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CN101705922B - 大型复合材料风电叶片及其制备方法 - Google Patents

大型复合材料风电叶片及其制备方法 Download PDF

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CN101705922B CN200910227056XA CN200910227056A CN101705922B CN 101705922 B CN101705922 B CN 101705922B CN 200910227056X A CN200910227056X A CN 200910227056XA CN 200910227056 A CN200910227056 A CN 200910227056A CN 101705922 B CN101705922 B CN 101705922B
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Abstract

本发明公开了一种大型复合材料风电叶片,该复合材料风电叶片包括吸力面壳体(1)、压力面壳体(2)和固接于两壳体之间的剪切腹板(3),吸力面壳体(1)、压力面壳体(2)均为蒙皮(4)包覆芯材的夹芯型结构件,芯材包括叶片主承力梁(5)、叶片的翼缘加强部(6)和位于主承力梁(5)与翼缘加强部(6)之间的填充材料(7),主承力梁(5)和翼缘加强部(6)均是以碳纤维和玻璃纤维混杂作为增强材料。本发明的大型复合材料风电叶片具有质量轻巧、临界长度延长、力学性能优异等优点。

Description

大型复合材料风电叶片及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种风电叶片及其制备方法,尤其涉及一种用复合材料制备的风电叶片及其制备方法。
背景技术
随着风力发电机叶片设计技术的提高,大型化和轻量化已成为复合材料风电叶片发展的重要趋势。目前大型复合材料风电叶片主要是以玻璃纤维作为增强材料,然而叶片大型化发展对叶片强度、刚度的要求越来越高,叶片长度和自重也越来越大,以至玻璃纤维难以承受。根据对玻璃纤维增强复合材料(GFRP,Glass Fiber Reinforced Polymer)叶片的分析,其强度和刚度所能承受的叶片临界长度目前约为60m。基于叶片大型化发展的要求,为了能有效增加叶片临界长度,保证叶片在极端风载下叶尖不碰触塔架,需要对叶片进行改进,以使得叶片具有足够的强度和刚度。其中,对叶片材料进行改进是一种较为可行的途径。
此外,大型复合材料风电叶片的应用还面临一个技术问题,即如何对厚截面、大尺寸风电叶片构件的制备工艺进行优化,现有的风电叶片制备工艺多采用预浸料湿法成型工艺,不仅制备周期长、效率低,而且质量稳定性较差,此外需要预浸机等专用设备,成本高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足,提供一种质量轻巧、临界长度延长、力学性能优异的大型复合材料风电叶片,还提供一种工艺简单、适应性强、成本低的该复合材料风电叶片的制备方法。
为解决上述技术问题,本发明提出的技术方案为一种大型复合材料风电叶片,所述风电叶片包括吸力面壳体、压力面壳体和固接于两壳体之间的剪切腹板,所述吸力面壳体、压力面壳体均为蒙皮包覆芯材的夹芯型构件,所述芯材包括叶片的主承力梁、叶片的翼缘加强部和位于主承力梁与翼缘加强部之间的填充材料,其特征在于:所述主承力梁和翼缘加强部均是以碳纤维和玻璃纤维混杂作为增强材料。
