點橋接纖維束的制作方法
【專利說明】點橋接纖維束 發(fā)明領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明大體上涉及用乳液或懸浮液涂布以產(chǎn)生點橋接纖維束的纖維束。
【背景技術(shù)】
[0002] 纖維增強復(fù)合材料在工業(yè)中的應(yīng)用作為遞送具有低重量的高強度部件的方式日 益增長。隨著對可再生能源的持續(xù)需要，風(fēng)力渦輪機已贏得越來越多的關(guān)注。復(fù)合材料廣 泛用于風(fēng)力渦輪機的葉片中。從風(fēng)能產(chǎn)生更多能量的需求已促進了金屬進步，這允許更大 的風(fēng)力渦輪機尺寸和新型的風(fēng)力渦輪機部件設(shè)計。隨著風(fēng)力渦輪機的物理尺寸和存在的增 長，平衡風(fēng)力渦輪機葉片制造成本和風(fēng)力葉片中復(fù)合材料性能的需要也隨之增長。
[0003] 纖維增強聚合物復(fù)合材料的疲勞性能是一種復(fù)雜現(xiàn)象。在這些材料體系中，疲勞 損傷的特征在于損傷于多個部位的開始，損傷從這些初始部位的發(fā)展，以及從多個初始點 放射的損傷的相互作用。這整個過程中的分布特性最值得關(guān)注，其提供了影響循環(huán)荷載下 材料行為的機會。
[0004] 候選材料的疲勞性能在設(shè)計和材料選擇過程中具有重要作用。可促進玻璃增強聚 合物復(fù)合材料的疲勞性能的材料技術(shù)使得能從使用環(huán)氧樹脂過渡到使用乙烯酯（VE)或不 飽和聚酯（UP)樹脂以得到高性能效用尺度的風(fēng)力渦輪機葉片。從環(huán)氧過渡到VE或UP將 減少風(fēng)力葉片制造商的樹脂成本，允許使用更低成本的模具，并且能夠通過消除復(fù)雜的后 固化（post-curing)過程而顯著降低模具循環(huán)時間。使用基于紡織品的制造工藝在復(fù)合材 料中建立新的微結(jié)構(gòu)特征可產(chǎn)生這種利益。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 包含單向纖維束和位于單項纖維束內(nèi)至少一部分相鄰纖維之間并與其相連的點 橋接纖維束（point bridged fiber bundle)。所述橋接（bridges)包括橋接形成材料，并 且具有至少第一錨定表面（anchoring surface)和第二錨定表面，其中所述第一錨定表面 與所述第二錨定表面不連續(xù)，且所述第一和第二錨定表面與兩根不同纖維接觸。所述橋接 還包含橋接表面，其定義為鄰近孔隙空間（void space)的橋接的表面區(qū)域。給定橫截面中 纖維數(shù)的約10~100%包含與點橋接纖維束中一根或多根相鄰纖維的橋接，且橋接的錨定 表面覆蓋纖維表面的少于1〇〇%。
【附圖說明】
[0006] 圖1是點橋接纖維束的一個實施方式的說明性剖視圖。
[0007] 圖2是點橋接纖維復(fù)合材料的一個實施方式的說明性剖視圖。
[0008] 圖3和4是點橋接纖維復(fù)合材料的一個實施方式的圖像說明。
[0009] 圖5和6是顯示相鄰纖維的圖解。
[0010] 圖7~9是顯示點橋接纖維束的一個實施方式的橋接結(jié)構(gòu)的說明性視圖。
[0011] 圖10是風(fēng)力渦輪機的說明性視圖。
[0012] 圖11~15是渦輪機葉片的說明性視圖。
【具體實施方式】
[0013] 研究已顯示纖維上漿劑化學(xué)品對復(fù)合材料體系疲勞性能的重要性。在某些復(fù)合材 料應(yīng)用中，在纖維制造過程中應(yīng)用纖維上漿劑（fiber sizing)，并意圖在整個織物形成和 模塑操作中將其保持就位。在這些情況中，纖維上漿劑具有若干明確的功能，包括保護單纖 維免于自磨損、潤滑要進一步加工的紗線、保持纖維束完整性、當(dāng)與樹脂接觸時促進纖維分 離和浸濕、以及將纖維表面與樹脂結(jié)合。這種類型的上漿劑的多功能方面決定了配制上漿 劑化學(xué)品中固有的妥協(xié)與限制。在這些限制下工作，纖維上漿劑化學(xué)品可針對具體系統(tǒng)優(yōu) 化。然而，對特定應(yīng)用來說，已發(fā)現(xiàn)用優(yōu)化的纖維上漿劑得到的疲勞性能提高的程度不足以 進行有意義的樹脂類型變換（例如，用不飽和聚酯樹脂取代環(huán)氧樹脂）。
