風(fēng)力機(jī)葉片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造與驗(yàn)證技術(shù)概述

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1、China Aerodynamics Research Development Center 1 風(fēng)力機(jī)葉片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造與 驗(yàn)證技術(shù)概述 第八部分 China Aerodynamics Research Development Center 2 目 錄 一、前言 二、風(fēng)力機(jī)葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概述 三、風(fēng)力機(jī)葉片結(jié)構(gòu)材料 四、風(fēng)力機(jī)葉片成型工藝概述 五、風(fēng)力機(jī)葉片結(jié)構(gòu)的性能驗(yàn)證概述 六、結(jié)束語(yǔ) China Aerodynamics Research Development Center 3 一、前 言 “ 一流企業(yè)出標(biāo)準(zhǔn) ， 二流企業(yè)搞設(shè)計(jì) ， 三流企 業(yè)搞生產(chǎn) ” 這個(gè)觀點(diǎn)已是眾所周知 ， 然而

2、我們知道 我們的風(fēng)電標(biāo)準(zhǔn)是以借鑒國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)為主 ， 缺少研究 支撐 ， 未形成真正自主的標(biāo)準(zhǔn)； 50多家葉片企業(yè)技 術(shù)基本都是引進(jìn)的 ， 現(xiàn)在在探索性做些自主設(shè)計(jì)的 ， 所采用的軟件也主要是國(guó)外的；我國(guó)的風(fēng)電葉片制 造企業(yè)基本是 “ 加工廠 ” 級(jí)的 。 China Aerodynamics Research Development Center 4 所以 ， 盡管我國(guó)的風(fēng)電裝機(jī)容量增速很快 ， 風(fēng) 電設(shè)備產(chǎn)能很高 ， 但我們?nèi)f萬(wàn)不能盲目樂觀 ， 我們 要做強(qiáng) 、 做大 、 做長(zhǎng)我們的風(fēng)電產(chǎn)業(yè) ， 真正使綠色 的風(fēng)能很好地造福人民 、 改善我國(guó)的能源結(jié)構(gòu) 、 解 決環(huán)境污染問題等我們風(fēng)電屆的同仁

3、們需倍加努力 ， 認(rèn)真研究自主設(shè)計(jì)技術(shù)開發(fā)的規(guī)律 ， 處理好基礎(chǔ)研 究 、 應(yīng)用研究 、 技術(shù)開發(fā) 、 生產(chǎn)應(yīng)用等各環(huán)節(jié)的關(guān) 系 ， 力爭(zhēng)在較短的時(shí)間內(nèi)建立起我國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展 所急需的自主的技術(shù)支撐體系 。 一、前 言 China Aerodynamics Research Development Center 5 這里著力談一下風(fēng)力機(jī)葉片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造與 驗(yàn)證技術(shù)。 風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的自主設(shè)計(jì)、制造包括葉片結(jié)構(gòu)的 自主設(shè)計(jì)和制造。那么葉片結(jié)構(gòu)的自主設(shè)計(jì)、制造與 驗(yàn)證需要哪些技術(shù)呢？支撐葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù) 包括哪些？葉片結(jié)構(gòu)性能的驗(yàn)證平臺(tái)有何價(jià)值？葉片 實(shí)際運(yùn)行過程中載荷譜的采集有無必要？我

4、們?cè)谌~片 結(jié)構(gòu)自主設(shè)計(jì)方面已具備哪些能力？未來我們還需做 哪些工作？ 以下分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)材料、成型工藝、性能驗(yàn) 證等四個(gè)方面逐一進(jìn)行介紹。 一、前 言 China Aerodynamics Research Development Center 6 2.1 葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)果的表述方法 2.2 確定葉片結(jié)構(gòu)方案的根本原則 2.3 葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的條件 2.4 葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的步驟 二、風(fēng)力機(jī)葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概述 China Aerodynamics Research Development Center 7 2.1、葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)果的表述方法 一般我們可以把葉片設(shè)計(jì)分為氣動(dòng)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、 工藝設(shè)計(jì)和

