在相鄰表面的平面內(nèi)方向上具有更大的尺寸，這提高了真空固結(jié) 階段期間表面8、10之間空氣逸出的可能性。而且，孤立的氣穴在預浸料坯層之間的界面處 截留的可能性也得以降低。在本申請文件中，根據(jù)下面的測試方案測量出樹脂的表面粘著性表面粘著性測試方案1)將預浸料坯樣品在實驗室溫度(22°C +/"2°C )下放置約10分鐘。
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2)去除一側(cè)的背板(backer)。3)將預浸料坯試樣自身折疊，并且將側(cè)邊粘接在一起。4)施加輕微的壓力。5)小心將該預浸料坯剝離，并且根據(jù)下面的粘著性測試表測量出粘著性水平等級 說明ZT-零粘著性QC-O 根本沒有粘附。表面摸起來干燥LT-低粘著性-帶手套的手指在觸摸表面之后容易移開QC-I 只是在堅實的壓力下才能粘附。分開非常容易。表面摸起來相當干燥QC-2 在中等壓力下粘附。分開非常容易。表面具有一些粘性QC-3 在輕微壓力下粘附。分開容易。表面具有一些粘性MT-中等粘著性-帶手套的手指在觸摸表面之后不容易移開QC-4 幾乎無壓力即粘附。分開容易。分開時沒有任何纖維移動QC-5 幾乎無壓力即粘附。用一些力分開。分開時幾乎沒有纖維移動QC-6 幾乎無壓力/無任何壓力即粘附。用一些力分開。分開時有一些纖維移動HT-高粘著性-帶手套的手指在觸摸表面之后有樹脂留在上面QC-7 不用任何壓力即粘附。用力分開。在分開時纖維扭曲QC-8 不用任何壓力即粘附。用很大力分開。在分開時纖維扭曲并且樹脂“成串”QC-9 不用任何壓力即粘附。用很大力分開。分開時出現(xiàn)纖維高度扭曲并且樹脂“成串”XT-極高粘著性-手套在試圖從表面移開時拉伸或撕裂QC-10 不用任何壓力即粘附。在不破壞織物/纖維排列的情況下不能剝開根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，在根據(jù)該測試步驟進行測試時，表面粘著性的范圍 優(yōu)選為QC-O至QC-2等級。在預浸料坯2形成多層層疊件14用于形成結(jié)構(gòu)細長件(例如桿)時，通常要層 疊2-30個單向預浸料坯層以提供單向材料的厚度。根據(jù)桿的設計，然后添加多軸材料54， 之后重復多層單向預浸料坯層，然后再層疊通常為2-30個單向預浸料坯層，從而提供桿帽 (spar cap)中單向材料進一步的厚度。可以重復這一過程，得到最終桿帽的最終厚度為約 25-75mm。其目的在于使得在桿帽中單向材料的量最大化，但是在關(guān)鍵點處增加多軸纖維是 為了防止桿帽受到低的橫向屈曲阻力(transverse buckling resistance)，將足夠的剪切 傳遞至幅材(web)并提供扭轉(zhuǎn)剛度(torsional rigidity)，并且限制單向材料的厚度以防 止在單向(UD)層疊件中出現(xiàn)剪切破裂(shear cracking)。一般來說，如果采用玻璃纖維單向預浸料坯，則單向元件的厚度大于采用碳單向預浸料坯的情況，這是因為需要增加雙軸 材料的量來防止在UD層疊件中出現(xiàn)剪切破裂。在制造風力渦輪機葉片中的桿的特別優(yōu)選的實施方式中，該桿包含由通常大約 10-25個預浸料坯層層疊在一起形成的玻璃單向部分，從而提供了 10-25mm的單向厚度和 20-70mm的最終桿帽厚度。在制造風力渦輪機葉片中的桿的另一個優(yōu)選實施方式中，該桿包 含由通常大約6-30個預浸料坯層層疊在一起形成的碳單向部分，從而提供了 3-16mm的單 向厚度和20-60mm的最終厚度。在圖3中顯示出由預浸料坯2的層疊件制成的桿48。在圖4中顯示出風力渦輪機葉片51的結(jié)構(gòu)部分50的典型結(jié)構(gòu)。可以看到貫穿結(jié) 構(gòu)部分50的剖面。該結(jié)構(gòu)部分50具有由細長桿52a、52b、52c、52d構(gòu)成的箱形梁構(gòu)造，每 個都由單向纖維增強復合材料形成，這些細長桿設置成兩組橫向分開的桿對，即內(nèi)部桿對 和外部桿對。