CN101754849B - 可成形芯块用于树脂浸渍工艺的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明描述了芯块用于浸渍工艺的用途以及包含这样的芯块的复合材料结构。所述芯块具有第一表面和第二表面，和在所述芯的第一表面中形成许多第一沟槽。此外在所述芯的第二表面中形成许多第二沟槽。所述第一沟槽具有第一高度(hi)和底部，和所述第一沟槽和第二沟槽是在所述芯块中形成的树脂分配网络的一部分。所述第一沟槽的所述底部与所述芯块的第二表面之间的距离(t)的大小使得所述芯块沿所述第一沟槽是可挠的。此外，第一高度与第二高度之和大于所述芯块的厚度，且所述芯块的第一表面中的所述第一沟槽中的至少一个与所述芯块的第二表面中的所述第二沟槽中的至少一个交叉。

Description

可成形芯块用于树脂浸渍工艺的方法
技术领域
本发明涉及芯块(core block)用于树脂浸渍工艺(resin impregnationprocess)如真空辅助的树脂传递模塑的用途，以及形成复合材料结构的方法和可通过该方法获得的复合材料结构。
背景技术
因此本发明涉及纤维复合材料结构的制造方法和通过VARTM(真空辅助的树脂传递模塑)获得的复合材料结构，其中液态聚合物(又称作树脂)被填充到其中事先已***了纤维材料的模腔中，在所述模腔中产生真空因而吸入所述聚合物。所述聚合物可以为热固性塑料或热塑性塑料。
真空灌注或VARTM是用于模制纤维复合材料模制件的工艺，其中均匀分布的纤维被层置在模具部件之一中，所述纤维为粗纱即纤维带的束、粗纱带或垫，其中所述垫是由单根的纤维制成的毡垫(felt mats)或由纤维粗纱制成的编织垫。第二模具部件通常由弹性的真空袋(vacuum bag)制成，并被随后置于所述纤维材料之上。通过在所述模具部件的内侧与所述真空袋之间的模腔中产生真空，通常为完全真空(total vacuum)的80-95％，可将液态聚合物吸入并填充到其中含有所述纤维材料的所述模腔中。在所述真空袋与纤维材料之间使用了所谓的分配层或分配管(又称作入口通道)，以获得尽可能充分和有效的聚合物分配。在大多数情况下施加的聚合物为聚酯或环氧树脂，所述纤维增强大多是基于玻璃纤维或碳纤维。
在填充模具的过程中，通过模腔中的真空出口产生真空，借此将液态聚合物经由所述入口通道吸入模腔中以填充所述模腔，就此而言所述真空应被理解为低压或负压。从所述入口通道，随着流动前沿移向所述真空通道，由于所述负压聚合物沿各个方向分散在模腔内。因此，为获得模腔的完全填充，最佳地设置入口通道和真空通道非常重要。然而，要保证聚合物在整个模腔内的完全分布通常是困难的，并由此这通常导致所谓的干斑，即纤维材料未被树脂充分浸渍的区域。因此，干斑是这样的区域，在此处纤维材料未被浸渍，并且此处可能存在气眼(airpockets)，它们很难或不可能通过控制真空压力和可能地入口端超压来除去。对于真空灌注，采用刚性模具部件和真空袋形式的弹性模具部件，可以在填充模具的过程之后通过例如在相应的位置刺穿所述袋和通过例如用注射器针头抽出空气来修复干斑。可任选地在所述相应位置注入液态聚合物，并且这例如也可用注射器针头来完成。这是一个非常耗时且费力的过程。在大模具部件的情形下，工作人员必须站在所述真空袋上。这是不希望的，特别是在聚合物尚未硬化时，因为这会导致***的纤维材料的变形和由此导致结构的局部削弱，这可能导致例如弯曲效应(buckling effects)。
专利文献公开了使用半透膜的例子，其增大了真空起作用的区域，并由此减少了上述问题。就此而言术语半透膜是指能透过气体但不能透过液态聚合物的膜。由此，如果遍布纤维***物设置半透膜，则可以更容易地除去或完全防止气眼。
一般地，所述复合材料结构包括覆盖有纤维增强材料，例如一或多个纤维增强聚合物层的芯材料。所述芯材料可用作这些层之间的隔离物以形成夹层结构，并且为了降低复合材料结构的重量其通常由刚性的轻质材料制成。在浸渍过程中为保证液态树脂的有效分配，所述芯材料可以提供有树脂分配网络，例如通过在芯材料的表面中提供通道或沟槽。EP 0831987和EP 01304211分别公开了其中使用了这种芯材料的方法和复合材料结构。
例如，由于随着时间的推移风力涡轮机(wind turbine)的叶片已经变得越来越大，并且现在可能会超过60米长，所以对于制造这种叶片由于更多的纤维材料必须要用聚合物浸渍，浸渍时间变长了。另外，由于大型壳元件如叶片的浸渍需要控制流动前沿来避免干斑，所以灌注过程变得更加复杂，其中所述控制可例如包括与时间相关的入口通道和真空通道控制。这增加了吸入或注入聚合物所需的时间。因而所述聚合物必须更长时间地保持液态，通常也导致固化时间的增加。
WO2007/098769记述了一种优化复合材料结构制造工艺的方法。
本发明的一个目的是获得通过例如VARTM工艺制造复合材料结构例如夹层结构的新方法，其克服或改善现有技术的至少一种缺点或其能够提供有用的备选方案。本发明的一个目的还在于提供可通过所述新方法获得的新的并且经改进的复合材料结构。
发明内容
根据本发明的第一方面，所述目的可以通过使用用于树脂浸渍工艺如真空辅助的树脂传递模塑的芯块来达到，其中所述芯块具有第一表面和第二表面并具有一定厚度，在芯块的第一表面中形成有许多第一沟槽，第一沟槽具有第一高度和底部，和在所述芯的第二表面中形成有许多第二沟槽并具有第二高度，和第一沟槽和第二沟槽是在芯块中形成的树脂分配网络的一部分，其中第一高度与第二高度之和大于芯块的所述厚度，且其中芯块的第一表面中的第一沟槽中的至少一个与芯块的第二表面中的第二沟槽中的至少一个交叉(cross)，且其中第一沟槽的底部与芯块的第二表面之间的距离大小使得芯块沿第一沟槽是可挠的(flexible)。