5、防雷電設(shè)計(jì)等。 從葉片制造商的角度看，葉片氣動(dòng)設(shè)計(jì)的最終結(jié)果就 是給出葉片的外形數(shù)據(jù)，具體通常是給出沿葉片展向若干 剖面的翼形數(shù)據(jù)、扭轉(zhuǎn)角、扭心坐標(biāo)等。依此，葉片制造 商即基本具備了開葉片上下蒙皮模具的條件。 從葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員的角度看，葉片氣動(dòng)設(shè)計(jì)除須給 出足以準(zhǔn)確描述葉片外形的足夠的葉剖面的翼形數(shù)據(jù)、扭 轉(zhuǎn)角、扭心坐標(biāo)之外，還應(yīng)給出氣動(dòng)載荷數(shù)據(jù)。 China Aerodynamics Research Development Center 8 2.1、葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)果的表述方法 從風(fēng)力機(jī)總體設(shè)計(jì)的角度看，葉片的氣動(dòng)設(shè)計(jì)須給 出風(fēng)力機(jī)的整體性能預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，包括風(fēng)能利用系數(shù)，扭矩 系數(shù)，風(fēng)輪軸向

6、推力系數(shù)，葉尖速比，風(fēng)能利用系數(shù)與尖 速比的關(guān)系曲線，不同風(fēng)速風(fēng)輪扭矩與風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲 線，輸出功率與風(fēng)速的關(guān)系曲線，年輸出能量與年平均風(fēng) 速的關(guān)系曲線，變槳控制要求等等。 可見葉片的氣動(dòng)設(shè)計(jì)結(jié)果對(duì)不同的人來講其關(guān)心的 內(nèi)容是有差異的。 China Aerodynamics Research Development Center 9 2.1、葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)果的表述方法 那么葉片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)果如何表述呢？ 葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的結(jié)果基本可通過葉片剖面結(jié)構(gòu)圖、槳 根連接方案圖、各部分的布層鋪設(shè)方案等表述清楚。 在拿到以上結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、圖紙后葉片制造商就可以 制造葉片了。 當(dāng)然隱含在以上數(shù)據(jù)中的設(shè)計(jì)結(jié)果還

7、包括：葉片動(dòng)力 學(xué)特性，包括自振頻率、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、質(zhì)量分布、總重、剛 度特性等，這是總體設(shè)計(jì)人員關(guān)心的數(shù)據(jù)。 China Aerodynamics Research Development Center 10 2.2 確定葉片結(jié)構(gòu)方案的根本原則 八個(gè)字 “ 安全可靠，經(jīng)濟(jì)合理 ” 。 China Aerodynamics Research Development Center 11 2.3 葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的條件 氣動(dòng)外形數(shù)據(jù)，氣動(dòng)載荷數(shù)據(jù)，材料性能數(shù)據(jù) China Aerodynamics Research Development Center 12 2.4 葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的步驟 葉片結(jié)構(gòu)布置方案的

8、選擇與確定（無梁結(jié)構(gòu)、 C形梁 -蒙 皮結(jié)構(gòu)、 D形梁 -蒙皮結(jié)構(gòu)、 O形梁 -蒙皮結(jié)構(gòu)、工字形梁 -蒙 皮結(jié)構(gòu) ） 工藝與材料選擇（必要時(shí)需進(jìn)行材料性能實(shí)測(cè)） 荷載計(jì)算（慣性力和重力是應(yīng)考慮的載荷；氣動(dòng)載荷、 運(yùn)動(dòng)載荷復(fù)核，其它載荷如冰雪載荷的分析） 基于靜動(dòng)強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性、可靠性的要 求進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算 繪制結(jié)構(gòu)剖面圖、槳根連接方案圖，列出各部分的布層 鋪設(shè)表 China Aerodynamics Research Development Center 13 3.1 歷史沿革與未來趨勢(shì) 3.2 復(fù)合材料的定義、特點(diǎn)、命名及分類 3.3 復(fù)合材料原材料 3.4 復(fù)合材