這些桿52a、52b、52c、52d沿著風力渦輪機葉片51(用假想線顯示)的長度延 伸，并且設置在中心細長腔體M的相對側(cè)。單向桿52a、52b、52c、52d是箱型梁構(gòu)造的負載 元件(load carrying element)，并且提供了剪切強度和壓縮強度。雙軸取向纖維復合材料 56支撐著桿52a、52b、52c、52d，同時為箱形梁構(gòu)造提供了扭轉(zhuǎn)強度。具體而言，內(nèi)部單向桿52a、52b設置在雙軸復合材料60的內(nèi)部環(huán)形體58內(nèi)，所述 內(nèi)部環(huán)形體58包圍著中央腔體M。在制造期間，設置細長芯棒(mandrel)(未顯示)，在從中將結(jié)構(gòu)部分50去除之后， 該芯棒形成中央腔體M。雙軸預浸料坯帶通常為部分浸漬的預浸料坯(例如申請人的上 述SPRINT產(chǎn)品)，其具有干燥纖維外表面，將其螺旋纏繞在芯棒上，從而形成環(huán)形雙軸預浸 料坯區(qū)域62的一部分。然后，將本發(fā)明的單向預浸料坯2鋪設到位于芯棒對側(cè)的雙軸預浸 料坯帶上，以形成細長預浸料坯層疊件64，這些層疊件在固化之后形成桿52a、52b。通過在 單向預浸料坯鋪設體上進一步螺旋纏繞雙軸預浸料坯帶，使得兩個相對的細長層疊件64a、 64b保持不動，從而形成環(huán)形雙軸預浸料坯區(qū)域62的剩余部分，由此形成雙軸預浸料坯的 內(nèi)部環(huán)形體58，所述內(nèi)部環(huán)形體58包封著兩個相對的細長層疊件64a、64b。然后，通常將泡沫芯68a、68b設置在內(nèi)部環(huán)形體58的對側(cè)，從而泡沫芯68a、68b 位于與包括兩個相對的細長層疊件64a、64b的側(cè)面垂直的側(cè)面上。之后，將另外的雙軸取 向的、部分浸漬的預浸料坯材料70包捆在泡沫芯68a、68b以及內(nèi)部環(huán)形體58上。鋪設兩 個另外的縱向取向的、細長單向預浸料坯多層層疊件64c、64d，用以在芯棒的相對側(cè)面上形 成兩個另外的外桿52c、52d，然后將這些用另外的雙軸預浸料坯帶包捆，以形成雙軸預浸料 坯的外部環(huán)形體76，所述外部環(huán)形體76包封著兩個相對的外部細長預浸料坯層疊件64c、 64d。然后將整個預浸料坯鋪設體78從芯棒中移走，并進行真空固結(jié)和固化以形成箱 形梁結(jié)構(gòu)。在這種構(gòu)造中，每個桿的寬度沿著其長度逐漸變小，并且通常為50-1000mm。這意 味著為了實現(xiàn)在層疊件中將相鄰單向預浸料坯2之間的層間空氣排出，最大的空氣行進距 離通常只達到約500mm，這對于空氣從預浸料坯2之間逸出而言是相對短的路徑。包圍著 每個桿形成層疊件(spar-forming stack)的、部分浸漬的預浸料坯的干燥纖維有助于層內(nèi) (intra-laminar)空氣的排出。在單向預浸料坯2的真空固結(jié)和樹脂固化之后，由于層間空氣高度排出，并且在
17每個完全浸漬的預浸料坯層內(nèi)的初始空氣含量低，所以所得到的整體包含到箱形梁結(jié)構(gòu)中 的桿具有非常低的空隙含量。每個桿還具有非常好的機械性能，這是因為由原始預浸料坯 2對單向纖維進行的完全浸漬，使得所述纖維保持了均一的線性單向取向，而沒有發(fā)生不希 望的纖維橫向扭曲，這樣增強了桿的負載性能。由于桿具有基本上平的橫截面，所以在鋪設單向預浸料坯時，不必為了與下面的 曲面匹配而讓預浸料坯(尤其在預浸料坯的橫向上)出現(xiàn)任何明顯的懸垂。因此，高勁度預浸料坯仍然可位于芯棒上的預浸料坯鋪設體中的正確位置處或者 位于模具內(nèi)；并且不存在由預浸料坯勁度增大而導致的懸垂，令人驚奇地提供了界面處排 氣增加的技術(shù)優(yōu)點。這降低了在桿中形成層間空隙的潛力。完全浸漬的勁性(stiff)預浸料坯提供了更好的排氣，尤其對這類預浸料坯層疊 件中的層內(nèi)空氣提供了更好的排氣，這一現(xiàn)象與現(xiàn)行實踐相反，現(xiàn)行實踐提倡部分浸漬以 提供懸垂增加的柔性預浸料坯以增強排氣來降低空隙含量。