根据第二方面，本发明提供一种形成复合材料结构的方法，其包括以下步骤：a)提供至少一个具有第一表面和第二表面并具有一定厚度的芯块，在所述芯的第一表面中形成有许多第一沟槽，第一沟槽具有第一高度和底部，且在所述芯的第二表面中形成有许多第二沟槽并具有第二高度，第一沟槽和第二沟槽是在芯块中形成的树脂分配网络的一部分，b)用纤维材料覆盖芯块的至少一部分，c)将所述被覆盖的芯块设置在包括模具部件和真空袋的成型结构中，d)将所述真空袋密封到所述模具部件以形成所述成型结构的内部部件，e)连接未固化的流体树脂的源以向所述树脂分配网络供给未固化的树脂，f)将成型结构的内部连接至至少一个真空出口，g)迫使未固化的树脂从未固化的树脂的源经过树脂分配网络并流向真空出口以填充成型结构的内部和浸渍纤维材料，和h)固化树脂以形成复合材料结构，其中第一高度与第二高度之和大于芯块的厚度，且其中芯块的第一表面中的第一沟槽中的至少一个与芯块的第二表面中的第二沟槽中的至少一个交叉，且其中第一沟槽的底部与芯块的第二表面之间的距离的大小使得芯块沿第一沟槽是可挠的。
根据第三方面，本发明提供一种复合材料结构，其包括：至少一个具有第一表面和第二表面并具有一定厚度的芯块，在所述芯的第一表面中形成有许多第一沟槽，第一沟槽具有第一高度和底部，和在所述芯的第二表面中形成有许多第二沟槽且具有第二高度，第一沟槽和第二沟槽是在芯块中形成的树脂分配网络的一部分，覆盖芯块的至少一部分的纤维材料，和浸渍所述纤维材料和树脂分配网络的固化的树脂，其中第一高度与第二高度之和大于芯块的厚度，且其中芯块的第一表面中的第一沟槽中的至少一个与芯块的第二表面中的第二沟槽中的至少一个交叉，且其中第一沟槽的底部与芯块的第二表面之间的距离大小使得当没有被固化的树脂浸渍时，芯块沿第一沟槽是可挠的。
据此，所述具有树脂分配网络的芯块被成形为单个的整块，其消除了在箔或网上设置分离的小方块的需要，由此在将这些块设置在模具部件中时有助于所述块的更容易的操作。此外，由于所述芯块的第一表面中的第一沟槽几乎贯穿芯块，所以芯块变成了高度可挠的，这意味着它们可以根据模具部件的曲率设置和成形。这在制造具有弯曲外表面的复合材料结构例如风力涡轮机叶片时是非常可取的。因此，所述第一表面中的第一沟槽形成所述芯块的弯曲线。所以，术语″可挠″具有的意思是在浸渍过程中例如当向模具或成形部件施加真空时，芯块可以追随模具部件的曲率。此外，由于至少一个第一沟槽与至少一个第二沟槽相连，所以无需在芯块中提供穿孔就可将树脂从芯块一侧供应到芯块的另一侧。所述芯块中的沟槽可以例如通过使用CNC切割机或铣床在所述块中切割。另外，固化的树脂填充树脂分配网络有助于防止复合材料结构或所形成的夹层结构脱层。
当所述复合材料结构为壳部件如风力涡轮机叶片的半壳部件时，步骤a)-c)通常通过首先在模具部件中设置一或多个纤维层并限定最终复合材料结构的外表面，然后将芯块设置在所述纤维层上，和最后在所述芯块上设置一或多个纤维层并限定壳部件的内表面来进行。
本发明还提供了更宽的方面，其中所述芯块是可成形的(formable)，即不一定具有在芯块的第二表面中提供的第二沟槽的芯块。
由此，根据本发明的第一更宽的方面，本发明提供芯块用于树脂浸渍工艺如真空辅助的树脂传递模塑的用途，其中所述芯块具有第一表面和第二表面，在所述芯的第一表面中形成有许多第一沟槽，第一沟槽具有第一高度和底部，第一沟槽是在芯块中形成的树脂分配网络的一部分，且其中第一沟槽的底部与芯块的第二表面之间的距离的大小使得芯块沿第一沟槽是可挠的。
根据第二更宽的方面，本发明提供一种形成复合材料结构的方法，其包括以下步骤：a)提供至少一个具有第一表面和第二表面的芯块，在所述芯的第一表面中形成有许多第一沟槽，第一沟槽具有第一高度和底部，第一沟槽是在芯块中形成的树脂分配网络的一部分，用纤维材料覆盖芯块的至少一部分，将所述被覆盖的芯块设置在包括模具部件和真空袋的成型结构中，将真空袋密封于模具部件以形成所述成型结构的内部部件，连接未固化的流体树脂的源以向所述树脂分配网络供给未固化的树脂，将成型结构的内部连接至至少一个真空出口，迫使未固化的树脂从未固化的树脂的源经过树脂分配网络并流向真空出口以填充成型结构的内部和浸渍纤维材料，和h)固化树脂以形成复合材料结构，其中第一沟槽底部与芯块的第二表面之间的距离的大小使得芯块沿第一沟槽是可挠的。
根据第三更宽的方面，本发明提供一种复合材料结构，其包括：至少一个具有第一表面和第二表面的芯块，在所述芯的第一表面中形成有许多第一沟槽，第一沟槽具有第一高度和底部，第一沟槽是在芯块中形成的树脂分配网络的一部分，覆盖芯块的至少一部分的纤维材料，和浸渍所述纤维材料和树脂分配网络的固化的树脂，其中第一沟槽底部与芯块的第二表面之间的距离的大小使得当未被固化的树脂浸渍时芯块沿第一沟槽是可挠的。
在下文中，记述了不同的有利实施方案。这些实施方案既适用于本发明的所述第一、第二和第三方面，也适用于本发明的所述更宽的方面。
在本发明的第一实施方案中，第一高度为芯块厚度的至少75％。或者，第一高度为芯块厚度的至少80％、85％、90％或95％。
在本发明的第二实施方案中，第一沟槽的底部与芯块的第二表面之间的距离为0.3-5mm，或者为0.4-3mm，或者为0.5-2.5mm。发现这些距离为芯块提供了适当的弯曲运动。单独芯块的厚度可以根据期望的芯厚度而变化。根据一个实施方案，所述块的厚度在20-35mm之间变化。
根据一个实施方案，所述芯块包括泡沫材料，如泡沫聚合物。所述泡沫聚合物可以例如选自聚苯乙烯、聚氨酯、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯(PVC)、醋酸纤维素、聚苯乙烯或尼龙。或者，所述芯块包括轻木(balsawood)和/或混凝土。