9、料成型工藝概述 3.5 復(fù)合材料的歷史沿革 3.6 復(fù)合材料的工程應(yīng)用與發(fā)展趨勢(shì) 3.7 復(fù)合材料葉片的材料選擇 三、風(fēng)力機(jī)葉片結(jié)構(gòu)材料 China Aerodynamics Research Development Center 14 風(fēng)力機(jī)的發(fā)展已有一個(gè)多世紀(jì)的歷史 1890年在丹 麥建成了世界上第一個(gè)現(xiàn)代型的風(fēng)力發(fā)電裝置 ）， 在這一個(gè)多世紀(jì)里，材料工業(yè)也有了極大的發(fā)展，水 平軸風(fēng)力機(jī)的葉片用材料根據(jù)風(fēng)力機(jī)自身的發(fā)展要求 實(shí)際上也在不斷發(fā)展著。 木、布、金屬（鋼、鋁等） GFRP、 GFRP/CFRP、 木增強(qiáng)復(fù)合材料、智能復(fù)合材料 3.1 歷史沿革與未來趨勢(shì) China Aerodyn

10、amics Research Development Center 15 木制葉片及布蒙皮葉片 近代的微 、 小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)有采用木制葉片 的 ， 但木制葉片不易做成扭曲型 。 大 、 中型 風(fēng)力發(fā)電機(jī)很少用木制葉片 ， 采用木制葉片 的也是用強(qiáng)度很好的整體木方做葉片縱梁來 承擔(dān)葉片在工作時(shí)所必須承擔(dān)的主要載荷 。 與硬鋁等金屬材料相比 ,樺木 、 山毛櫸等 木材不僅具有重量輕 、 強(qiáng)度高等特點(diǎn) ,還可 以有效地降低雷達(dá)波的反射 ,因此 ,小型無人 機(jī)螺旋槳也多采用木質(zhì)材料 。 對(duì)木質(zhì)材料的 基本要求是 :木質(zhì)均勻 、 強(qiáng)度好和變形小 。 松木 、 櫸木 、 樺木和精制層板常作為螺旋槳 材料

11、。 3.1 歷史沿革與未來趨勢(shì) China Aerodynamics Research Development Center 16 金屬葉片 今天我們?nèi)钥煽吹浇饘僦浦鄙龣C(jī)螺旋槳、氣墊船螺旋槳、風(fēng)扇 葉片、船用螺旋槳，因此不難理解也有用金屬做的風(fēng)力機(jī)葉片。 實(shí)際上由于合金鋼其價(jià)格低廉，易加工成細(xì)長(zhǎng)的形狀，因此 常采用鋼管或 D型型鋼做葉片縱梁，鋼板做肋梁，合金鋼也因此一 度被認(rèn)為是首選的風(fēng)力機(jī)葉片材料。 然而，它的密度太大，疲勞特性差，易腐蝕，加工成扭曲形 狀成本高，因而慢慢被別的材料所替代。 鋁合金的密度為鋼鐵的 1/3，采用擠拉工藝易加工出等弦長(zhǎng)的 葉片，因其可連續(xù)生產(chǎn)、效率高，又可按設(shè)計(jì)要

12、求的扭曲進(jìn)行扭 曲加工，葉根與輪轂連接的軸及法蘭可通過焊接或螺栓連接來實(shí) 現(xiàn)，因此也有較好的工業(yè)價(jià)值。但變弦長(zhǎng)的葉片沒辦法擠拉出來， 因此其是以犧牲空氣動(dòng)力效率為前提的。這也限定了其只能在小 風(fēng)力機(jī)上有一定應(yīng)用。 3.1 歷史沿革與未來趨勢(shì) China Aerodynamics Research Development Center 17 GFRP葉片 GFRP即 glass fiber reinforced plastic，我國(guó)俗 稱 “ 玻璃鋼 ” 。大家知道這是當(dāng)前大型風(fēng)力機(jī)葉片的主體 材料。 GFRP/CFRP葉片 CFRP即 carbon fiber reinforced plast

