用于涡轮机叶片应用的微波吸收复合材料制造技术

本发明专利技术提供了复合层压材料(11)，其包括：外部、中间部和内部(15,17,19)，它们分别包括复合材料第一层(21)和具有印刷电路的一个或多个功能层(31)，用于吸收入射到复合层压材料(11)上的电磁辐射；复合材料第二层(23)；与中间部(17)相连续的导电层(41)和复合材料第三层(25)。功能层(31)的电阻率值与中间部(17)的厚度被包括在预定范围内，用于在S频段或X频段将复合层压材料(11)的电磁辐射的反射衰减至高达‑20dB的最大值。本发明专利技术还涉及复合层压材料(11)的制造方法以及包括该复合层压材料(11)的风力涡轮机叶片。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
技术介绍
随着风力发电场的日益普及，风力发电厂的位置与雷达系统的电磁辐射之间的冲突也日益增加。美国能源部的目标是到2030年为止利用可再生能源发电比例占国家电力的30％。这将需要安装成千上万台风力涡轮机，从而开发全部的丰富区域。然而，大约20GW的潜在风能是无法获得的，这是因为其在导航雷达范围内。风力涡轮机是大电磁辐射反射器并且影响雷达运行。风力涡轮机的组件造成的雷达反射引起几个问题，诸如“用于监控航空交通的雷达系统不能容易地区分运动的涡轮机叶片和飞行器”。尽管塔架和其它组件是固定的，但是它们仍然会引起问题。它们的存在可以与飞行器区分开，但是它们会产生阴影区域，在该阴影区域内很难识别出飞行器的存在。下表解释了不同雷达系统使用的波长。这些频段中S频段和X频段对风力涡轮机雷达截面积(radar cross section,RCS)是最重要的。需要减小S频段和X频段风力涡轮机的RCS，以利于该区
域中的风能。减小涡轮机叶片的RCS是最重要的任务，这是因为叶片通常包含高反射铜棒，并且具有重量和形状限制。因此，将努力集中在修改风力涡轮机叶片上，从而使它们对雷达系统不可见。不可见的可接受的标准是将雷达反射/传播衰减至高达-20dB。此外，需要可应用于大规模风力涡轮机的稳健设计将风力涡轮机安装到雷达区域中。因此，风力涡轮机叶片的设计和复合结构应该对制造过程中的变化和不可避免的错误有低敏感度。已知现有技术利用反雷达覆层或利用如WO2010/122350中描述的Frequency Selective Surfaces来使风力涡轮机叶片对雷达不可见。然而，现有技术还没有具体地集中于在S频段或X频段上衰减辐射，在这些频段上对风力涡轮机影响最多。
技术实现思路
一方面，本专利技术提供了复合层压材料(laminate)，其包括：外部、中间部和内部，它们分别包括复合材料第一层和具有印刷电路的一个或多个功能层，用于吸收入射到复合层压材料上的电磁辐射；复合材料第二层；与中间部相连续(contiguous)的导电层和复合材料第三层。功能层的电阻率值与中间部的厚度被包括在预定范围内，用于在S频段或X频段将复合层压材料的电磁辐射的反射衰减至高达-20dB的最大值。在一个实施例中，所述复合材料层的树脂是聚合物或环氧材料，功能层的电阻率(术语电阻率(resistivity)用于指在本说明书中施加到功能层上时的该层的薄层电阻(sheet resistance))在40-60Ω/sq之间，并且中间部的厚度在9-11mm之间，最佳的在10-11mm。在一个实施例中，中间部包括并入其中的陶瓷颗粒(29)(ceramic particle)，优选地，尺寸在20-500nm范围内的二氧化硅颗粒(silica particle)。在另一方面，本专利技术提供利用预浸料(pre-peg)技术或注入(infusion)技术制造所述层压材料的方法。在另一方面，本专利技术提供风力涡轮机叶片，该叶片具有的至少一个组件，特别是壳体，包括以上提到的层压材料。通过结合以下绘示了其目标的实施例的详细描述及相关附图，本专利技术的其