所述树脂优选地选自乙烯基酯、聚酯、环氧树脂或双马来酰亚胺的酚醛、丙烯酸类树脂(vinyl ester，polyester，epoxy，or phenolic，acrylic ofbismaleimide resin)。
所述芯块可以具有变化的刚性以使所述块的柔韧性也是变化的。如果芯块例如由PVC制成，则可以通过调节每立方米的泡沫聚合物的量来改变所述刚性。此量通常在80-100kg/m3之间变化。
根据另一实施方案，芯块的第一表面中的第一沟槽是基本上平行的。
在根据本发明的一个实施方案中，芯块的第一表面中的第一沟槽相对于芯块的第二表面中的第二沟槽基本上呈横向延伸。也就是说，在芯块的第二表面中的第一沟槽也可以是平行的。这提供了一种特别简单的解决方案，其中第一沟槽在许多点与第二沟槽交叉。
根据一个实施方案，所述芯块还包括许多在第一表面中的额外沟槽，所述额外沟槽具有的高度小于所述第一沟槽的高度。所述额外沟槽优选地设置为与第一沟槽呈横向。
根据一个有利的实施方案，所述沟槽的宽度在0.1-5mm，或者在0.2-3.5mm，或者在0.3-2.5mm。芯块的沟槽可以具有10-50mm，或者为12-40mm，或者为15-35mm的相互中心间隔。
根据另一有利实施方案，与第二表面中的第一沟槽交叉的第一表面中的第一沟槽的那部分的高度在0.25-5mm之间，或者在0.3-3.5mm之间，或者在0.35-2.5mm之间。也就是说，第一高度与第二高度之和减去芯块的厚度应当上述区间之内。
一般而言，所述沟槽的尺寸和设置应当使得树脂在固化之前能够有效地浸渍纤维材料。例如，为了不过快或过慢地将树脂从所述块的上侧提供到下侧，适当设置与第二表面中的沟槽交叉的第一表面中的沟槽的那部分的横截面大小是非常重要的。
根据一个可选实施方案，所述第二沟槽具有第二底部，且第二沟槽的底部与芯块的第一表面之间的距离的大小使得芯块沿第二沟槽是可挠的。由此，提供了一种简单的提供在纵向和横向上都可挠的芯块的方式。所述第二高度可以例如为芯块厚度的至少75％。或者，第二高度为芯块厚度的至少80％、85％、90％或95％。第二沟槽的底部与芯块的第一表面之间的距离可以例如为0.3-5mm，或者为0.4-3mm，或者为0.5-2.5mm。
如WO EP 0831987和EP 01304211中所述，可以在单独的芯块之间提供纤维材料。此外，可以在设置到模具中之前或在设置过程中，用进一步的纤维材料覆盖多个单独的芯块。
根据一个实施方案，彼此相邻地设置多个芯块。由此，可使用单独的块来形成更大的芯部件以及由此形成更大的复合材料结构。为了实现液态树脂的有效分配，给定芯块的至少一些沟槽可以与相邻芯块的沟槽对准。
第一沟槽和/或第二沟槽的侧壁可以是发散的(diverging)，例如成型为U形或V型沟槽。由此，提供额外的可挠性(flexibility)。
根据另一实施方案，待制造的复合材料结构为扁长(oblong)结构，如风力涡轮机半壳，并具有纵向和横向，且其中芯块的第一表面中的第一沟槽基本上设置在所述纵向。由此，所述模具部件也是扁长的且第一沟槽对准模具部件的纵向。
根据又一实施方案，在模具部件中额外设置了纤维***物，所述纤维***物包括多个纤维层并形成主层压体，其在最终的复合材料结构中构成纵向延伸的增强部件。最终的复合材料结构如风力涡轮机壳部件可以包括额外的增强部件，如在壳部件的纵向延伸的一或两个主层压体和/或侧面或边缘增强部件。
根据一个实施方案，在步骤a)之前向模具部件施加凝胶涂层。由此，所述凝胶涂层形成最终的复合材料结构的硬外表面。此外，可以用蜡质物质覆盖模具部件的内表面以防复合材料结构粘到模具上。或者，可以使用剥离层。
根据另一实施方案，经由遍布待制造的复合材料结构设置的供给管将树脂供给到所述树脂分配网络，即所述供给管设置在芯块上面或者更准确地说设置在限定最终半壳的内侧的纤维层上面。优选地将所述供给管设置在模具部件的纵向上。所述管可以形成为所谓的Ω轮廓(omegaprofiles)，开口面向待制造的复合材料结构。
或者，一个或多个所述芯块可以包括一个连接配件(fitting)，供给管插在所述配件中。
根据又一实施方案，所述真空出口包括一或多个连接至真空源的真空通道，所述真空通道优选地设置在模具部件的纵向上。所述真空出口可以包括许多设置在中央的真空通道和/或提供在模具部件侧面的真空通道。
根据一个有利的实施方案，所述真空通道具有基本上能透过气体且基本上不能透过树脂的半透膜。所述真空通道可以例如形成为具有狭缝开口的轮廓元件(profile member)，所述半透膜设置在所述开口处。所述真空通道和/或供给管可以是所述真空袋的一部分。
根据一个实施方案，在被覆盖的芯块之上额外设置撕去层。此层可以例如为剥离层或有孔的箔。据此，在固化完成之后可以通过撕下其上面设置了树脂供给管、真空通道、半透膜、真空袋等的所述撕去层，容易地除去所有这些元件。所述撕去层可以例如是打孔的膜或纤维层的形式。
附图说明
下面参照附图中所示的实施方案对本发明进行详细说明，其中
图1是风力涡轮机壳部件的俯视示意图，
图2是模具部件的示意截面，纤维层和芯材料设置在该模具部件中，
图3是根据本发明的第一芯块的透视示意图，
图4是沿图3中A-A线的截面，
图5是稍微弯曲的图4中所示的芯块，
图6是沿图3中B-B线的截面，
图7是根据本发明的第一复合材料结构，
图8是根据本发明的第二复合材料结构，
图9是根据本发明的第二芯块的透视示意图，
图10是用于实施本发明的方法的装置的示意截面，和
图11a-h是显示通过本发明的方法液态聚合物如何被分配到纤维***物中的示意截面。
具体实施方式
图1显示了风力涡轮机叶片壳部件1的俯视图。该壳部件包括第一纤维***物2，又称作主层压体(main laminate)，其沿壳部件1纵向的至少一部分延伸。所述主层压体2充当最终的风力涡轮机叶片的增强部件。