13、ic, GFRP/CFRP即碳纖維和玻璃纖維混雜復(fù)合材料 一般認(rèn)為較大型（如 42米以上）的葉片采用 CFRP或 CF 與 GF混雜的復(fù)合材料更合理。 3.1 歷史沿革與未來趨勢(shì) China Aerodynamics Research Development Center 18 未來的葉片會(huì)是采用納米碳管（ NCTs)改性的復(fù)合材料葉片嗎？ 控制葉片壽命的究竟是哪一個(gè)因素？是層間韌性？是 ? 我們有理由相信未來的葉片結(jié)構(gòu)材料還將不斷發(fā)展。 由于多數(shù)從事風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)的同志并沒有學(xué)過復(fù)合材料方面的 課程，因此下面將介紹一點(diǎn)復(fù)合材料的 ABC，以更好地理解為 什么選擇復(fù)合材料。 3.1 歷史沿革與未來

14、趨勢(shì) China Aerodynamics Research Development Center 19 3.2 復(fù)合材料的定義、特點(diǎn)、命名及分類 1、復(fù)合材料的定義： 1994年出版的由師昌緒主編的 材料大辭 典 對(duì)復(fù)合材料的定義如下：復(fù)合材料是由有機(jī)高 分子、無機(jī)非金屬材料或金屬等幾類不同材料通過 復(fù)合工藝組合而成的新型材料，它既保留原組分材 料的主要特色，又通過復(fù)合效應(yīng)獲得原組分所不具 備的性能?？梢酝ㄟ^材料設(shè)計(jì)使各組分的性能互相 補(bǔ)充并彼此關(guān)聯(lián)，從而獲得新的優(yōu)越性能，與一般 材料的簡(jiǎn)單混合有本質(zhì)的區(qū)別。 China Aerodynamics Research Development C

15、enter 20 2、復(fù)合材料的特點(diǎn)： 與傳統(tǒng)材料相比，復(fù)合材料有下述特點(diǎn)： 性能可設(shè)計(jì) 材料和結(jié)構(gòu)同一 具備復(fù)合效應(yīng) 材料性能對(duì)復(fù)合工藝依賴性強(qiáng) 3.2 復(fù)合材料的定義、特點(diǎn)、命名及分類 China Aerodynamics Research Development Center 21 復(fù)合材料的性能可設(shè)計(jì)性是材料科學(xué)進(jìn)展 的一大成果，復(fù)合材料的力學(xué)、機(jī)械及熱、聲、 光、電、磁、防腐、抗老化等物理、化學(xué)性能 都可按制件的使用要求和環(huán)境條件要求，通過 組分材料的選擇和匹配以及界面控制等材料設(shè) 計(jì)手段，最大限度地達(dá)到預(yù)期目的，以滿足工 程設(shè)備的使用性能。 傳統(tǒng)的單一材料，如木材、金屬、玻璃、 陶

16、瓷、塑料等只能被選用，不能被設(shè)計(jì)（指宏 觀材料設(shè)計(jì)，不含分子設(shè)計(jì)）。 性能可設(shè)計(jì) China Aerodynamics Research Development Center 22 復(fù)合材料尤其是纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，與其說 是材料倒不如說是結(jié)構(gòu)更為恰當(dāng)。傳統(tǒng)材料的構(gòu) 件成型是經(jīng)過對(duì)材料的再加工，在加工過程中材 料不發(fā)生組分和化學(xué)的變化，而復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與 材料是同時(shí)形成的，它由組成復(fù)合材料的組分材 料在復(fù)合成材料的同時(shí)也就形成了結(jié)構(gòu)。由于復(fù) 合材料的這一特點(diǎn)，使之結(jié)構(gòu)的整體性好，可大 幅度地減少零部件和連接件的數(shù)量，從而縮短加 工周期，降低成本，提高構(gòu)件的可靠性。 材料和結(jié)構(gòu)同一 China Ae

