大型风电叶片用主承力梁、混杂翼梁复合材料风电叶片及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种大型风电叶片用主承力梁，所述主承力梁为碳纤维/玻璃纤维混杂复合材料圆杆型材的组合体，所述组合体由若干碳纤维/玻璃纤维混杂复合材料圆杆型材通过玻璃纤维毡或纱聚束定型而成。本发明专利技术的大型风电叶片用主承力梁，采用碳纤维/玻璃纤维混杂复合材料圆杆型材聚束形成组合体，充分利用碳纤维和玻璃纤维性能的互补，不仅能充分发挥碳纤维高弹轻质的优点，大大提高主承力梁的刚度和强度，增加主承力梁的临界长度，而且价格比采用纯碳纤维作为增强材料要大大降低，更有利于碳纤维在主承力梁及风电叶片领域的推广和应用。本发明专利技术还相应提供了一种混杂翼梁复合材料风电叶片及其制备方法。

【技术实现步骤摘要】
大型风电叶片用主承力梁、混杂翼梁复合材料风电叶片及其制备方法
本专利技术属于风电叶片制备领域，尤其涉及一种大型风电叶片用主承力梁、混杂翼梁复合材料风电叶片及其制备方法。
技术介绍
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，以至玻璃纤维复合材料难以承受。基于叶片大型化发展的要求，轻质高强、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，碳纤维及其复合材料是优选材料。碳纤维的刚度比玻璃纤维大，碳纤维的加入能够获得较高的刚度和较轻的重量。然而，由于碳纤维的价格要远比玻璃纤维昂贵，该缺点限制了碳纤维在大型复合材料风电叶片上的广泛使用。为了降低成本，好钢用在刀刃上，将碳纤维用在叶片主承力翼梁、叶尖或翼缘加强部，相关的专利例如：WO00/14405号PCT申请国际公布文本中公开了一种风力涡轮机叶片的雷电保护装置，其中避雷器是由一条或多条扁长的碳素纤维增强塑料带制成，这些纤维带可构成风力涡轮机叶片的一部分；CN1697924A号中国专利文献公开了一种具有碳纤维尖部的风力涡轮机叶片，其叶片被分成内端部分和外端部分，内端部分包括叶片根部且基本上由玻璃纤维加强聚合物制成，外端部分包括叶片尖部且基本由碳纤维加强聚合物制成；CN101021202A号中国专利文献公开了一种碳纤维增强的风力涡轮机转子叶片，该叶片的纤维增强基体包括被包埋在同一基体材料中的玻璃纤维和碳纤维。除了碳纤维自身价格昂贵之外，碳纤维用于大型风电叶片还存在一个技术难题——制备。目前制备叶片气动外壳、主承力翼梁和剪切腹板的主流方法为真空导入模塑工艺，优点是采用真空导入模塑工艺制备叶片构件时，纤维及其纤维织物等增强材料、泡沫和轻木等夹芯材料按照铺层设计铺放在成型模具中，密封抽真空、注入树脂浸润增强材料，可实现整体成型，制品质量稳定。但如果采用真空导入模塑工艺制备大厚度的碳纤维或碳纤维/玻璃纤维混杂复合材料构件，比如翼梁，由于碳纤维的直径小和表面低能，树脂基体难以完全充分浸润碳纤维，制品内部极易形成缺陷，导致制备失败。而如果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。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是，克服以上
技术介绍