所述主层压体2从叶根7延伸到末梢8。在此将该主层压体描绘成具有均一的宽度；然而，典型地所述主层压体具有变化的宽度并向着壳部件1的末梢8方向变窄。对于大的风力涡轮机叶片，如LM61.5叶片，所述壳部件可以另外包括第二纤维***物3，又称作小主层压体。此外，壳部件1可以分别在风力涡轮机叶片壳部件1的前沿4和后沿5处包括增强部件，例如纤维***物。
图2显示了模具部件110的横截面图，模具部件110具有其中设置了一些纤维层、芯部件和增强部件的模腔，这些部件都被包括在最终的风力涡轮机壳部件中。图2只用于显示所有这些部件在风力涡轮机壳部件中的相对布置和如何设置树脂入口通道和真空出口的一个例子。所述叶片壳部件包括一或多个用树脂浸渍并任选地用凝胶涂层涂覆的下纤维层114，其限定壳部件的外表面，和一或多个用树脂浸渍的上纤维层113，其限定壳部件的内表面。所述一个或多个上纤维层113和一个或多个下纤维层114被包括多个用树脂浸渍的纤维层的纤维***物或主层压体102、第一芯部件111和第二芯部件112以及位于壳部件的后沿105处的第一纤维增强部件115和位于壳部件的前沿106处的第二纤维增强部件116隔开。
用于VARTM工艺的装置包括一些真空出口，其中第一真空出口131和第二真空出口133设置在主层压体102之上，而第一附加真空出口160和第二附加真空出口165设置在刚性模具部件110的边缘或凸缘处，即分别设置在最终的叶片壳部件的前沿104和后沿105处。
经由一些设置在所述主层压体之上的树脂入口通道125、126以及一些设置在第一芯部件111之上的第一附加树脂通道170和一些设置在第二芯部件112之上的第二附加树脂通道175提供树脂。
在图2中，壳部件被绘制成具有均匀厚度。然而，典型地壳部件在主层压体102附近最厚，并向着前沿104和后沿105方向变薄。壳部件在此被描绘成只具有一个主层压体，但是其也可以包括第二或小主层压体，在这种情况下壳部件还包括第三芯部件。
图3显示了本发明的芯块30，其可用于如图1或2所示的风力涡轮机壳部件的芯部件或用于一般的夹层结构。图4和6分别显示了沿A-A线和B-B线的横截面。
芯块30包括第一表面35和第二表面36。在第一表面35中形成有许多基本上平行的第一沟槽31。芯块30通常是设置为使第一沟槽在芯块30是其一部分的复合材料结构或夹层结构的纵向上延伸。在芯块的第二表面36中形成有许多第二沟槽32。第二沟槽32设置为基本上与第一沟槽31呈横向。此外，在芯块的第一表面35中形成有一些额外的沟槽33。它们同样设置为与第一沟槽31呈横向。所述额外的沟槽33可以如图3-6所示设置在与第二沟槽32相同的平面内。但是，这也不是必须的，并且所述沟槽在芯块30的纵向上可以互换。
第一沟槽31具有第一深度h1，第二沟槽32具有第二深度h2，而芯块30的总厚度为h。从第一沟槽31底部到芯块30的第二表面36的距离用t表示(其等于h-h1)。相邻沟槽之间的距离用d表示，各个沟槽的宽度用w表示。通常，各个沟槽具有相同的宽度和间距，不过为优化液态树脂的分配这些尺寸可以变化。
芯块30由刚性的轻质材料如轻木或泡沫聚合物(例如泡沫聚氯乙烯(PVC))制成。
第一沟槽31延伸到几乎贯穿所述块，以致第一沟槽31的底部与第二表面36之间的距离所构成的厚度t使得所述芯块绕沿着第一沟槽31在纵向上延伸的轴是可挠或可弯曲的。图5显示了一个绕这些轴弯曲的芯块30的例子。由此，所述芯块可以按照在其中设置它们的模具部件成形，和在向模腔施以真空时按照模腔的表面成形。
另外，第二沟槽32可以几乎延伸贯穿所述块，以致第二沟槽32的底部与第一表面36之间的距离所构成的厚度使得所述芯块绕沿着第二沟槽32在横向上延伸的轴是可挠或可弯曲的。
图7和8显示了将这种芯块用于夹层结构的例子。图7显示了第一夹层结构，其包括被第一纤维层45覆盖的第一芯块40和第二芯块50。所述夹层结构由彼此相邻的第一芯块40和第二芯块50的侧面表示。但是，所述芯块也可以设置为具有小的用于分配树脂的相互间隔。优选地，各个芯块设置为使得一个芯块的沟槽与另一个芯块的沟槽对准以在浸渍过程中获得有效的树脂分配。
芯块40、50的沟槽和第一纤维层45中填充有固化的树脂，并且所述沟槽中的树脂有助于防止复合材料夹层结构发生脱层。所述夹层结构当然也可以只包括一个芯块或包括三个或更多芯块，并且为获得期望的复合材料结构形状所述块可以具有变化的表面厚度。
图8显示了第二夹层结构。在此实施方案中，各个芯块被单独的纤维层覆盖。由此，该第二夹层结构包括被第一纤维层65覆盖的第一芯块60和被第二纤维层75覆盖的第二芯块70。这两个块被另外的纤维层85覆盖。
在制造大的复合材料结构如图1和2所示的风力涡轮机壳部件时，芯部件往往包括不同材料的芯块以优化复合材料结构的重量和强度。所述芯部件可以例如包括分别由轻木和泡沫PVC制成的芯块。
由于，轻木和泡沫PVC具有不同的刚性和密度，所以这些芯块的组合可能产生边界，在那里夹层结构的强度在两侧是不同的。这种不连续性可能导致在复合材料结构的使用期间由于应力线或区域而产生的局部薄弱，特别是当所述结构为风力涡轮机叶片时。这种具有不连续强度的区域增大了复合材料结构产生弯曲效应的概率。因此，形成与不同材料或强度的芯块的边界的芯块通常是锥形的(tapered)，以获得从一种芯材料到另一种芯材料的渐变过渡。
图9中显示了具有锥形区37′的这样的芯块30′。此芯块30′同样包括一些在芯块30′的第一表面35′中形成的基本上平行的第一沟槽31′。如同图3中示出的芯块，该锥形的芯块30′同样包括一些在芯块30′的第二表面中形成的横向设置的第二沟槽32′。芯块30′另外包括一些在芯块30′的第一表面35′中形成的横向设置的额外的沟槽33′。锥形区37′以角度α倾斜。