圖5為另一個風力渦輪機葉片的一部分的示意圖，所生產(chǎn)的風力渦輪機葉片包含 有由圖1的預浸料坯制造出的桿。在該實施方式中，箱形梁結(jié)構(gòu)的一個結(jié)構(gòu)半部100由預 浸料坯形成。將雙軸半浸料坯的層狀層疊件102鋪設到細長箱形模具104中，以形成雙軸 鋪設體110的側(cè)面106和底部108以及最頂部的凸緣109。本發(fā)明的預浸料坯的細長層狀 層疊件112(例如如圖1所示)被設置在半浸料坯鋪設體110的底部108上面，尤其是設置 在其干燥纖維外層上。對該層疊件112進行配置以形成細長桿。然后，使用雙軸半浸料坯 另外的層狀層疊件114，對層疊件112進行覆蓋。然后，對整個預浸料坯鋪設體結(jié)構(gòu)進行真 空固結(jié)和樹脂固化。所得到的纖維增強復合材料包括風力渦輪機葉片的箱形梁結(jié)構(gòu)的一個 結(jié)構(gòu)半部100。通過沿著結(jié)構(gòu)的長度將相鄰凸緣109連接在一起，把兩個相同的半部100結(jié) 合起來從而形成完整的箱形梁結(jié)構(gòu)。在另一種替代的結(jié)構(gòu)中，將兩個半部作為單個的整合體(integral body)制造，以 形成與在圖5中所示類似的整體箱形梁結(jié)構(gòu)。在圖1的預浸料坯的實施方式中，高粘度樹脂6為完全浸漬的預浸料坯2中唯一 的樹脂。作為對如圖1所示實施方式的改進，在如圖14所示的另一種實施方式中，完全浸漬 的預浸料坯202包括具有兩個或多個樹脂層的夾層結(jié)構(gòu)204。該夾層結(jié)構(gòu)204包括兩個相 對放置的、高粘基體樹脂(作為第一樹脂)的最外層206、208 ；以及相鄰的第二樹脂中心層 210，所述第二樹脂具有低于第一樹脂層的粘度。或者，該夾層結(jié)構(gòu)204還可以只包括一層 高粘基體樹脂的最外層和相鄰的低粘度第二樹脂層，所述第二樹脂層也可以為最外層。上 述參照圖1的實施方式所述的溝槽M可以設在一個或兩個最外部樹脂表面中。這種第二 樹脂提供了更可懸垂的樹脂，從而預浸料坯可以表現(xiàn)出以下性能的組合(a)上述有助于 在真空固結(jié)期間排氣的表面性能(在一個或多個、優(yōu)選兩個主表面上)；以及(b)高懸垂水 平的整體性能。在圖1的預浸料坯的實施方案中，高粘度基體樹脂6為完全浸漬的預浸料坯2中 唯一的樹脂。作為對圖1中所示的實施方案的改進，在如圖14所示的另一種替代的實施 方案中，完全浸漬的預浸料坯202包括兩個或多個樹脂層的夾層結(jié)構(gòu)204。夾層結(jié)構(gòu)204 包括兩個相對放置的、高粘度基體樹脂最外層206、208作為第一樹脂；以及相鄰的第二樹 脂中心層210，所述中心層210具有低于第一樹脂層的粘度?；蛘撸搳A層結(jié)構(gòu)204可只包括一個高粘度基體樹脂最外層以及相鄰的低粘度第二樹脂層，所述第二樹脂層也可為最外 層。參照圖1的實施方式的上述溝槽M可設在一個或全部兩個最外層的樹脂表面中。這種 第二樹脂提供了更可懸垂的樹脂，從而預浸料坯可以表現(xiàn)出以下性能的組合(a)上述有 助于在真空固結(jié)期間排氣的表面性能(在一個或多個、優(yōu)選全部兩個主表面上)；以及(b) 高懸垂水平的整體性能。第二樹脂材料可具有IX IO3Pa至小于3X 105Pa、更優(yōu)選1 X IO4Pa至2. 5X IO6Pa 的儲能模量G’和/或1 X IO4Pa至小于2X 106Pa、更優(yōu)選1 X IO5Pa至1. 25 X IO6Pa的損耗 模量G”。第二樹脂材料可以具有IXlO3Pa* s至小于5X IO5Pa · S、更優(yōu)選IX IO4Pa · s 至2X IO5Pa · s的復數(shù)粘度。