它特征和优点将更明显。附图说明图1、图2和图3是根据本专利技术的具有增强吸波性能的复合层压材料的实施例的示意剖面图。图4示出了具有增强吸波性能的复合层压材料的两个样本的图像。图5示出了用于具有增强吸波性能的复合层压材料的两个样本#1和#2的吸波性能(dB)和频率(GHz)的关系图表。图6示出了用于具有增强吸波性能的复合层压材料的两个样本#3和#4的吸波性能(dB)和频率(GHz)的关系图表。具体实施方式本专利技术主要涉及层压材料，其被用于，例如风力涡轮机叶片的组件的整个层压材料层(不管其是单片层压材料还是夹层层压材料)的外部部分。参考图1，层压材料11的实施例的基本结构开发用于在S频段和X频段吸收微波辐射，其包括：由复合层21与一个或多个功能层31形成的外部部分15、由复合层23形成的中间部分17、以及由复合层25和至少一个导电层41形成的内部部分19。复合层21、23、25由树脂材料和纤维制成，其具有高机械属性，形成彼此相接的硬片层，固化(curing)之后提供所需的机械强度(硬度、抗张强度等)。复合层21、23、25可以包括玻璃纤维或碳纤维布以及环氧树脂或聚合树脂。它们还可以包括其它纤维，诸如芳纶纤维、玄武岩纤维或硼纤维，以及聚合树脂，诸如聚酯或乙烯基酯树脂。功能层31由玻璃纤维和导电墨水(碳基)组成，并且位于复合层21，23之间。-导电层41-薄层、网或箔片，由例如，铝、铜或碳制成，位于复合层23，25之间。层压材料11的其他特征a)为了在宽频谱上获得衰减，导电图案的功能分级在图2中示出。在层压材料的不止一个位置采用具有不同功能(即不同图案或不同电阻率值)的两个
功能层31。这样的组合产生不止一个导致宽频带衰减的电容值。b)宽频带衰减对于将本专利技术的层压材料实践应用于风力涡轮机叶片是非常重要的。叶片的尺寸可能大于80m(长度)。从以上制造的角度看，所述层将被结合在一起，用于形成大叶片的组件(例如壳体)。在这个过程中，功能层31在间隔、距离、电阻率、平坦度和平滑度方面的变化会影响衰减结果。图2中示出的设计忽略了(forgiving to)生产过程中的误差和变化。c)图3示出了将纳米陶瓷颗粒(具有合适的介电常数(permittivity)值)并入层压材料11中，该纳米陶瓷颗粒对层压材料的属性有两个主要影响。首先，其增大介电常数值，其减小功能层31与导电层41之间距离，从而增大生产过程中灵活性，尤其对于复杂的形状，诸如前缘曲线，其中的间隔距离更加难以控制，因为受限于高度弯曲的复合层压材料的制造工艺。其次，增加特定陶瓷颗粒，诸如二氧化硅纳米颗粒，提高了层压材料11的抗压韧性/强度，并且也可能减小碳纤维层的数量，从而节省成本并减轻重量。陶瓷颗粒可以在层压材料11中任何位置。典型的，尺寸范围为20-500nm的SiO2纳米颗粒可以用作填充物。此外，陶瓷填充物的数量可以在重量比0至20％之间变化。层压材料11的制造方法在一实施例中，制造方法包括以下步骤：a)以图1中所示的方式设置布置复合层21、23、25，功能层31和导电层41，其中复合层21、23、25为预浸料(pre-peg)层。确保这些层完全是平的，没有褶皱和空隙。功能层31准备由半自动丝印机利用具有合适电阻率的墨水在纤维玻璃布上打印导电图案。打印的图案的特点为4-点电阻率测量。b)将层21、31、23、41、25形成的装置密封在真空袋中，在压缩机的帮助下维持0.9ATM的真空度。c)将该整个装置放置在烤炉中，将温度设定在90℃，并且烘烤过程中具有从室温(25℃)开始的最大温度斜率。d)加热两个小时之后，关闭真空泵，并且将烤炉温度设定为25℃。e)将层压材料从烤炉中取出，空气将其冷却至室温。