从图9看出，第一沟槽31′的高度(h1)和芯块的高度(h)可以例如在芯块30的横向上变化，而第一沟槽31′的底部与芯块30′的第二表面36′之间的距离(t)基本上是恒定的。当然，可能产生小的制造偏差。
芯块的沟槽可以例如通过使用CNC切割机(cutter)或铣床切削来制造。在图3-9中，沟槽被绘制成具有方形侧面；然而，其也可以稍微呈锥形以除了图5所示的方向外在另一方向上更加可弯曲或可挠。
图10显示了用于通过真空灌注(vacuum infusion)制造风力涡轮机叶片的叶片半壳的模具的横截面。该图显示了固体模具部件210，其具有与最终的叶片半壳的外侧相匹配的上侧。出于进行说明的原因，所述模具部件210的上侧显示为是平的，但是其通常被弯曲成期望的叶片半壳形状。首先，向模具部件210的模腔施加蜡质物质，以防止所述半壳粘到所述表面上。接着，在模具部件210的内侧上设置所谓的凝胶涂层，所述凝胶涂层以后形成最终的叶片半壳的外侧。在凝胶涂层上设置由许多优选薄的下纤维层214构成的纤维材料，在其上设置下分配层229。在下分配层229和纤维层214之上设置纤维***物202。邻近纤维***物202的第一侧设置充当填充材料或夹层材料的第一芯部件211，如轻木或PVC泡沫，和邻近纤维***物202的第二侧设置第二芯部件212。
纤维***物202充当叶片的增强部件(又称作主层压体)并在叶片壳部件的纵向延伸。纤维***物202包括多个纤维层。纤维***物202包括位于纤维***物202第一侧的第一区221和位于纤维***物202第二侧的第二区222。第一区221和第二区222在叶片壳部件的横向上被中间区220隔开。
在纤维***物202的中间区220之上设置用于分配液态聚合物的上分配介质223，其为具有沟槽224的板状元件的形式。上分配介质23通常又称作顶帽(top hat)。
在顶帽223、纤维***物202和第一和第二芯部件211、212之上设置呈多个优选地薄的上纤维层213形式的纤维材料。可借助于用于提供聚合物的装置提供树脂，该装置被设置到模具部件210内上纤维层213之上，从而其在模具部件210的纵向上延伸。所述用于提供聚合物的装置由此包括撕去层或剥离层240，例如呈有孔的箔的形式，配有第一半透膜232的第一真空出口或真空通道231，配有第二半透膜234的第二真空出口或真空通道233，以及一些树脂入口通道225-228。
顶帽223设置为使得其与主层压体202的中间区220重叠，且第一真空通道231和第二真空通道233设置为使得它们分别与主层压体202的第一区221和第二区222重叠。
下分配层229可以例如由多孔芯材料例如轻木或泡沫聚合物制成，具有作为表面中的凹槽形成并在分配层的平面内延伸的通道，通常垂直于叶片的纵向。不过，所述通道也可以相对于叶片纵向呈任何其它可能的角度延伸。或者，下分配层229为对液态树脂具有高渗透性的网或纤维垫。下分配层229在图10中在一个与整个主层压体202重叠的实施方案中示出。但是，也可以提供两个不同的分配层，其分别与所述第一区和第二区重叠并且其延伸到主层压体202的中间区220之下。主要的重点是所述一个或多个下分配层设置为使得它们能够与向下传播穿过中间区220和穿过第一芯部件211和第二芯部件212的液态树脂的流动前沿接触，从而使所述流动前沿被吸入主层压体202的第一区221和第二区222之下。
在上面设置了气密的真空袋250，其与模具部件210一起形成模腔或等同的具有内部的成型部件。此外，真空通道，例如呈穿孔真空管的形式，可以设置在模具的凸缘即边缘处。此外，可以在第一芯部件和第二芯部件之上提供一些入口通道(未显示)，相当于图2所示的实施方案。
芯部件211、212可以包括图3-9中所示的任何芯块或这些块与现有技术的芯块的组合。所述芯块如前所述典型地具有在芯块平面内延伸的在叶片半壳纵向上或与之垂直的通道。所述通道也可以通过将轻木块设置在渗透性的织物或网上来形成。这些通道保证了液态聚合物可以在芯部件平面内快速传播。但是，所述芯部件并不必须是轻木或泡沫PVC，其可以是具有良好流动性的任何其它材料。其可以例如是松散编织的玻璃纤维垫或具有高渗透性和大容量的类似网状结构。
一般地，为了优化叶片壳部件的重量和强度，芯部件211、212包括轻木和泡沫PVC芯块的组合。
在填充模具的过程中，第一和第二真空通道231、233以及可能的其它应用的真空通道与真空源连通，而入口通道225-228与具有液态聚合物的聚合物源连通。所述真空通道中的真空在模具部件210与真空袋250之间的整个模腔中产生真空，由此将树脂经入口通道225-228吸入模腔中，从而所述聚合物传播穿过和浸渍纤维材料213、214、202以及芯部件211、212。当固化完成后，将真空袋250和剥离层240连同真空通道231、232以及树脂入口通道225-228一起除去。
对于树脂入口通道225-228，可以采用本身已知的Ω-形轮廓元件或穿孔管。所述真空通道也可以形成为Ω-形轮廓元件或穿孔管。如果采用穿孔真空管，则它们可以通过延伸到管中并防止管由于所述真空而扁瘪的螺旋刚性元件进行增强。
不过，在真空袋250下使用树脂入口通道可能产生问题，因为所述真空袋将会把所述入口通道压向所述纤维层或主层压体202，这会在这些纤维层或主层压体202中留下压痕。在风力涡轮机叶片的随后使用期间，这些压痕可能会导致弯曲效应，这可能意味着昂贵的叶片修复或甚至叶片更换。