碳纤维是一种性能优异的高性能增强材料,广泛应用于航空航天等领域。碳纤维比强度和比模量高,对于发展轻质、高强及大型复合材料风电叶片是一种理想材料,但其高昂的价格极大制约了碳纤维在风电叶片领域的应用。为了减轻大型化风电叶片的质量,同时满足叶片的强度与刚度要求,还要克服成本制约的问题,上述技术方案采用了一种新型的增强材料体系,即将所述碳纤维和玻璃纤维混杂材料引入到风电叶片领域,具体是将该混杂材料用作复合材料风电叶片主承力梁和翼缘加强部的增强材料,由于碳纤维增强复合材料(CFRP,Carbon Fiber Reinforced Polymer)的比强度(强度/密度)大约是GFRP的2倍,比模量(模量/密度)约是GFRP的3倍,因此采用碳纤维和玻璃纤维混杂材料制作风电叶片不仅能充分发挥碳纤维高弹轻质的优点,大大提高叶片的刚度和强度,增加叶片的临界长度,而且价格比采用纯碳纤维作为增强材料要大大降低,更有利于碳纤维在风电叶片领域的推广和应用。
上述技术方案的主承力梁增强材料(碳纤维和玻璃纤维混杂)中,所述碳纤维与玻璃纤维的体积比优选为7∶3~9∶1,即碳纤维相对体积分数(碳纤维体积与碳纤维体积加玻纤体积之和的比值)为70%~90%。理论和实验结果表明,碳纤维相对体积分数为70%~90%的碳纤维和玻璃纤维混杂增强主承力梁的强度比纯玻璃纤维增强主承力梁的强度提高40%~60%,模量提高100%~130%,因此无需使用全碳纤维增强主承力梁就能够充分满足风电叶片主承力梁承载的要求。加入相对体积分数为10%~30%的玻璃纤维作为主承力梁增强材料,一方面是为降低成本,但更重要的是原因是为了增加主承力梁的韧性和断裂应变:因为碳纤维脆性高,CFRP断裂应变小,为了防止主承力梁在极限风载下的脆性断裂,加入相对体积分数10%~30%的玻璃纤维能够有效提高主承力梁的韧性和断裂应变。此外,玻璃纤维的浸渍性能优于碳纤维,玻璃纤维的加入能够提高树脂胶液浸渍厚截面主承力梁的速度。
上述技术方案的翼缘加强部增强材料(碳纤维和玻璃纤维混杂)中,所述碳纤维与玻璃纤维体积比优选为1∶9~3∶7,即碳纤维的相对体积分数为10%~30%。现有的叶片翼缘加强部是以纯GFRP取代泡沫夹芯,目的就是为了提高翼缘的刚度,防止叶片在运输、装机和运行过程中叶片翼缘遭到破坏从而影响叶片的整体气动外形和发电效率。但对于超大型叶片而言,纯GFRP翼缘的刚度可能难以满足要求,因此本发明采用碳纤维和玻璃纤维混杂的形式来提高翼缘刚度。我们的研究和实验表明,碳纤维相对体积分数为10%~30%的碳纤维和玻璃纤维混杂材料的模量比纯GFRP的模量提高30%~60%,由于翼缘并非主承力部件,模量提高30%~60%足以满足要求,同时考虑到成本问题,无需采用全碳纤维增强的形式。
上述技术方案中,所述碳纤维可以是各种形态的碳纤维,但优选采用连续纤维编织的碳纤维布;所述玻璃纤维可以是各种形态的玻璃纤维,但优选连续纤维编织的玻璃纤维布。所述碳纤维和玻璃纤维混杂优选是由碳纤维预成型体和玻璃纤维预成型体组合而成,所述碳纤维预成型体是指多层碳纤维布铺覆而成的碳纤维布铺层体,所述玻璃纤维预成型体是指多层玻璃纤维布铺覆而成的玻璃纤维布铺层体。之所以优选连续纤维编织的二维纤维布作为增强材料,是因为二维纤维布便于铺放和调整,且人工成本低,特别适合于在厚度随形状变化的大型复合材料风电叶片中进行应用。