另外，第二樹脂可以在復數(shù)模量G*和儲能模量G’之間具有 相位角、所述相位角S在涵蓋預浸料坯通常的鋪設溫度和存放溫度的溫度范圍(例如 10-250C )內(nèi)相對高并保持穩(wěn)定，從而使得該預浸料坯在寬的工作溫度范圍內(nèi)具有良好的 懸垂性。在10-25°C的溫度范圍內(nèi)，相位角δ的值通常高于70°，通常更高于75°。所有 這些模量和粘度的值通過上述用于第一樹脂材料的方法進行測量。第二樹脂材料可為熱固性樹脂，例如環(huán)氧樹脂。本發(fā)明進一步由下面非限定性的實施例舉例說明。實施例1在本實施例中，形成本發(fā)明的細長預浸料坯的十六層多層層疊件，用以制造細長 桿。每個預浸料坯由浸漬有32wt%環(huán)氧樹脂的1600g/m2的4800tex單向E-玻璃纖維構(gòu) 成，這些環(huán)氧樹脂被稱為“樹脂實例1 ”，并具有下面總結(jié)的性能，從而得到20mm的最終固化
層疊厚度。樹脂“樹脂實例1”包含具有以下性能的環(huán)氧樹脂采用差示掃描量熱儀(Mettler Toledo DSC821E)測量出熱反應活性(thermal reactivity)作為特征。所采用的程序為以10°C /分鐘的速度將溫度從25 °C升高至 250°C，然后冷卻至25°C，并再升高至150°C。AH(J/g)242T 初始(°C)133.4T峰頂(°C)150T終止(°C)181.27令 Tg2(°C)9.7UTg2(°C )104.5通過使用具有直徑25mm的一次性鋁板的TA Instruments AR2000流變儀，可以在 應用溫度下對粘彈性進行測量。采用以下設定進行實驗以2°C/分鐘的速度將溫度從40°C 下降至-10°C，并且在IHz的頻率和1000 μ m的間隙下、受控位移為1 X 10_4rad的情況下進 行振動實驗。在20°C的鋪設溫度下，復數(shù)粘度[η*]為1. 5X IO5Pa · s在20°C的鋪設溫度下，儲能模量G，為3. OX IO6Pa在20°C的鋪設溫度下，損耗模量G”為8. OX IO6Pa使用具有直徑25mm的一次性鋁板的TA Instruments AR2000流變儀，對固化周期 (cure cycle)期間的樹脂流動粘度進行測量。該實驗以下面的設定進行以2°C /分鐘的速度將溫度從30°C升高至130°C，剪切應力3. 259Pa,間隙1000 μ m。109°C時達到最小粘度3. 15Pa · S。在選擇的停留溫度(dwell temperature)下，80°C時的粘度為201 · s，從而產(chǎn)生 層間流動并控制放熱曲線。每層具有aiiXO. 5m的尺寸。將十六層每種材料彼此層疊鋪設到玻璃纖維復合材 料模具上。沿著面板的周邊，用防水膠帶將兩個an邊緣和一個0. 5m邊緣密封，從而使得其 只從一個邊緣“呼吸”。用剝離層條帶在未密封邊緣處將其與真空源連接。將未打孔的隔離 膜(release film)施用于層疊件的頂部以防止貫穿厚度的空氣連通。采用透氣織物和真 空袋以在整個材料上實現(xiàn)均勻的真空固結(jié)。一旦密封，在下述固化周期之前在室溫下施加 30分鐘的完全真空狀態(tài)以0. 5°C /分鐘的速度上升至80°C;然后在80°C下保持4個小時；然后以1°C /分 鐘的速度上升至110°C ；然后在110°C下保持2個小時。從中間部分獲取所得預浸料坯的橫截面，并以2. 5X的物鏡放大倍數(shù)用Olympus BX51光學顯微鏡拍攝圖像，并且在最高空隙區(qū)域處用JVCKY-F70B數(shù)碼相機拍攝圖像。在圖 6中顯示出所得到的桿的最差質(zhì)量?？梢钥闯?，不存在層間空隙，只存在少量在制造期間由預浸料坯的不完全浸漬引 起的層間空隙。為得到空隙含量，可利用Mruers Scentis圖像分析軟件通過采用對比度 閾值和手動驗證的方式突出顯示空隙，并用本領(lǐng)域內(nèi)已知的面積法計算空隙面積，以此來 確定空隙水平。拍攝出三張圖像。所得到的空隙含量值為1.7%，2. 和2.8%，從而得 出平均空隙水平為2.2%。但是，通過采用更慢的固化周期以增加浸漬時間段從而實現(xiàn)更完全的浸漬，可以 容易得到更低的空隙含量。