通过顶帽223减少或完全改善了这种问题。顶帽223将此压力平衡或均衡到顶帽223的整个下表面上，由此防止在主层压体202中形成压痕。顶帽223向着顶帽223的侧面是锥形的以在最终的壳部件的不同材料之间获得渐变过渡；这同样是为了防止形成具有不连续的刚性或强度的边界，由此使发生上述弯曲效应的概率最小化。为了使顶帽223尽可能薄，其通常由轻木制成。不过，其也可以由泡沫聚合物制成。顶帽223的沟槽可以具有图3-9所示的任何构造。不过，其也可以具有在上表面中形成并在纵向上延伸的第一沟槽和在下表面中形成并在横向上延伸的第二沟槽，所述上下表面通过一些通孔连接。或者，所述沟槽可以形成为等同于图3-9中所示芯块的沟槽。
虽然在图10中未显示，但叶片壳部件的前沿和后沿典型地具有如图2所示的纤维材料的边缘增强部件。
在填充模具的过程中，液态树脂由于由模具部件210和真空袋250限定的模腔中的真空而从入口通道225-228流入模腔中。由于整个模腔中的真空，所述液态聚合物不仅被吸向叶片壳部件的前沿和后沿而且还被吸入纤维***物202中。
图11a-h显示了在填充模具的过程中主层压体202的纤维材料如何被液态树脂浸渍。在填充模具的过程开始之前，通过第一和第二真空通道231、232以及可能的其它真空通道将模腔中的空气排空，其中所述可能的其它真空通道例如可以设置在叶片壳部件的前沿和/或后沿处。空气的排空产生真空，其将被理解为模腔中的负压。
图11b图解显示了填充模具过程的开始，其中入口通道225-228充满液态聚合物，由灰色区域表示。在填充模具的过程开始时，液态聚合物被导向顶帽223，如图11c所示其沟槽224迅速被树脂充满。之后，如图11d所示聚合物慢慢向下扩展穿过主层压体202，同时液态聚合物产生向下移动穿过中间区220的宽流动前沿。与此同时，一些聚合物被分别吸入第一区221和第二区222中并向第一半透膜232和第二半透膜234运动。
在填充过程开始时，只从顶帽223上面的入口通道225-228提供树脂预定量的时间，例如30分钟。随后，从分别设置在第一芯部件211和第二芯部件212上的额外的树脂入口通道(未显示)额外提供树脂，由此产生传播穿过这些芯部件的树脂分配网络的流动前沿。这些流动前沿在图11d的两侧都有显示。所述额外的树脂入口通道可以设置为等同于图2所示实施方案。
当如图11e所示三个流动前沿到达下分配层229时，树脂在这里迅速扩展并因此进入主层压体202的第一区221和第二区222之下。随后，如图11f所示，所述流动前沿向上移动穿过第一区221和第二区222并最终，如图11g所示，形成期望的v形以确保不出现气眼。在最后，如图11h所示整个主层压体202都被浸渍，然后开始固化过程。
顶帽223确保了液态聚合物在向下穿过中间区220的过程中以较宽的流动前沿在主层压体202中传播，和下分配层229确保了在向上穿过第一区221和第二区222过程中宽的流动前沿。由于所述主层压体的宽度往往是主层压体厚度大小的许多倍，所以保证了聚合物的流动前沿将移动可能的最短距离，由此可以缩短浸渍时间。由于所述树脂只需要保持为液态较短的时间，所以也可以缩短随后的固化时间。由此，可以显著缩短制造例如风力涡轮机叶片的总时间，这意味着与以前使用的方法相比可将总的生产时间缩短到更少的工作班次。由此，可以显著降低总的生产成本。
为保证聚合物流动前沿在主层压体202内只缓慢地横向移动向第一区221和第二区222，主层压体202的材料可构造成其在穿过纤维层方向上比在纤维层平面内具有更高的渗透性。
为保证在浸渍过程中不出现气眼，此外使主层压体202的厚度与中间区220的宽度相互合适地设置大小是重要的。
入口通道225-228的尺寸可以设置为使得大量的液态聚合物可以流过它们。在填充模具的过程的最后，可以在关闭真空源之前关闭聚合物源，由此入口通道7、8可以更容易地清空液态聚合物。这减少了聚合物消耗。
真空通道231、233可以由半透膜232、234和织物(cloth)形成，其中可以设置呈三维网等形式的间隔材料(spacer material)以确保在填充模具过程中(在该过程中在真空通道231、233中建立起真空)所述膜232、234和织物不会扁瘪。
实施例
根据LM61.5风力涡轮机叶片的给定原型，主层压体的宽度在叶片纵向上是不同的。所述主层压体在最宽和最厚的部分分别是约850mm宽和约42mm厚。顶帽的宽度在叶片纵向上也是变化的，在最宽部分是约360-370mm而在最窄部分为150mm。
所述芯块的尺寸如下：w＝1-1.2mm，d＝30mm，h2＝2.5+/-0.5mm，α＝14度，和t＝1mm。所述芯块具有变化的厚度h，由此第一沟槽的高度也是变化的。第一沟槽与第二沟槽之间的重叠等于h2减去t，因此为1.5-2.0mm。
根据优选实施方案描述了实例。不过，本发明并不仅限于这些实施方案。例如，为了获得浸渍过程中液态树脂的有效分配与随后所述固化的树脂的重量分布之间的最佳平衡，应当设定单独沟槽的宽度和高度以及沟槽之间的距离。还清楚的是，为了以期望的速度从第一表面向第二表面提供液态树脂，应当优化第一沟槽与第二沟槽之间的重叠。由此，该重叠既不应太小也不应太大。
附图标记列表
1风力涡轮机叶片壳部件
2，102，202主层压体/纤维***物
3小主层压体/小纤维***物
4，104前沿
5，105后沿
7叶根
8末梢
30芯块
31第一沟槽
32第二沟槽
33额外的沟槽
35第一表面
36第二表面
37′锥形区
40第一芯块
45第一纤维层
50第二芯块
60第一芯块
65第一纤维层
70第二芯块
75第二纤维层
85额外的纤维层
110，210模具部件
111，211第一芯部件
112，212第二芯部件
113，213一个或多个上纤维层
114，214一个或多个下纤维层
115第一纤维增强部件
116第二纤维增强部件
125-126树脂入口通道
150，250真空袋
160第一额外真空出口
165第二额外真空出口
170一个或多个第一额外树脂入口通道
175一个或多个第二额外树脂入口通道
220中间区
221第一区
222第二区