[0014] 多種先前采用的技術(shù)已顯示改進纖維增強聚合物復(fù)合材料的疲勞性質(zhì)。在復(fù)合材 料中所用的纖維的類型及與纖維相關(guān)的性質(zhì)通常決定疲勞反應(yīng)的特性。一旦限定了所用纖 維的類型，改進聚合物基體復(fù)合材料的疲勞性質(zhì)的最常用的方法就是改進樹脂（聚合物基 體）自身的韌性。
[0015] 數(shù)十年來，用作復(fù)合材料中的樹脂的韌性增強聚合物的開發(fā)已經(jīng)是聚合物科學(xué)中 的主旋律。使用用于凈樹脂體系的常規(guī)度量，熱塑性材料通常被認(rèn)為比熱固性材料韌性更 高。然而，在高周疲勞應(yīng)用中，熱固性體系通常勝過熱塑性體系，這可歸因于裂紋萌生、裂紋 增長和裂紋相互作用行為的區(qū)別。另外，熱固性聚合物仍然是長纖維增強復(fù)合材料中的占 優(yōu)選擇，這可歸因于其成本和加工效率，特別是在大型結(jié)構(gòu)中。
[0016] 由于其在重要應(yīng)用（諸如高性能航空器）中作為結(jié)構(gòu)材料的用途，已開發(fā)了很多 用以改善熱固性聚合物韌性的材料技術(shù)。最普遍的方法是利用天然韌性材料（諸如高彈 體）并將該韌性材料與熱固性聚合物組合以實現(xiàn)改進的韌性?；诟邚楏w改進的理念采用 熱塑性材料作為增韌劑，其可實現(xiàn)類似的韌性改進而不會犧牲聚合物基體的模數(shù)或玻璃化 轉(zhuǎn)變溫度。為良好地工作，這些體系需要特定的化學(xué)關(guān)系，因此在一種體系（諸如環(huán)氧）中 開發(fā)的理念不能必然地與其它樹脂化學(xué)品相容。例如，基于將增軔相溶解在樹脂中隨后將 增軔相沉淀為所需形態(tài)的體系對于樹脂化學(xué)品和加工條件都非常敏感。
[0017] 為開發(fā)增強復(fù)合材料相關(guān)性質(zhì)的經(jīng)濟的方法，需要用于使用普通材料和工藝改進 所關(guān)注的特定性質(zhì)的有針對性的材料結(jié)構(gòu)。
[0018] 圖1是點橋接纖維束10的一個實施方式的說明。點橋接纖維束10包含單向纖維 束和形成位于一部分相鄰纖維之間并與其相連的多個橋接的橋接形成材料。單向纖維束 100包含纖維110和圍繞單向纖維束100內(nèi)的纖維110的孔隙空間120。
[0019] 一旦點橋接纖維束用樹脂浸漬并固化，即形成如圖2所示的點橋接纖維復(fù)合材料 400。在點橋接纖維復(fù)合材料中，樹脂300涂布并浸入單向纖維束100中，并且固化以至少 部分填充單向纖維束100中的孔隙空間120。這形成了包含單向纖維束100、多個橋接200 和樹脂300的點橋接纖維復(fù)合材料400。單向纖維束100包含纖維110和填充圍繞橋接200 的孔隙空間的樹脂300。圖3和4是以不同放大倍數(shù)獲取的點橋接纖維復(fù)合材料的一個實 施方式的實際顯微圖像的說明。
[0020] 點橋接纖維束10 (以及復(fù)合材料400)包含橋接形成材料，其形成位于至少一部分 相鄰纖維之間并與其相連的橋接200。其在圖1和2中均有顯示。優(yōu)選地，給定橫截面中纖 維數(shù)的約10~100%包含與纖維束100內(nèi)的一根或多根纖維的橋接。在另一個實施方式 中，給定橫截面中纖維數(shù)的約50~100%包含與一個或多根相鄰纖維的橋接，更優(yōu)選給定 橫截面中纖維數(shù)的約60~100%，更優(yōu)選給定橫截面中纖維數(shù)的約75~100%。橋接的百 分?jǐn)?shù)可通過如下方式計算：獲取經(jīng)涂布的纖維束的典型橫截面，確定通過橋接與至少一根 其相鄰纖維相連的纖維數(shù)，并除以纖維總數(shù)。這種橋接是通過在兩根相鄰纖維之間延伸的 橋接形成材料形成的。