也可以利用注入技术制造层压材料11，将第一、第二和第三层21、23和25设置为干层，注入树脂并且使外部、中间部和内部部分15、17和19整体经受压力和温度周期，从而加固(consolidate)该复合层压材料11。层压材料吸波已经示出利用层压材料的样本(参考图4)进行的实验性测试，在S频段和X频段本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种复合层压材料(11)，包括：‑外部部分(15)，包括复合材料第一层(21)和具有印刷电路的一个或多个功能层(31)，用于吸收入射到所述复合层压材料(11)上的电磁辐射；‑中间部分(17)，包括复合材料第二层(23)；‑内部部分(19)，包括与所述中间部分(17)相连续的导电层(41)和复合材料第三层(25)；其中，所述功能层(31)的电阻率值与所述中间部分(17)的厚度被包括在预定范围内，用于在S频段或X频段将所述复合层压材料(11)的电磁辐射的反射衰减至高达‑20dB的峰值。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.10.24 US 61/895,0851.一种复合层压材料(11)，包括：-外部部分(15)，包括复合材料第一层(21)和具有印刷电路的一个或多个功能层(31)，用于吸收入射到所述复合层压材料(11)上的电磁辐射；-中间部分(17)，包括复合材料第二层(23)；-内部部分(19)，包括与所述中间部分(17)相连续的导电层(41)和复合材料第三层(25)；其中，所述功能层(31)的电阻率值与所述中间部分(17)的厚度被包括在预定范围内，用于在S频段或X频段将所述复合层压材料(11)的电磁辐射的反射衰减至高达-20dB的峰值。2.根据权利要求1所述的复合层压材料(11)，其中：-所述第一层、第二层以及第三层(21,23,25)的复合材料的树脂是聚合物或环氧材料；-所述功能层(31)的电阻率在40-60Ω/sq之间，并且所述中间部分(17)的厚度在9-11mm之间。3.根据权利要求2所述的复合层压材料(11)，其中，所述中间部分(17)的厚度在10-11mm之间。4.根据权利要求3所述的复合层压材料(11)，其中：所述第一层、第二层以及第三层(21,23,25)的复合材料的纤维是玻璃纤维或碳纤维。5.根据权利要求2所述的复合层压材料(11)，其中，所述中间部分(17)包括并入其中的陶瓷颗粒(29)。6.根据权利要求5所述的复合层压材料(11)，其中，所述陶瓷颗粒(29)是尺寸在20-500nm范围内的二氧化硅颗粒。7.一种制造复合层压材料(11)的方法，所述复合层压材料(11)包括：-外部部分(15)，包括复合材料第一层(21)和具有印刷电路的一个或多个功能层(31)，用于吸收入射到所述复合层压材料(11)上的电磁辐射；-中间部分(17)，包括多个复合材料第二层(23)；-内部部分(19)，包括与所述中间部分(17)相连续的导电层(41)和一个或多个复合材料第三层(25)；其中，所述功能层(31)的电阻率值与所述中间部分(17)的厚度被包括在预定范围内，用于在S频段或X频段将复合层压材料(11)的电磁辐射的反射衰减至高达-20dB的峰值；所述方法包括步骤：-提供所述第一层、第二层和第三层(21,23,25)作为预浸料层；-使所述外部部分、中间部分和内部部分(15,17,19)整体经受周期的压力和温度，从而加固所述复合层压材料(11)。8.一种制造复合层压材料...

【专利技术属性】
技术研发人员：布什格尔·迪利普·坎和瑞，何伟财，武兴华，蔡英记，斯里坎斯·娜拉西玛鲁，谢国祥，陈忠，何塞·路易斯·冈萨雷斯·摩瑞尔，罗萨里奥·马第尼斯·奥蒂戈萨，
申请(专利权)人：南洋理工大学，歌美飒创新技术公司，
类型：发明
国别省市：新加坡;SG