223板状分配介质/顶帽
224沟槽
225-228树脂入口通道
229下分配层
231第一真空出口
232第一半透膜
233第二真空出口
234第二半透膜
240撕去层/有孔箔/剥离层

Claims (60)

1.芯块(30)用于树脂浸渍工艺的用途，其中
-所述芯块(30)具有第一表面(35)和第二表面(36)，所述芯块(30)具有厚度(h)，
-在所述芯块(30)的第一表面(35)中形成有许多第一沟槽(31)，所述第一沟槽(31)具有第一高度(h1)和底部，和
-在所述芯块的第二表面(36)中形成有许多第二沟槽(32)并具有第二高度(h2)，
-所述第一沟槽(31)和第二沟槽(32)是在所述芯块(30)中形成的树脂分配网络的一部分，其中
-所述第一高度与第二高度之和(h1+h2)大于所述芯块的厚度(h)，且其中所述芯块(30)的第一表面(35)中的所述第一沟槽(31)中的至少一个与所述芯块(30)的第二表面(36)中的所述第二沟槽(32)中的至少一个交叉，且其中
-所述第一沟槽(31)的所述底部与所述芯块(30)的第二表面(36)之间的距离(t)的大小使得所述芯块(30)沿所述第一沟槽(31)是可挠的。
2.根据权利要求1所述的芯块用于树脂浸渍工艺的用途，其中所述树脂浸渍工艺是真空辅助的树脂传递模塑。
3.根据权利要求1或2所述的芯块用于树脂浸渍工艺的用途，其中所述第一高度(h1)为所述芯块(30)的厚度(h)的至少75％。
4.根据权利要求1或2所述的芯块用于树脂浸渍工艺的用途，其中所述第一沟槽(31)的底部与所述芯块(30)的第二表面(36)之间的距离(t)为0.3-5mm。
5.根据权利要求4所述的芯块用于树脂浸渍工艺的用途，其中所述第一沟槽(31)的底部与所述芯块(30)的第二表面(36)之间的距离(t)为0.4-3mm。
6.根据权利要求4所述的芯块用于树脂浸渍工艺的用途，其中所述第一沟槽(31)的底部与所述芯块(30)的第二表面(36)之间的距离(t)为0.5-2.5mm。
7.根据权利要求1或2所述的芯块用于树脂浸渍工艺的用途，其中所述芯块(30)包括泡沫材料。
8.根据权利要求7所述的芯块用于树脂浸渍工艺的用途，其中所述泡沫材料是泡沫聚合物。
9.根据权利要求1或2所述的芯块用于树脂浸渍工艺的用途，其中所述芯块(30)的第一表面(35)中的所述第一沟槽(31)是平行的。
10.根据权利要求1或2所述的芯块用于树脂浸渍工艺的用途，其中所述芯块(30)的第一表面(35)中的所述第一沟槽(31)相对于所述芯块(30)的第二表面(36)中的所述第二沟槽(32)呈横向延伸。
11.根据权利要求1或2所述的芯块用于树脂浸渍工艺的用途，其中所述沟槽的宽度为0.1-5mm。
12.根据权利要求11所述的芯块用于树脂浸渍工艺的用途，其中所述沟槽的宽度为0.2-3.5mm。
13.根据权利要求11所述的芯块用于树脂浸渍工艺的用途，其中所述沟槽的宽度为0.3-2.5mm。
14.根据权利要求1或2所述的芯块用于树脂浸渍工艺的用途，其中所述芯块(30)的沟槽具有为10-50mm的相互中心间隔。
15.根据权利要求14所述的芯块用于树脂浸渍工艺的用途，其中所述芯块(30)的沟槽具有为12-40mm的相互中心间隔。
16.根据权利要求14所述的芯块用于树脂浸渍工艺的用途，其中所述芯块(30)的沟槽具有为15-35mm的相互中心间隔。
17.根据权利要求1或2所述的芯块用于树脂浸渍工艺的用途，其中所述第一表面(35)中的第一沟槽(31)与所述第二表面(36)的第二沟槽(32)交叉的部分的高度为0.25-5mm。
18.根据权利要求17所述的芯块用于树脂浸渍工艺的用途，其中所述第一表面(35)中的第一沟槽(31)与所述第二表面(36)的第二沟槽(32)交叉的部分的高度为0.3-3.5mm。
19.根据权利要求17所述的芯块用于树脂浸渍工艺的用途，其中所述第一表面(35)中的第一沟槽(31)与所述第二表面(36)的第二沟槽(32)交叉的部分的高度为0.35-2.5mm。
20.形成复合材料结构的方法，包括以下步骤：
a)提供至少一个具有第一表面和第二表面并具有厚度(h)的芯块，在所述芯块的第一表面中形成许多第一沟槽，所述第一沟槽具有第一高度(h1)和底部，且在所述芯块的第二表面中形成许多第二沟槽且具有第二高度(h2)，所述第一沟槽和第二沟槽是在所述芯块中形成的树脂分配网络的一部分，
b)用纤维材料覆盖所述芯块的至少一部分，
c)将所述被覆盖的芯块设置在包括模具部件和真空袋的成型结构中，
d)将所述真空袋密封到所述模具部件以形成所述成型结构的内部部件，
e)连接未固化的流体树脂的源以向所述树脂分配网络供给未固化的树脂，
f)将所述成型结构的内部连接至至少一个真空出口，
g)迫使所述未固化的树脂从所述未固化的树脂的源经过所述树脂分配网络并向所述真空出口流动以填充所述成型结构的内部和浸渍所述纤维材料，和
h)固化所述树脂以形成复合材料结构，其中所述第一高度与第二高度之和(h1+h2)大于所述芯块的厚度(h)，且其中所述芯块的第一表面中的所述第一沟槽中的至少一个与所述芯块的第二表面中的所述第二沟槽中的至少一个交叉，且其中所述第一沟槽的所述底部与所述芯块的第二表面之间的距离(t)的大小使得所述芯块沿所述第一沟槽是可挠的。
21.根据权利要求20所述的方法，其中所述方法是真空辅助的树脂传递模塑。
22.根据权利要求20或21所述的方法，其中所述第一高度(h1)为所述芯块的厚度(h)的至少75％。
23.根据权利要求20或21所述的方法，其中所述第一沟槽的底部与所述芯块的第二表面之间的距离(t)为0.3-5mm。
24.根据权利要求23所述的方法，其中所述第一沟槽的底部与所述芯块的第二表面之间的距离(t)为0.4-3mm。