中提到的不足和缺陷，提供一种集碳纤维和玻璃纤维性能于一身的风电叶片用主承力梁，质量轻巧、临界长度延长、力学性能优异的大型混杂翼梁复合材料风电叶片，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，以解决现有技术中风电叶片内部的碳纤维浸渍不完全或者直接浸渍失败的问题。为解决上述技术问题，本专利技术提出的技术方案为提供一种大型风电叶片用主承力梁，所述主承力梁为碳纤维/玻璃纤维混杂复合材料圆杆型材的组合体，所述组合体由若干碳纤维/玻璃纤维混杂复合材料圆杆型材通过玻璃纤维毡或纱聚束定型而成。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，解决大厚度碳纤维或碳纤维/玻璃纤维混杂复合材料制备难的技术难题，本专利技术采用了一种新型的增强材料体系，即将所述碳纤维/玻璃纤维混杂复合材料圆杆型材用于风电叶片的主承力大梁，由于碳纤维增强复合材料（CFRP，CarbonFiberReinforcedPolymer）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/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；同时，碳纤维/玻璃纤维混杂复合材料圆杆型材采用拉挤成型工艺自动化、连续化生产，可以有效解决制备技术难题和降低制备成本。本专利技术的主承力梁为碳纤维/玻璃纤维混杂复合材料圆杆型材的组合体，是由拉挤成型的碳纤维/玻璃纤维混杂复合材料圆杆型材聚束组合而成，圆杆型材直径可根据翼梁尺寸和铺层设计任意调整，聚束组合直接在壳体成型模具上、壳体铺层时随型铺设，并用玻璃纤维毡或纱聚束定型，使之符合壳体铺层结构设计要求，铺设完成后随壳体一起采用真空导入模塑工艺整体成型，形成一个完整的气动壳体，既解决了碳纤维/玻璃纤维混杂复合材料翼梁制备难的技术难题，又保证了气动壳体的整体成型。而且，碳纤维与玻璃纤维体积比（即混杂比）可根据性能、成本需要任意调整。可任意调整混杂比，则意味着可实现是性能的最优化设计、可根据叶片型号随意调整翼梁的混杂比、可以通过调整混杂比控制碳纤维的材料成本。上述的主承力梁，优选的，所述碳纤维/玻璃纤维混杂复合材料圆杆型材为壳核结构，所述壳核结构的内核材料包括碳纤维，外壳材料包括玻璃纤维；所述内核材料的横截面面积为圆杆型材横截面面积的30%~95%。所述碳纤维/玻璃纤维混杂复合材料圆杆型材从横截面上看是圆芯圆环结构，碳纤维集中分布在圆杆内部形成圆芯，玻璃纤维则集中分布在圆杆外部形成外圆环，圆芯和外圆环直径、尺寸和比例可根据需要任意调整，优势是拉挤圆杆型材的随型性好，方便铺设和定型。内核材料为碳纤维集中分布的目的是充分发挥碳纤维的强度和刚度性能，而外壳材料集中分布玻璃纤维的目的是充分发挥玻璃纤维耐腐蚀和韧性好的优势，既可以发挥玻璃纤维的力学性能优势，又可以充分利用玻璃纤维的其他性能优势。而且，外层的玻璃纤维与壳体的玻璃纤维蒙皮层可以实现自然过渡，粘接性和整体性能优异。优选的，所述碳纤维为无捻碳纤维连续纱，所述玻璃纤维为无捻玻璃纤维连续纱；所述碳纤维/玻璃纤维混杂复合材料圆杆型材采用拉挤成型工艺制备而得。基于一个总的技术构思，本专利技术还提供一种由上述主承力梁构成的混杂翼梁复合材料风电叶片，所述混杂翼梁复合材料风电叶片包括吸力面壳体、压力面壳体和两壳体之间的剪切腹板，所述吸力面壳体、压力面壳体和剪切腹板均为以环氧树脂作为基体并由蒙皮包覆芯材形成的夹芯型结构件，所述吸力面壳体和压力面壳体的芯材包括主承力梁、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。上述的风电叶片，优选的，所述吸力面壳体和压力面壳体的蒙皮为壳体蒙皮，所述剪切腹板的蒙皮为腹板蒙皮，所述壳体蒙皮和腹板蒙皮均以玻璃纤维为增强材料；所述填充材料包括巴沙木和PVC泡沫，所述剪切腹板的芯材为PVC泡沫，所述翼缘加强部的增强材料为玻璃纤维纱缝合的单轴向玻璃纤维织物。本专利中，翼缘加强部不使用碳纤维，仅只用玻璃纤维，目的是进一步降低成本和解决碳纤维浸润困难的问题；填充材料同时包括巴沙木和PVC泡沫，配比是根据叶片受力特点确定的，基本原则是高强度要求部位用密度和强度稍好的巴沙木，低强度要求部位则用PVC泡沫；优选的，所述腹板蒙皮的增强材料包括面密度900-1500g/m2的三轴向编织玻纤布和面密度600-1000g/m2的双轴向编织玻纤布（将三轴本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种大型风电叶片用主承力梁，其特征在于，所述主承力梁为碳纤维/玻璃纤维混杂复合材料圆杆型材的组合体，所述组合体由若干碳纤维/玻璃纤维混杂复合材料圆杆型材通过玻璃纤维毡或纱聚束定型而成。