上述技术方案中,所述碳纤维和玻璃纤维混杂为上、下夹层夹持中间芯层的三明治式夹芯混杂。在所述主承力梁和翼缘加强部中,该三明治式夹芯混杂结构因夹层和芯层材料不同而具有不同的表现形式;在所述主承力梁中,该上、下夹层均为碳纤维预成型体,中间芯层为玻璃纤维预成型体,从而形成上、下碳纤维预成型体夹层夹持中间玻璃纤维预成型体芯层的结构(参见附图6);而在所述翼缘加强部中,上、下夹层均为玻璃纤维预成型体,中间芯层为碳纤维预成型体,从而形成上、下玻璃纤维预成型体夹层夹持中间碳纤维预成型体芯层的结构(参见附图7)。所述三明治式夹芯混杂结构中,上夹层、中间芯层、下夹层的体积比优选为3∶2∶3。在主承力梁中,之所以采用碳纤维预成型体作为上、下夹层,而玻璃纤维预成型体作为芯层,其原因在于:在弯曲作用力下该夹芯结构的夹层(外层)承受主要的载荷,根据CFRP的强度和模量优于GFRP的特性可知,上述主承力梁的混杂结构和受力方式最能够充分发挥碳纤维的高性能;而且叶片在风载下的受力类似于简支梁,主要承受弯曲应力和风载的冲击力,该主承力梁的混杂方式的抗弯曲性能和抗冲击性能最优。而在翼缘加强部中,碳纤维和玻璃纤维混杂方式采用玻璃纤维预成型体作为上、下夹层,碳纤维预成型体作为芯层,其原因在于:叶片吸力面壳体和压力面壳体粘接后,在叶片翼缘处相当于两个玻璃纤维预成型体为夹层、碳纤维预成型体为芯层的夹芯结构相互粘接,粘接面为玻璃纤维层,这样粘接后的结构也近似于上述的碳纤维夹层夹持玻璃纤维芯层的夹芯式结构。
上述技术方案中,所述三明治式夹芯混杂优选通过缝合线穿刺缝合成一体;所述缝合线为碳纤维纱、芳纶纤维纱、石英纤维纱、玻璃纤维纱、高硅氧纤维纱中的一种或多种。用所述缝合线对碳纤维/玻璃纤维预成型体进行穿刺缝合,能够显著提高复合材料的层间性能,减弱其各向异性,提高其整体性能,特别是其强度和刚度能够得到大幅度提高,穿刺缝合是提高复合材料整体性能、充分发挥材料性能的有效途径。此外,对于厚截面构件而言,缝合线留下的线孔相当于厚度方向上宏观树脂胶液的渗透通道,能够大大提高制备过程中树脂胶液在厚度方向上的浸渍速度。
上述技术方案中,所述碳纤维布优选为碳纤维无纬布、碳纤维平纹布、碳纤维三轴向布、碳纤维斜纹布、碳纤维锻纹布中的一种或多种;所述玻璃纤维布优选为玻纤单轴向布、玻纤双轴向布、玻纤三轴向布、玻纤方格布、玻纤平纹布中的一种或多种。根据叶片的受力特点,叶片的受力分布并不是均匀的,在进行结构铺层设计的时候我们必须保证叶片各个点的强度都达到受力要求,而所述的多种纤维布便于对叶片整体结构进行设计和铺放,且这几种布的受力各有特点,能实现优势互补,满足叶片设计要求,方便实用。
上述技术方案中,所述蒙皮增强材料优选为玻璃纤维;所述填充材料优选Balsa木和PVC泡沫。所述剪切腹板为腹板蒙皮包覆腹板芯材的夹芯型构件,所述腹板蒙皮增强材料优选为玻璃纤维,所述腹板芯材优选为PVC泡沫。
本发明还提供一种上述大型复合材料风电叶片的制备方法,包括以下步骤:
(1)采用真空导入模塑工艺(Vacuum Infusion Molding Process)制备剪切腹板;
(2)以碳纤维和玻璃纤维混杂作为增强材料,并采用真空导入模塑工艺预制主承力梁;
(3)以碳纤维和玻璃纤维混杂作为叶片翼缘加强部的增强材料,并采用真空导入模塑工艺制备所述的吸力面壳体和压力面壳体;
(4)将上述制得的剪切腹板、吸力面壳体和压力面壳体粘接,制得大型复合材料风电叶片。
上述的真空导入模塑工艺(又称真空灌注工艺)是一种先进的复合材料低成本液体模塑成型技术,具有低成本、环保和适合于大尺寸复合材料构件整体成型等优点,其工艺原理是在单面刚性模具上以柔性真空袋膜包覆、密封增强材料预成型体,真空负压下排除模腔中的气体,利用树脂的流动、渗透实现树脂对纤维及其织物的浸渍,并固化成型得到复合材料构件。将该真空导入模塑工艺应用于本发明复合材料风电叶片组件的制备,其优势更能够充分发挥出来。