主要結(jié)果在于消除了層間空隙。比較例1在本比較例1中，采用完全浸漬的預浸料坯制造出具有相同尺寸的類似的桿，所 述預浸料坯具有相同纖維和樹脂含量，但具有勁度和粘度較低的Gurit WE91-1環(huán)氧樹脂 (可從申請人處商購得到)。Gurit WE91-1環(huán)氧樹脂具有損耗模量和儲能模量以及復數(shù)粘 度等性能，上述性能總結(jié)于下面的表2中(見比較例6)。具體而言，Gurit WE91-1樹脂包含具有以下性能的環(huán)氧樹脂使用差示掃描量熱儀(Mettler Toledo DSC821E)，測量熱反應活性作為特征。所 采用的程序為以10°c /分鐘的速度從25°C升高至250°C，然后冷卻至25°C，并再升高至 150°C。表1樹脂的熱性質(zhì)
權(quán)利要求
1.一種用于制造纖維增強復合材料的預浸料坯，所述預浸料坯包括由基體樹脂材料完 全浸漬的纖維增強物層，其中至少所述樹脂材料的表面在室溫下具有粘度和粘著性，并且 每個預浸料坯在室溫下具有勁度，從而當兩個所述預浸料坯在室溫下通過相鄰樹脂材料表 面排列成其垂直層疊件時，所述相鄰樹脂材料表面不粘合并且在它們之間形成連續(xù)空氣通道。
2.如權(quán)利要求1所述的預浸料坯，其中所述預浸料坯的相對的主表面具有由其中的多 條溝槽提供的表面粗糙度。
3.如權(quán)利要求2所述的預浸料坯，其中所述溝槽被壓印到所述樹脂表面中。
4.如權(quán)利要求1-3中任一項所述的預浸料坯，其中至少所述樹脂材料的表面具有3X IO5Pa至1 X IO8Pa的儲能模量G，禾口 2 X IO6Pa至1 X IO8Pa的損耗模量G”。
5.如權(quán)利要求4所述的預浸料坯，其中至少所述樹脂材料的表面具有IXlO6Pa至 IX IO7Pa的儲能模量G，。
6.如權(quán)利要求5所述的預浸料坯，其中至少所述樹脂材料的表面具有2X106 至4X IO6Pa的儲能模量G，。
7.如權(quán)利要求4-6中任一項所述的預浸料坯，其中至少所述樹脂材料的表面具有5X IO6Pa至1 X IO7Pa的損耗模量G”。
8.如權(quán)利要求7所述的預浸料坯，其中至少所述樹脂材料的表面具有7X106 至 9 X IO6Pa的損耗模量G”
9.如前面權(quán)利要求中任一項所述的預浸料坯，其中至少所述樹脂材料的表面具有 5 X IO5Pa · s 至 IXlO7Pa · s 的復數(shù)粘度。
10.如權(quán)利要求9所述的預浸料坯，其中至少所述樹脂材料的表面具有7.5 X IO5Pa · s 至5X IO6Pa · s的復數(shù)粘度。
11.如權(quán)利要求10所述的預浸料坯，其中至少所述樹脂材料的表面具有IXlO6Pa· s 至2X IO6Pa · s的復數(shù)粘度。
12.如前面權(quán)利要求中任一項所述的預浸料坯，其中至少所述樹脂材料的表面在80°C 下具有5-30Pa · s的粘度。
13.如權(quán)利要求12所述的預浸料坯，其中至少所述樹脂材料的表面在80°C下具有 10-25Pa · s 的粘度。
14.如前面權(quán)利要求中任一項所述的預浸料坯，其中至少所述樹脂材料的表面在復數(shù) 模量G*和儲能模量G’之間具有相位角δ，并且所述相位角δ的值在10-25°C的溫度范圍 中增加至少25°。
15.如權(quán)利要求14所述的預浸料坯，其中在復數(shù)模量G*和儲能模量G’之間的所述相 位角δ的值在10-25°C的溫度范圍中增加25-70°的值。
16.如權(quán)利要求15所述的預浸料坯，其中在復數(shù)模量G*和儲能模量G’之間的所述相 位角δ的值在10-25°C的溫度范圍中增加35-65°的值。
17.如前面權(quán)利要求中任一項所述的預浸料坯，其中至少所述樹脂材料的表面在復數(shù) 模量G*和儲能模量G’之間具有相位角δ，在復數(shù)模量G*和儲能模量G’之間的所述相位 角δ的值在12. 5-25°C的范圍內(nèi)的至少一個溫度值處不超過70°