【技术特征摘要】
1.一种大型风电叶片用主承力梁，其特征在于，所述主承力梁为碳纤维/玻璃纤维混杂复合材料圆杆型材的组合体，所述组合体由若干碳纤维/玻璃纤维混杂复合材料圆杆型材通过玻璃纤维毡或纱聚束定型而成。2.根据权利要求1所述的主承力梁，其特征在于，所述碳纤维/玻璃纤维混杂复合材料圆杆型材为壳核结构，所述壳核结构的内核材料包括碳纤维，外壳材料包括玻璃纤维；所述内核材料的横截面面积为圆杆型材横截面面积的30%~95%。3.根据权利要求1或2所述的主承力梁，其特征在于，所述碳纤维为无捻碳纤维连续纱，所述玻璃纤维为无捻玻璃纤维连续纱；所述碳纤维/玻璃纤维混杂复合材料圆杆型材采用拉挤成型工艺制备而得。4.一种由权利要求1-3中任一项所述主承力梁构成的混杂翼梁复合材料风电叶片，其特征在于，所述混杂翼梁复合材料风电叶片包括吸力面壳体（1）、压力面壳体（2）和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）和剪切腹板（3）均为以环氧树脂作为基体并由蒙皮包覆芯材形成的夹芯型结构件，所述吸力面壳体（1）和压力面壳体（2）的芯材包括主承力梁（5）、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）。5.根据权利要求4所述的风电叶片，其特征在于，所述吸力面壳体（1）和压力面壳体（2）的蒙皮为壳体蒙皮（4），所述剪切腹板（3）的蒙皮为腹板蒙皮（31），所述壳体蒙皮（4）和腹板蒙皮（31）均以玻璃纤维为增强材料；所述填充材料（7）包括巴沙木和PVC泡沫，所述剪切腹板（3）的芯材为PVC泡沫，所述翼缘加强部（6）的增强材料为玻璃纤维纱缝合的单轴向玻璃纤维织物。6.根据权利要求5所述的风电叶片，其特征在于，所述腹板蒙皮（31）的增强材料包括面密度900-1500g/m2的三轴向编织玻纤布和面密度600-1000g/m2的双轴向编织玻纤布；所述壳体蒙皮（4）的增强材料包括面密度900-1500g/m2的玻纤三轴向编织布、面密度600-1000g/m2的玻纤双轴向编织布和面密度1100-1600g/m2带50g毡的玻纤单轴向编织布；所述巴沙木的密度为140-160kg/m3，所述PVC泡沫的密度为50-70kg/m3；所述翼缘加强部（6）所用的玻璃纤维为面密度1100-1600g/m2带50g毡的玻纤单轴向布。7.一种如权利要求4-6中任一项所述混杂翼梁复合材料风电叶片的制备方法，包括如下步骤：（1）采用真空导入模塑工艺制备剪切腹板；（2）以碳纤维/玻璃纤维混杂作为增强材料，采用拉挤成型工艺制备主承力梁用碳纤维/玻璃纤维混杂复合材料圆杆型材，并用玻璃纤维毡或纱聚束定型得到碳纤维/玻璃纤维混杂复合材料圆杆型材的组合体；（3）将壳体蒙皮的增强材料、由所述步骤（2）后得到的主承力梁用碳纤维/玻璃纤维混杂复合材料圆杆型材、填充材料和翼缘加强部的增强材料一起在壳体成型模具上铺层，所述碳纤维/玻璃纤维混杂复合材料圆杆型材用玻璃纤维毡或纱聚束定型得到碳纤维/玻璃纤维混杂复合材料圆杆型材的组合体，铺设完...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨金水，曾竟成，彭超义，尹昌平，肖加余，刑素丽，杨孚标，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43