与现有技术相比,本发明的优点在于:充分利用碳纤维和玻璃纤维性能的互补,制备出碳纤维和玻璃纤维混杂的复合材料风电叶片,既有效回避了纯碳纤维复合材料风电叶片高成本的问题,又解决了玻璃纤维复合材料风电叶片临界长度局限的问题,对提高复合材料风电叶片临界长度和发展大型化复合材料风电叶片具有重要意义。作为本发明的进一步改进,本发明采用穿刺缝合法处理叶片壳体主承力梁的增强材料预成型体,增加预成型体厚度方向的渗透率,有效解决了碳纤维浸润性能较差、厚截面构件难于浸润的问题,同时结合真空导入模塑工艺一次整体成型制备碳纤维和玻璃纤维混杂主承力梁,通过真空导入模塑工艺整体成型的叶片壳体,整体性好,同时还可以减少材料的浪费和苯乙烯气体的排放,有利于降低成本和保护环境。
采用上述技术方案制备的碳纤维和玻璃纤维混杂复合材料叶片,相比于纯玻璃纤维复合材料叶片,叶片的重量能够降低20%~40%,叶片的临界长度能够提高40%~60%。在相同厚度和相同铺层状态下,相比于纯玻璃纤维复合材料叶片,碳纤维和玻璃纤维混杂增强复合材料叶片的抗风载弯曲模量能够提高100%~120%,叶尖最大变形能够降低120%~130%。
附图说明
图1为本发明实施例复合材料风电叶片的主视图;
图2为图1中A-A处的剖面放大图;
图3为本发明实施例中制备剪切腹板的工艺流程图;
图4为本发明实施例中预制主承力梁的工艺流程图;
图5为本发明实施例中成型吸力面壳体和压力面壳体的工艺流程图;
图6为本发明实施例中主承力梁增强材料的三层夹芯式结构示意图;
图7为本发明实施例中翼缘增强体增强材料的三层夹芯式结构示意图;
其中A表示碳纤维预成型体,B表示玻璃纤维预成型体。
图例说明:
1、吸力面壳体        2、压力面壳体
3、剪切腹板          31、腹板蒙皮
4、蒙皮              5、主承力梁
6、翼缘加强部        7、填充材料
具体实施方式
以下结合附图及具体的实施例对本发明的技术方案进行详细地说明。
实施例:
一种如图1和图2所示的本发明大型复合材料风电叶片,包括吸力面壳体1、压力面壳体2和固接于两壳体之间的剪切腹板3,吸力面壳体1、压力面壳体2均为蒙皮4包覆芯材的夹芯型复合材料构件,吸力面壳体1、压力面壳体2的基体均为环氧树脂体系,蒙皮4的增强材料选用玻璃纤维,芯材包括叶片的主承力梁5、位于叶片翼缘处起加强作用的翼缘加强部6和填充于主承力梁5与翼缘加强部6之间的填充材料7,填充材料7中包括Balsa木和PVC泡沫。主承力梁5和翼缘加强部6均是以碳纤维和玻璃纤维混杂作为增强材料。剪切腹板3同样为腹板蒙皮31包覆腹板芯材的夹芯型结构,腹板芯材选用PVC泡沫。
在碳纤维和玻璃纤维混杂中,其主要由碳纤维预成型体和玻璃纤维预成型体组合而成,碳纤维预成型体是多层碳纤维布铺覆而成的碳纤维布铺层体,玻璃纤维预成型体是多层玻璃纤维布铺覆而成的玻璃纤维布铺层体,其中的碳纤维布选用碳纤维无纬布,玻璃纤维布选用玻纤单轴向布。如图6和图7所示,碳纤维和玻璃纤维混杂为上、下夹层夹持中间芯层的三明治式夹芯混杂。如图6所示,在主承力梁5的碳纤维和玻璃纤维混杂中,上、下夹层均为碳纤维预成型体A,中间芯层为玻璃纤维预成型体B,上夹层、中间芯层、下夹层的纤维体积比为3∶2∶3。如图7所示,在翼缘加强部6的碳纤维和玻璃纤维混杂中,上、下夹层均为玻璃纤维预成型体B,中间芯层为碳纤维预成型体A,上夹层、中间芯层、下夹层的纤维体积比同样为3∶2∶3。该三明治式夹芯混杂结构通过缝合线芳纶纤维纱穿刺缝合成一体。
本实施例中复合材料风电叶片的制备过程具体包括以下步骤:
1、制备剪切腹板
剪切腹板3的制备工艺流程如图3所示,具体的制备方法依次包括以下几个工序:
1.1剪切腹板成型模具预处理
清理模具,修补平整,然后在剪切腹板成型模具表面喷涂脱模剂。
1.2裁剪和铺放腹板蒙皮增强材料和腹板芯材