17、rodynamics Research Development Center 23 具備復(fù)合效應(yīng) 復(fù)合材料是由各組分材料經(jīng)過復(fù)合工藝形 成的，但它并不是幾種材料簡(jiǎn)單的混合，而是 按復(fù)合效應(yīng)形成新的性能，這種復(fù)合效應(yīng)是復(fù) 合材料僅有的。 復(fù)合效應(yīng)包括混合效應(yīng)和協(xié)同效應(yīng)?；旌?效應(yīng)也稱作平均效應(yīng)，是組分材料性能取長(zhǎng)補(bǔ) 短共同作用的結(jié)果；協(xié)同效應(yīng)形式多樣，如增 強(qiáng)相與基體之間的界面效應(yīng)、混雜復(fù)合材料的 混雜效應(yīng)、層合材料的層合效應(yīng)及材料強(qiáng)度的 尺寸效應(yīng)。 混雜復(fù)合材料 的應(yīng)力 -應(yīng)變曲線的直線部分所對(duì)應(yīng)的最大應(yīng)變，已超過混 雜復(fù)合材料中具有低延伸率的纖維的破壞應(yīng)變。所謂 “ 混雜 ” 有兩層含義：

18、一是指兩種或多種纖維混合在一起；二是指層板的各層采用不同的纖維。 China Aerodynamics Research Development Center 24 材料性能對(duì)復(fù)合工藝依賴性強(qiáng) 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在成型的過程中有組分材料的 物理和化學(xué)的變化，過程非常復(fù)雜，因此構(gòu)件的 性能對(duì)工藝方法、工藝參數(shù)、工藝過程等依賴性 較大，同時(shí)由于在成型過程中很難準(zhǔn)確地控制工 藝參數(shù)，所以一般來說復(fù)合材料構(gòu)件的性能分散 性也是比較大的。 China Aerodynamics Research Development Center 25 3 、復(fù)合材料的優(yōu)缺點(diǎn) 與傳統(tǒng)材料相比，復(fù)合材料作為結(jié)構(gòu)材料在 性能上有

19、下述優(yōu)點(diǎn)： 比強(qiáng)度、比模量大 耐疲勞性能好 阻尼減振性好 破損安全性高 耐腐性能優(yōu)越 China Aerodynamics Research Development Center 26 比強(qiáng)度、比模量大 比強(qiáng)度 = 強(qiáng)度 /密度 MPa /（ g/cm3） 比模量 = 模量 /密度 GPa /（ g/cm3） China Aerodynamics Research Development Center 27 China Aerodynamics Research Development Center 28 比強(qiáng)度的物理意義 比強(qiáng)度的量綱是長(zhǎng)度，其物理意義可解釋為： 材料在自重作用下能自然垂下的

20、最大長(zhǎng)度。 熱處理預(yù)應(yīng)力鋼筋的比強(qiáng)度是 18km 烏冬面的比強(qiáng)度是 4.3m 豆腐的比強(qiáng)度推測(cè)約為 10cm 碳纖維 T700的比強(qiáng)度大于 300km China Aerodynamics Research Development Center 29 疲勞性能好 復(fù)合材料的抗疲勞性能良好。一般金屬的 疲勞強(qiáng)度為抗拉強(qiáng)度的 40 50%，而某些復(fù)合材 料可高達(dá) 70 80%。復(fù)合材料的疲勞斷裂是從基 體開始，逐漸擴(kuò)展到纖維和基體的界面上，沒有 突發(fā)性的變化。因此，復(fù)合材料在破壞前有預(yù)兆， 可以檢查和補(bǔ)救。纖維復(fù)合材料還具有較好的抗 聲振疲勞性能。用復(fù)合材料制成的直升飛機(jī)旋翼， 其疲勞壽命比用金屬