18.如前面權(quán)利要求中任一項所述的預浸料坯，其中所述基體樹脂材料為完全浸漬的預浸料坯中唯一的樹脂。
19.如權(quán)利要求1-17中任一項所述的預浸料坯，其中所述完全浸漬的預浸料坯包括兩 個或多個樹脂層的夾層結(jié)構(gòu)，所述夾層結(jié)構(gòu)包括至少一個第一樹脂的最外層，其提供所述 樹脂材料的表面；以及相鄰的第二樹脂的層，所述第二樹脂具有低于所述第一樹脂的粘度。
20.如權(quán)利要求19所述的預浸料坯，其中所述夾層結(jié)構(gòu)包括至少兩個相對的所述第 一樹脂的最外層；以及所述第二樹脂中心層，所述第二樹脂具有低于所述第一樹脂的粘度。
21.如權(quán)利要求19或20所述的預浸料坯，其中所述第二樹脂具有1X IO3Pa至小于3X IO5Pa的儲能模量G’和/或1 X IO4Pa至小于2 X 106 的損耗模量G”。
22.如權(quán)利要求19-21中任一項所述的預浸料坯，其中所述第二樹脂具有IXlO3Pa· s 至小于5 X 105 · s的復數(shù)粘度。
23.如權(quán)利要求19-22中任一項所述的預浸料坯，其中所述第二樹脂在復數(shù)模量G*和 儲能模量G’之間具有相位角δ，所述相位角δ在10-25°C的溫度范圍中高于70°。
24.如前面權(quán)利要求中任一項所述的預浸料坯，其中所述樹脂材料為環(huán)氧樹脂。
25.如前面權(quán)利要求中任一項所述的預浸料坯，其中所述預浸料坯在其縱向上是細長 的，并且所述纖維增強物沿著所述預浸料坯的縱向為單向的。
26.如前面權(quán)利要求中任一項所述的預浸料坯，其中在所述預浸料坯的相對的主表面 內(nèi)壓印有溝槽陣列。
27.如權(quán)利要求17所述的預浸料坯，所述預浸料坯進一步包括對所述預浸料坯的每個 相對的主表面進行覆蓋的襯板，其中與相鄰樹脂表面接觸的襯板表面向外具有壓紋，并且 所述具有壓紋的表面被壓到所述樹脂表面中以形成所述溝槽陣列。
28.如前面權(quán)利要求中任一項所述的預浸料坯，其中所述預浸料坯是細長的，并且用來 形成纖維增強復合材料的細長結(jié)構(gòu)件。
29.一種用于制造纖維增強復合材料的預浸料坯，所述預浸料坯包括由基體樹脂材料 完全浸漬的纖維增強物層，其中至少所述樹脂材料的表面具有3 X IO5Pa至1 X IO8Pa的儲能 模量G，禾口 2 X IO6Pa至1 X IO8Pa的損耗模量G”。
30.如權(quán)利要求四所述的預浸料坯，其中至少所述樹脂材料的表面具有IX106! 至 IX IO7Pa的儲能模量G，。
31.如權(quán)利要求30所述的預浸料坯，其中至少所述樹脂材料的表面具有2XIO6Pa至4X IO6Pa的儲能模量G，。
32.如權(quán)利要求四-31中任一項所述的預浸料坯，其中至少所述樹脂材料的表面具有5X IO6Pa至1 X IO7Pa的損耗模量G”。
33.如權(quán)利要求32所述的預浸料坯，其中至少所述樹脂材料的表面具有7X IO6Pa至 9 X IO6Pa的損耗模量G”。
34.如權(quán)利要求四-33中任一項所述的預浸料坯，其中至少所述樹脂材料的表面具有 5 X IO5Pa · s 至 IXlO7Pa · s 的復數(shù)粘度。
35.如權(quán)利要求34所述的預浸料坯，其中至少所述樹脂材料的表面具有7.5X IO5Pa-s 至5X IO6Pa · s的復數(shù)粘度。
36.如權(quán)利要求35所述的預浸料坯，其中至少所述樹脂材料的表面具有IXIO6Pa · s 至2X IO6Pa · s的復數(shù)粘度。
37.如權(quán)利要求四-36中任一項所述的預浸料坯，其中至少所述樹脂材料的表面在 80°C下具有5-30 · s的粘度。
38.如權(quán)利要求37所述的預浸料坯，其中至少所述樹脂材料的表面在80°C下具有 10-25Pa · s 的粘度。
39.如權(quán)利要求四-38中任一項所述的預浸料坯，其中至少所述樹脂材料的表面在復 數(shù)模量G*和儲能模量G’之間具有相位角δ，并且所述相位角δ的值在10-25°C的溫度范 圍中增加至少25°。