25.根据权利要求23所述的方法，其中所述第一沟槽的底部与所述芯块的第二表面之间的距离(t)为0.5-2.5mm。
26.根据权利要求20或21所述的方法，其中所述芯块包括泡沫材料。
27.根据权利要求26所述的方法，其中所述泡沫材料是泡沫聚合物。
28.根据权利要求20或21所述的方法，其中所述芯块的第一表面中的所述第一沟槽是平行的。
29.根据权利要求20或21所述的方法，其中所述芯块的第一表面中的所述第一沟槽相对于所述芯块的第二表面中的所述第二沟槽呈横向延伸。
30.根据权利要求20或21所述的方法，其中所述沟槽的宽度为0.1-5mm。
31.根据权利要求30所述的方法，其中所述沟槽的宽度为0.2-3.5mm。
32.根据权利要求30所述的方法，其中所述沟槽的宽度为0.3-2.5mm。
33.根据权利要求20或21所述的方法，其中所述芯块的沟槽具有为10-50mm的相互中心间隔。
34.根据权利要求33所述的方法，其中所述芯块的沟槽具有为12-40mm的相互中心间隔。
35.根据权利要求33所述的方法，其中所述芯块的沟槽具有为15-35mm的相互中心间隔。
36.根据权利要求20或21所述的方法，其中所述第一表面中的第一沟槽与所述第二表面的第二沟槽交叉的部分的高度为0.25-5mm。
37.根据权利要求36所述的方法，其中所述第一表面中的第一沟槽与所述第二表面的第二沟槽交叉的部分的高度为0.3-3.5mm。
38.根据权利要求36所述的方法，其中所述第一表面中的第一沟槽与所述第二表面的第二沟槽交叉的部分的高度为0.35-2.5mm。
39.根据权利要求20或21所述的方法，其中待制造的复合材料结构为扁长结构，并具有纵向和横向，其中所述芯块的第一表面中的所述第一沟槽设置在所述纵向。
40.根据权利要求39所述的方法，其中待制造的复合材料结构是风力涡轮机半壳。
41.根据权利要求39中所述的方法，其中另外在所述模具部件中设置纤维***物，所述纤维***物包括多个纤维层并形成主层压体，其在最终的复合材料结构中构成纵向延伸的增强部件。
42.复合材料结构，包括：
-至少一个具有第一表面和第二表面开具有厚度(h)的芯块(40，50，60，70)，在所述芯块的第一表面中形成有许多第一沟槽，所述第一沟槽具有第一高度(h1)和底部，在所述芯块的第二表面中形成有许多第二沟槽并具有第二高度(h2)，所述第一沟槽和第二沟槽是在所述芯块中形成的树脂分配网络的一部分，
-覆盖所述芯块的至少一部分的纤维材料(45，65，75，85)，和
-浸渍所述纤维材料和所述树脂分配网络的固化的树脂，其中
-所述第一高度与第二高度之和(h1+h2)大于所述芯块的厚度(h)，且其中所述芯块(30)的第一表面(35)中的所述第一沟槽(31)中的至少一个与所述芯块(30)的第二表面(36)中的所述第二沟槽(32)中的至少一个交叉，且其中
-所述第一沟槽的所述底部与所述芯块的第二表面之间的距离(t)的大小使得当没有被固化的树脂浸渍时，所述芯块沿所述第一沟槽是可挠的。
43.根据权利要求42所述的复合材料结构，其中所述复合材料结构是通过真空辅助的树脂传递模塑形成的。
44.根据权利要求42或43所述的复合材料结构，其中所述第一高度(h1)为所述芯块(30)的厚度(h)的至少75％。
45.根据权利要求42或43所述的复合材料结构，其中所述第一沟槽(31)的底部与所述芯块(30)的第二表面(36)之间的距离(t)为0.3-5mm。
46.根据权利要求45所述的复合材料结构，其中所述第一沟槽(31)的底部与所述芯块(30)的第二表面(36)之间的距离(t)为0.4-3mm。
47.根据权利要求45所述的复合材料结构，其中所述第一沟槽(31)的底部与所述芯块(30)的第二表面(36)之间的距离(t)为0.5-2.5mm。
48.根据权利要求42或43所述的复合材料结构，其中所述芯块(30)包括泡沫材料。
49.根据权利要求48所述的复合材料结构，其中所述泡沫材料是泡沫聚合物。
50.根据权利要求42或43所述的复合材料结构，其中所述芯块(30)的第一表面(35)中的所述第一沟槽(31)是平行的。
51.根据权利要求42或43所述的复合材料结构，其中所述芯块(30)的第一表面(35)中的所述第一沟槽(31)相对于所述芯块(30)的第二表面(36)中的所述第二沟槽(32)呈横向延伸。
52.根据权利要求43或43所述的复合材料结构，其中所述沟槽的宽度为0.1-5mm。
53.根据权利要求42或43所述的复合材料结构，其中所述沟槽的宽度为0.2-3.5mm。
54.根据权利要求53所述的复合材料结构，其中所述沟槽的宽度为0.3-2.5mm。
55.根据权利要求42或43所述的复合材料结构，其中所述芯块(30)的沟槽具有为10-50mm的相互中心间隔。
56.根据权利要求55所述的复合材料结构，其中所述芯块(30)的沟槽具有为12-40mm的相互中心间隔。
57.根据权利要求55所述的复合材料结构，其中所述芯块(30)的沟槽具有为15-35mm的相互中心间隔。
58.根据权利要求42或43所述的复合材料结构，其中所述第一表面(35)中的第一沟槽(31)与所述第二表面(36)的第二沟槽(32)交叉的部分的高度为0.25-5mm。
59.根据权利要求58所述的复合材料结构，其中所述第一表面(35)中的第一沟槽(31)与所述第二表面(36)的第二沟槽(32)交叉的部分的高度为0.3-3.5mm。
60.根据权利要求58所述的复合材料结构，其中所述第一表面(35)中的第一沟槽(31)与所述第二表面(36)的第二沟槽(32)交叉的部分的高度为0.35-2.5mm。
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