选择面密度1200g/m2的三轴向编织玻纤布和面密度800g/m2的双轴向编织玻纤布作为腹板蒙皮31(分上蒙皮和下蒙皮)的增强材料,腹板芯材为密度60kg/m3的PVC泡沫。首先将裁剪好的腹板下蒙皮增强材料铺放在腹板成型模具上,然后在铺放好的腹板下蒙皮增强材料表面铺放裁剪好的腹板芯材,最后在铺放好的腹板芯材表面铺放腹板上蒙皮增强材料,得到剪切腹板夹芯型结构预成型体。
1.3裁剪和铺覆脱模布
所用脱模布为上海沥高科技有限公司生产的R85PA66型脱模布,面密度85g/m2。将裁剪好的脱模布铺放在步骤1.2中得到的剪切腹板夹芯型结构预成型体表面,并使之完全覆盖该预成型体。
1.4铺设辅助材料体系
在上述脱模布上表面铺设导流布、导流管和导气管等真空导入模塑工艺辅助材料,并设置好模腔中的注胶口和真空抽气口。
1.5真空袋膜密封
采用双层真空袋膜密封上述的预成型体及辅助材料体系,所用的真空袋膜为法国Aerorac公司生产的Vacfilm400Y26100型真空袋膜。首先用第一层真空袋膜在模具上密封整个预成型体和辅助材料体系,密闭注胶口并将抽气口与真空泵连接,然后抽真空并检测密封模腔的气密性(要求真空度≤-0.098Mpa且能够保持真空负压30min);第一层真空袋膜封装气密性达到要求后,用第二层的真空袋膜密封整个第一层袋膜系统,并抽真空继续检查气密性,直至气密性达到要求(要求能够持续保持真空负压)。
1.6树脂体系充模浸渍预成型体
所用树脂体系为Huntsman公司提供的叶片专用环氧树脂1564和固化剂3486体系;开启注胶口将搅拌均匀并且经过脱泡处理的树脂体系利用真空负压注入成型模腔中浸渍上述的预成型体,待树脂体系完全浸渍预成型体后关闭注胶口,并持续抽真空保持成型模腔内的真空度。
1.7固化成型及后处理
固化过程中必须保持成型模腔内的真空度直至固化完全,固化完成后进行脱模、修整和清理等后处理得到剪切腹板构件。
2、预制主承力梁
预制主承力梁5的工艺流程如图4所示,具体的制备方法依次包括以下几个工序:
2.1主承力梁成型模具预处理
清理模具,修补平整,然后在主承力梁成型模具表面喷涂脱模剂。
2.2裁剪和铺放主承力梁增强材料
如图6所示,选用碳纤维布和玻璃纤维布作为增强材料,首先将裁剪好的部分碳纤维布(12KT300碳纤维无纬布,平均面密度800g/m2)铺放在成型模具上,铺放厚度占增强材料设计厚度H的3/8,再将玻璃纤维布(面密度1250g/m2带50g毡的玻纤单轴向布)铺放在前述碳纤维布上,铺放厚度占增强材料设计厚度H的1/4,剩余3/8的厚度全部铺放前述的碳纤维布。
2.3穿刺缝合主承力梁预成型体
采用缝合线对步骤2.2中铺放完毕后的叠层进行缝合处理得到主承力梁预成型体,所用缝合线为美国杜邦公司产的芳纶纤维纱,牌号为Kevlar-29(3200旦),缝合密度为50mm×50mm,缝合线迹为锁式缝合线迹。
2.4裁剪和铺覆脱模布
将裁剪好的脱模布(上海沥高科技有限公司生产的R85PA66型脱模布,面密度为85g/m2)铺放在缝合后的主承力梁预成型体上表面,并使之完全覆盖预成型体。
2.5铺设辅助材料体系
在脱模布上表面铺设导流布、导流管和导气管等真空导入模塑工艺辅助材料,并在模腔中设置注胶口和真空抽气口。
2.6真空袋膜密封
采用双层真空袋膜密封预成型体及辅助材料体系,所用真空袋膜为法国Aerorac公司生产的Vacfilm400Y26100型真空袋膜。首先用第一层真空袋膜在模具上密封整个主承力梁预成型体和辅助材料体系,密闭注胶口并将抽气口与真空泵连接,然后抽真空并检测密封模腔的气密性(要求真空度≤-0.098Mpa并能够保持真空负压30min);第一层真空袋膜封装气密性达到要求后,用第二层的真空袋膜密封整个第一层袋膜系统,并抽真空继续检查气密性,直至气密性达到要求(要求能够持续保持真空负压)。