21、的長(zhǎng)數(shù)倍。 China Aerodynamics Research Development Center 30 阻尼減振性能好 復(fù)合材料的減振性能良好。纖維復(fù)合材料的 纖維和基體界面的阻尼較大，因此具有較好的減 振性能。用同形狀和同大小的兩種粱分別作振動(dòng) 試驗(yàn)，碳纖維復(fù)合材料粱的振動(dòng)衰減時(shí)間比輕金 屬粱要短得多。 China Aerodynamics Research Development Center 31 破損安全性好 復(fù)合材料的安全性好。在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的 基體中有成千上萬(wàn)根獨(dú)立的纖維。當(dāng)用這種材料制 成的構(gòu)件超載，并有少量纖維斷裂時(shí)，載荷會(huì)迅速 重新分配并傳遞到未破壞的纖維上，因此

22、整個(gè)構(gòu)件 不至于在短時(shí)間內(nèi)喪失承載能力。 China Aerodynamics Research Development Center 32 良好的高溫性能 目前： 聚合物基復(fù)合材料的最高耐溫上限為 350 C； 金屬基復(fù)合材料按不同的基體性能 ， 使用溫 度在 350 1100 C范圍內(nèi)變動(dòng)； 陶瓷基復(fù)合材料的使用溫度可達(dá) 1400C； 碳 /碳復(fù)合材料的使用溫度最高可達(dá) 2800C。 China Aerodynamics Research Development Center 33 缺點(diǎn) 材料各向異性嚴(yán)重 材料性能分散性較大，質(zhì)量控制和檢測(cè)比較困難 材料成本較高 復(fù)合材料韌性較差，機(jī)械連接

23、較困難 China Aerodynamics Research Development Center 34 4 、復(fù)合材料的命名和分類 命名方法： 將增強(qiáng)相或分散相材料放在前，基體相或連 續(xù)相材料放在后，之后再綴以“復(fù)合材料”。 如：由碳纖維和環(huán)氧樹脂制成的復(fù)合材料稱為 “碳纖維環(huán)氧復(fù)合材料”，或?qū)憺椤疤祭w維環(huán) 氧復(fù)合材料”，甚至簡(jiǎn)記為“碳環(huán)氧”，余者 類推。 China Aerodynamics Research Development Center 35 按使用性能分：結(jié)構(gòu)復(fù)合材料 、 功能復(fù)合材料 、 結(jié)構(gòu) / 功能一體化復(fù)合材料 按基體分：樹脂基復(fù)合材料 、 金屬基復(fù)合材料 、 無機(jī)非

24、金屬基復(fù)合材料 按增強(qiáng)相形態(tài)分：連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料 ， 纖維 織物 、 編織體增強(qiáng)復(fù)合材料 ， 片狀材料增強(qiáng)復(fù)合材 料 ， 短纖維或晶須增強(qiáng)復(fù)合材料 ， 顆粒增強(qiáng)復(fù)合材 料 按增強(qiáng)纖維類型分：碳纖維復(fù)合材料 ， 玻璃纖維 復(fù)合材料 ， 有機(jī)纖維復(fù)合材料 ， 陶瓷纖維復(fù)合材料 復(fù)合材料通常有以下幾種分類方法 China Aerodynamics Research Development Center 36 增 強(qiáng) 體 (相 ) 纖維 顆粒 金屬基體 增強(qiáng)纖維 有機(jī)物基體 增強(qiáng)纖維 陶瓷基體 增強(qiáng)纖維 碳化物 氮化物 硼化物 氧化物 碳纖維，硼纖維，碳化硅纖維， 氧化鋁纖維，金屬絲 玻璃纖維，碳