40.如權(quán)利要求39所述的預浸料坯，其中在復數(shù)模量G*和儲能模量G’之間的所述相 位角δ的值在10-25°C的溫度范圍中增加25-70°的值。
41.如權(quán)利要求40所述的預浸料坯，其中在復數(shù)模量G*和儲能模量G’之間的所述相 位角δ的值在10-25°C的溫度范圍中增加35-65°的值。
42.如權(quán)利要求四-41中任一項所述的預浸料坯，其中至少所述樹脂材料的表面在復 數(shù)模量G*和儲能模量G’之間具有相位角δ，并且在復數(shù)模量G*和儲能模量G’之間的所 述相位角δ的值在12. 5_25°C的范圍內(nèi)的至少一個溫度值處不超過70°。
43.如權(quán)利要求四-42中任一項所述的預浸料坯，其中所述基體樹脂材料為完全浸漬 的預浸料坯中唯一的樹脂。
44.如權(quán)利要求四-42中任一項所述的預浸料坯，其中所述完全浸漬的預浸料坯包括 兩個或多個樹脂層的夾層結(jié)構(gòu)，所述夾層結(jié)構(gòu)包括至少一個第一樹脂的最外層，其提供所 述樹脂材料的表面；以及相鄰的第二樹脂的層，所述第二樹脂具有低于所述第一樹脂的粘 度。
45.如權(quán)利要求44所述的預浸料坯，其中所述夾層結(jié)構(gòu)包括至少兩個相對的所述第 一樹脂的最外層；以及所述第二樹脂中心層，所述第二樹脂具有低于所述第一樹脂的粘度。
46.如權(quán)利要求44或45所述的預浸料坯，其中所述第二樹脂具有1X IO3Pa至小于 3 X IO5Pa的儲能模量G’和/或1 X IO4Pa至小于2 X 106 的損耗模量G”。
47.如權(quán)利要求44-46中任一項所述的預浸料坯，其中所述第二樹脂具有IXlO3Pa· s 至小于5 X 105 · s的復數(shù)粘度。
48.如權(quán)利要求44-47中任一項所述的預浸料坯，其中所述第二樹脂在復數(shù)模量G*和 儲能模量G’之間具有相位角δ，所述相位角δ在10-25°C的溫度范圍中高于70°。
49.如權(quán)利要求四-48中任一項所述的預浸料坯，其中所述樹脂材料為環(huán)氧樹脂。
50.如權(quán)利要求四-49中任一項所述的預浸料坯，其中所述預浸料坯在其縱向上是細 長的，并且所述纖維增強物沿著所述預浸料坯的縱向為單向的。
51.如權(quán)利要求四-49中任一項所述的預浸料坯，其中在所述預浸料坯的相對的主表 面內(nèi)壓印有溝槽陣列。
52.如權(quán)利要求51所述的預浸料坯，所述預浸料坯進一步包括對預浸料坯的每個相對 的主表面進行覆蓋的襯板，其中與相鄰樹脂表面接觸的襯板表面向外具有壓紋，并且所述 具有壓紋的表面被壓到所述樹脂表面中以形成所述溝槽陣列。
53.如權(quán)利要求四-52中任一項所述的預浸料坯，其中所述預浸料坯是細長的，并且用 來形成纖維增強復合材料的細長結(jié)構(gòu)件。
54.一種用于制造纖維增強復合材料的預浸料坯，所述預浸料坯包括由基體樹脂材料完全浸漬的纖維增強物層，其中至少所述樹脂材料的表面在復數(shù)模量G*和儲能模量G’之 間具有相位角I并且所述相位角δ的值在10-25°C的溫度范圍中增加至少25°。
55.如權(quán)利要求M所述的預浸料坯，其中在復數(shù)模量G*和儲能模量G’之間的所述相 位角δ的值在10-25°C的溫度范圍中增加25-70°的值。
56.如權(quán)利要求55所述的預浸料坯，其中在復數(shù)模量G*和儲能模量G’之間的所述相 位角δ的值在10-25°C的溫度范圍中增加35-65°的值。
57.如權(quán)利要求M-56中任一項所述的預浸料坯，其中在復數(shù)模量G*和儲能模量G’之 間的所述相位角S的值在12. 5-25°C范圍內(nèi)的至少一個溫度值處不超過70°。
58.如權(quán)利要求M-57中任一項所述的預浸料坯，其中至少所述樹脂材料的表面具有2X IO5Pa至1 X IO7Pa的儲能模量G，和7. 5 X IO5Pa至1 X IO7Pa損耗模量G”。