2.7树脂体系充模浸渍主承力梁预成型体
所用树脂体系为Huntsman公司提供的叶片专用环氧树脂1564和固化剂3486体系;开启注胶口将搅拌均匀并且经过脱泡处理的树脂体系利用真空负压注入成型模腔中浸渍主承力梁预成型体,待树脂体系完全浸渍该预成型体后关闭注胶口,并持续抽真空保持成型模腔内的真空度。
2.8固化成型及后处理
固化过程中必须保持成型模腔内的真空度直至固化完全,固化完成后进行脱模、修整、清理等后处理得到主承力梁5预制件。
3、成型吸力面壳体和压力面壳体
吸力面壳体1和压力面壳体2的整体成型工艺流程如图5所示,吸力面壳体1的具体制备方法包括以下工序(压力面壳体2参照吸力面壳体1的制备工艺):
3.1壳体成型模具预处理
清理模具,修补平整,然后喷涂脱模剂,再喷涂胶衣。
3.2裁剪和准备壳体蒙皮增强材料及芯材
根据设计要求裁剪吸力面壳体1的蒙皮4增强材料、翼缘加强部6增强材料和填充材料7,同时修整处理上述步骤中预制的主承力梁5预制件。蒙皮4增强材料选用面密度1200g/m2的玻纤三轴向编织布、面密度800g/m2的玻纤双轴向编织布和面密度1250g/m2带50g毡的玻纤单轴向编织布(壳体蒙皮4包括上蒙皮和下蒙皮);所用填充材料7包括密度150kg/m3的Balsa木和密度60kg/m3的PVC泡沫;翼缘加强部6处的增强材料为碳纤维和玻璃纤维混杂,所用碳纤维为碳纤维无纬布(12KT300碳纤维无纬布,平均面密度800g/m2),所用玻璃纤维为面密度1250g/m2带50g毡的玻纤单轴向布,碳纤维和玻璃纤维的混杂体积比为1∶3。
3.3铺放蒙皮增强材料及芯材
首先在吸力面壳体1的成型模具上铺放吸力面壳体1下蒙皮增强材料,然后在下蒙皮增强材料表面相应位置铺放主承力梁5预制件、填充材料7(步骤3.2中准备的Balsa木和PVC泡沫)和翼缘加强部6处的增强材料(步骤3.2中准备的碳纤维和玻璃纤维混杂增强材料);最后在前述铺放好的芯材之上铺放吸力面壳体1上蒙皮增强材料,得到夹芯型结构的吸力面壳体1预成型体。其中,翼缘加强部6的碳纤维和玻璃纤维混杂铺放方式如图7所示,首先将裁剪好的部分玻纤单轴向布铺放在成型模具上,铺放厚度占该处增强材料设计厚度H的3/8,再将碳纤维无纬布铺放在前述玻纤单轴向布上,铺放厚度占增强材料设计厚度H的1/4,剩余3/8的厚度全部铺放前述的玻纤单轴向布上,得到的翼缘加强预成型体需要进行穿刺缝合处理,所用缝合线为美国杜邦公司产的芳纶纤维纱,牌号为Kevlar-29(3200旦),缝合密度为50mm×50mm,缝合线迹为锁式缝合线迹。
3.4裁剪和铺覆脱模布
将裁剪好的脱模布(上海沥高科技有限公司生产的R85PA66型脱模布,面密度为85g/m2)铺放在步骤3.3得到的吸力面壳体1预成型体上表面,并使之完全覆盖该预成型体。
3.5铺设辅助材料体系
在上述脱模布上表面铺设导流布、导流管和导气管等真空导入模塑工艺辅助材料,并在模腔中设置注胶口和真空抽气口。
3.6真空袋膜密封
在吸力面壳体成型模具上采用双层真空袋膜密封吸力面壳体1预成型体及辅助材料体系,所用真空袋膜为法国Aerorac公司生产的Vacfilm400Y26100型真空袋膜。首先用第一层真空袋膜在该模具上密封整个吸力面壳体1预成型体和辅助材料体系,密闭注胶口并将抽气口与真空泵连接,然后抽真空并检测密封模腔的气密性(要求真空度≤-0.098Mpa并能够保持真空负压30min);第一层真空袋膜封装气密性达到要求后,用第二层的真空袋膜密封整个第一层袋膜系统,并抽真空继续检查气密性,直至气密性达到要求(要求能够持续保持真空负压)。
3.7树脂体系充模浸渍吸力面壳体预成型体