[0021] 從纖維束的剖視圖看來，"相鄰纖維"使用以下方法定義。從特定纖維的中心開始， 所有滿足以下條件的纖維被視為相鄰：所述纖維的中心在距指定纖維的中心的10個平均 纖維直徑內(nèi)，且具有顯著視線。顯著視線（significant line of sight)表示至少一半可 能相鄰的纖維從指定纖維的中心是可見的，并且不會被與該可能相鄰的纖維相比更接近指 定纖維的其它纖維的部分覆蓋。其例子如圖5所示，其中纖維150是指定纖維（specified fiber)。在該圖5中，來自纖維150中心的實心切線被繪制至纖維151、153、154和156,并 且代表那些纖維阻斷（block)從纖維150中心對其它纖維的視野（view)的區(qū)域，而虛切線 被繪制至纖維152、155和157,表示具有部分遮擋的纖維150的視野的纖維的全尺寸。從纖 維150的中心，纖維151、153、154和156全都是可見的，因此它們被視為與纖維150相鄰。 纖維152也與纖維150相鄰，因為其表面的多于一半從纖維150的中心可見，即使它的一部 分被纖維151遮擋。纖維155不與纖維150相鄰，因為其視野的多于被纖維153和154所 遮擋。最后，纖維157不與纖維150相鄰，因為其視野的多于一半被纖維156所遮擋。
[0022] 顯著視線的確定可通過如下方式進行：或者從纖維素剖視圖像進行幾何測量，或 者進行計算。例如，幾何測量可通過如下方式在纖維153和154上進行：首先從纖維150 的中心繪制與每根纖維的兩側(cè)相切的線。與纖維155相切的線所形成的角度限定其尺寸 (其為2 Θ 155)，而可見部分通過纖維153和154上的切線之間的角度α 155來確定。由于 α 155〈 Θ 155，纖維155不與纖維150相鄰。類似地，切線可繪制到纖維151和152?？梢姷睦w 維152的量隨后通過與纖維152相切的切線A和與纖維151相切的切線B之間的角度α 152 給出。由于α 152> Θ 152，纖維152與纖維150相鄰。
[0023] 如果假設(shè)纖維是圓柱形的，則也可通過數(shù)學(xué)作出這樣的測量。使用極坐標(biāo)系，可能 與指定纖維相鄰的直徑為Cl1的每根纖維的位置可通過指定纖維的中心與纖維i的中心之 間的距離(^和連接指定纖維的中心與纖維i的中心的線與穿過指定纖維的中心的參考線 之間的角度奶來定義（參見圖6)。隨后每根纖維的尺寸可測定為Q i=Sin1W1Ac1),且 其阻擋了圍繞指定纖維的從9-0到奶+汍的區(qū)域。按C 1升高的順序考慮纖維，每根纖維 的可見部分將度當(dāng)圍繞指定纖維的新的區(qū)域，該區(qū)域覆蓋了一些角度a i。注意在纖維被另 一根纖維侵蝕的情況中，這些區(qū)域可能是不相連的（纖維156和157)，且其尺寸測量為定義 單獨部分的尺寸的角度之和。在考慮了所有其中C 1小于或等于平均纖維直徑的10倍的纖 維之后，僅有α A Θ 那些纖維與指定纖維相鄰。
[0024] 在單向纖維束中，有位于至少一部分相鄰纖維之間并與其相連的多個橋接。相鄰 纖維之間的橋接有助于控制纖維的相對位置。這些橋接可以粘合或不粘合到纖維110的表 面，但優(yōu)選連接并粘合到纖維110的表面。在至少兩根相鄰纖維110之間延伸但并不與至 少兩根纖維110連接的橋接形成材料不是如本申請中所定義的橋接。優(yōu)選地，在兩根（或 多于兩根）相鄰纖維Iio之間的橋接粘合到至少兩根纖維Iio上，更優(yōu)選粘合到多于兩根 (或全部）纖維110上。橋接增加纖維之間的相互作用，防止纖維之間空間的壓縮，并且仍 允許樹脂在團聚顆粒和纖維之間和圍繞它們流動。纖維間的橋接改變了復(fù)合材料內(nèi)裂紋萌 生、增長和相互作用的方式。
[0025] 對于被認(rèn)為是橋接的固體材料的小片段（section)或小滴（droplet)來說，其必 須具有在兩根或更多根相鄰纖維上的錨定表面，并且在那些相鄰纖維之間的孔隙空間中連 續(xù)。連接多于兩個纖維的橋接可連接彼此不相鄰的兩根或更多根纖維，只要通過該橋接相 連的所有纖維與橋接內(nèi)的一根或更多根纖維相連。每個橋接包含多個表面：一個或多個橋 接表面和至少兩個錨定表面（至少第一錨定表面和第二錨定表面）。
[0026] 纖維間橋接的例子如圖8中所示。在該附圖中，單獨的纖維110被標(biāo)記出以顯示它 們之間橋接的區(qū)別。纖維700~724通過一組橋接相連，這些橋接中的一些被獨立編號為 725~732、在該附圖中，纖維700、714和715通過橋接725相連。纖維701、702和722通過 橋接726相連。725和726二者均具有三個錨定表面和三個橋接表面。纖維702和703通 過橋接7