59.如權(quán)利要求M-58中任一項所述的預浸料坯，其中至少所述樹脂材料的表面具有 1 X IO5Pa · s 至 1 X IO7Pa · s 的復數(shù)粘度。
60.如權(quán)利要求M-59中任一項所述的預浸料坯，其中至少所述樹脂材料的表面在 80°C下具有5-30 · s的粘度。
61.如權(quán)利要求M-60中任一項所述的預浸料坯，其中所述基體樹脂材料為完全浸漬 的預浸料坯中唯一的樹脂。
62.如權(quán)利要求M-60中任一項所述的預浸料坯，其中所述完全浸漬的預浸料坯包括 兩個或多個樹脂層的夾層結(jié)構(gòu)，所述夾層結(jié)構(gòu)包括至少一個第一樹脂的最外層，其提供所 述樹脂材料的表面；以及相鄰的第二樹脂的層，所述第二樹脂具有低于所述第一樹脂的粘 度。
63.如權(quán)利要求62所述的預浸料坯，其中所述夾層結(jié)構(gòu)包括至少兩個相對的所述第 一樹脂的最外層；以及所述第二樹脂中心層，所述第二樹脂具有低于所述第一樹脂的粘度。
64.如權(quán)利要求62或63所述的預浸料坯，其中所述第二樹脂具有1X IO3Pa至小于3X IO5Pa的儲能模量G’和/或1 X IO4Pa至小于2 X 106 的損耗模量G”。
65.如權(quán)利要求62-64中任一項所述的預浸料坯，其中所述第二樹脂具有IXIO3Pa · s 至小于5 X 105 · s的復數(shù)粘度。
66.如權(quán)利要求62-65中任一項所述的預浸料坯，其中所述第二樹脂在復數(shù)模量G*和 儲能模量G’之間具有相位角δ，所述相位角δ在10-25°C的溫度范圍中高于70°。
67.如權(quán)利要求M-66中任一項所述的預浸料坯，其中所述樹脂材料為環(huán)氧樹脂。
68.如權(quán)利要求M-67中任一項所述的預浸料坯，其中所述預浸料坯在其縱向上是細 長的，并且所述纖維增強物沿著所述預浸料坯的縱向為單向的。
69.如權(quán)利要求M-68中任一項所述的預浸料坯，其中在所述預浸料坯的相對的主表 面內(nèi)壓印有溝槽陣列。
70.如權(quán)利要求69所述的預浸料坯，所述預浸料坯進一步包括對預浸料坯每個相對的 主表面進行覆蓋的襯板，其中與相鄰樹脂表面接觸的襯板表面向外具有壓紋，并且所述具 有壓紋的表面被壓到所述樹脂表面中以形成所述溝槽陣列。
71.如權(quán)利要求M-70中任一項所述的預浸料坯，其中所述預浸料坯是細長的，并且用 來形成纖維增強復合材料的細長結(jié)構(gòu)件。
72.—種制造纖維增強復合材料細長結(jié)構(gòu)件的方法，該方法包括以下步驟(a)提供多個權(quán)利要求1-71中任一項所述的預浸料坯；(b)將所述多個預浸料坯組裝成細長層疊件；(c)對所述層疊件施以真空以使得所述層疊件固結(jié)，并且從所述層疊件的相鄰預浸料 坯之間去除空氣；以及(d)使得所述基體樹脂材料固化以形成所述細長結(jié)構(gòu)件。
73.如權(quán)利要求1-71中任一項所述的預浸料坯在制造纖維增強復合材料細長結(jié)構(gòu)件、 尤其是桿或梁方面的用途。
全文摘要
一種用于制造纖維增強復合材料的預浸料坯，所述預浸料坯包括由基體樹脂材料完全浸漬的纖維增強物層，其中至少所述樹脂材料的表面在室溫下具有粘度和粘著性，并且每個預浸料坯在室溫下具有勁度，從而當兩個所述預浸料坯在室溫下通過相鄰樹脂材料表面排列成垂直層疊件時，所述相鄰樹脂材料表面不粘合并且在它們之間形成連續(xù)空氣通道。
文檔編號C08J5/24GK102066469SQ200980119823
公開日2011年5月18日 申請日期2009年3月27日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月27日
發(fā)明者丹尼爾·托馬斯·瓊斯, 保羅·約翰·斯潘塞, 尼古拉斯·鄧肯·帕廷頓 申請人:古瑞特(英國)有限公司