所用树脂体系为Huntsman公司提供的叶片专用环氧树脂1564和固化剂3486体系;开启注胶口将搅拌均匀并且经过脱泡处理的树脂体系利用真空负压注入成型模腔中浸渍吸力面壳体1预成型体,待树脂完全浸渍该预成型体后关闭注胶口,并持续抽真空保持成型模腔内的真空度。
3.8固化成型及后处理
固化过程中必须保持成型模腔内的真空度直至固化完全,固化完成后进行脱模、修整及清理等后处理得到整体成型的吸力面壳体1。
再按照以上工序成型压力面壳体2。
在上述的工艺过程中,剪切腹板3和主承力梁5预制件的制备过程可同时进行,吸力面壳体1和压力面壳体2的成型制备过程也可同时进行。
4、整体粘结
将上述步骤中制备得到的吸力面壳体1、压力面壳体2和剪切腹板3粘接,所用的粘接结构胶为Huntsman公司提供的结构胶XD4734/XD4735体系,结构胶固化完成后进行清理修整等后处理即得到本发明的碳纤维和玻璃纤维混杂复合增强材料的风电叶片。

Claims (6)

1.一种大型复合材料风电叶片,所述复合材料风电叶片包括吸力面壳体(1)、压力面壳体(2)和固接于两壳体之间的剪切腹板(3),所述吸力面壳体(1)、压力面壳体(2)均为蒙皮(4)包覆芯材的夹芯型结构件,所述芯材包括叶片主承力梁(5)、叶片的翼缘加强部(6)和位于主承力梁(5)与翼缘加强部(6)之间的填充材料(7),其特征在于:所述主承力梁(5)和翼缘加强部(6)均是以碳纤维和玻璃纤维混杂作为增强材料;
所述主承力梁(5)的碳纤维和玻璃纤维混杂中,碳纤维与玻璃纤维的体积比为7∶3~9∶1;所述翼缘加强部(6)的碳纤维和玻璃纤维混杂中,碳纤维与玻璃纤维的体积比为1∶9~3∶7;
所述碳纤维和玻璃纤维混杂是由碳纤维预成型体和玻璃纤维预成型体组合而成,所述碳纤维预成型体是指多层碳纤维布铺覆而成的碳纤维布铺层体,所述玻璃纤维预成型体是指多层玻璃纤维布铺覆而成的玻璃纤维布铺层体;所述碳纤维和玻璃纤维混杂为上、下夹层夹持中间芯层的三明治式夹芯混杂;在所述主承力梁(5)中,该上、下夹层均为所述碳纤维预成型体,中间芯层为所述玻璃纤维预成型体;在所述翼缘加强部(6)中,上、下夹层均为所述玻璃纤维预成型体,中间芯层为所述碳纤维预成型体。
2.根据权利要求1所述的大型复合材料风电叶片,其特征在于:所述三明治式夹芯混杂结构中,上夹层、中间芯层、下夹层的体积比为3∶2∶3。
3.根据权利要求1或2所述的大型复合材料风电叶片,其特征在于:所述三明治式夹芯混杂通过缝合线穿刺缝合成一体;所述缝合线为碳纤维纱、芳纶纤维纱、石英纤维纱、玻璃纤维纱、高硅氧纤维纱中的一种或多种。
4.根据权利要求1或2所述的大型复合材料风电叶片,其特征在于:所述碳纤维布为碳纤维无纬布、碳纤维平纹布、碳纤维三轴向布、碳纤维斜纹布、碳纤维锻纹布中的一种或多种;所述玻璃纤维布为玻纤单轴向布、玻纤双轴向布、玻纤三轴向布、玻纤方格布、玻纤平纹布中的一种或多种。
5.根据权利要求1或2所述的大型复合材料风电叶片,其特征在于:所述剪切腹板(3)为腹板蒙皮(31)包覆腹板芯材的夹芯型构件;所述腹板蒙皮(31)和蒙皮(4)的增强材料均为玻璃纤维;所述腹板芯材为PVC泡沫;所述填充材料(7)为Balsa木和PVC泡沫。
6.一种如权利要求1~5中任一项所述的大型复合材料风电叶片的制备方法,包括以下步骤:
(1)采用真空导入模塑工艺制备剪切腹板;
(2)以碳纤维和玻璃纤维混杂作为增强材料,并采用真空导入模塑工艺预制主承力梁;
(3)以碳纤维和玻璃纤维混杂作为叶片翼缘加强部的增强材料,并采用真空导入模塑工艺制备所述的吸力面壳体和压力面壳体;
(4)将上述制得的剪切腹板、吸力面壳体和压力面壳体粘结,制得风电叶片。
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