25、纖維 , Kevlar纖維 碳纖維，碳化硅纖維， 氧化鋁及其它陶瓷纖維 SiC, HfC, WC, MoC, TiC, ThC2, ErC, CrC BN, Si3N4, AlN, ErN, TiN, TaN TiB 2, MoB, WB,CrB2, TaB, HfB ZrO 2, ThO2, Al2O3.,HfO2, CrO2 3.3 復(fù)合材料原材料 、增強(qiáng)材料 China Aerodynamics Research Development Center 37 China Aerodynamics Research Development Center 38 碳纖維 按碳含量分 按性能分 按

26、制備 原材料分 按模量 分 按強(qiáng)度 分 碳纖維（含 C95%） 石墨纖維（含 C99%） 中模量型 (220300GPa) 高模量型 (300400GPa) 超高模量型 (400GPa) 高強(qiáng)型 (2.5GPa) PAN系（原料為丙烯腈及共聚單體） 瀝青系（原料為焦油或?yàn)r青） 粘膠系（原料為纖維素） 碳纖維 由有機(jī)纖維或低分子烴氣體原料加熱至 1500 C形 成的纖維狀碳材料，其碳含量為 90%以上。它是不完全的石墨結(jié) 晶沿纖維軸向排列的物質(zhì)，呈現(xiàn)亂層結(jié)構(gòu)。當(dāng)加熱至 2500 C時(shí)可 制得碳含量高于 99%的石墨纖維。 China Aerodynamics Research Developme

27、nt Center 39 國(guó)外民機(jī)結(jié)構(gòu)用碳纖維特點(diǎn)分析 纖維類型 標(biāo)準(zhǔn)型 CF 中模高強(qiáng)型 CF S型 CF T 300 T800H T800S IM600 T700S 3/6/12K 6/12K 24K 12/24K 12K 抗拉模量 /GPa 230 294 294 285 230 抗拉強(qiáng)度 /MPa 3530 5490 5880 5790 4900 斷裂伸長(zhǎng) 1.5 1.9 2.0 2.0 2.1 線密度 g/1000M 198/396/800 223/245 1032 800 密度 g/cm3 1.76 1.81 1.80 1.80 1.80 直徑 m 7 7 5 5 7 China

28、Aerodynamics Research Development Center 40 China Aerodynamics Research Development Center 41 中復(fù)神鷹碳纖維有限責(zé)任公司碳纖維產(chǎn)品性能 型號(hào) 規(guī)格 強(qiáng)度 GPa 模量 GPa 伸長(zhǎng)率 % ST250A 12K 3.0-3.5 220-240 1.5 ST300B 1K， 3K 3.5-4.0 220-240 1.5 ST300B 12K 3.5-4.0 220-240 1.5 進(jìn)口 T700碳纖維最近約 450元 /KG China Aerodynamics Research Development

29、Center 42 基 體 聚合物基體 金屬基體 陶瓷基體 不飽和聚酯樹脂，環(huán)氧樹脂，酚 醛樹脂，乙烯基樹脂，熱塑性樹 脂，高性能樹脂等 鋁及鋁合金，鎂及鎂合金 鈦合金，鎳，鈷，銅，鉛，鋅等 氧化鋁，氧化鋯，氮化硅，氮化硼，氮化鋁，碳化硅，硼化物等 2、基體材料 China Aerodynamics Research Development Center 43 熱固性樹脂 在初受熱時(shí)變軟，可以塑性加工成一定的形狀，隨著加熱的進(jìn) 行或固化劑的加入，會(huì)逐漸成凝膠或固化成型。再加熱不會(huì)軟化， 不熔、不融。 其高分子聚合物屬于三維體型網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。 常用的熱固性樹脂有：環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、不飽和聚酯樹脂、

30、 乙烯基酯、聚酰亞胺樹脂、雙馬來酰亞胺（ BMI）樹脂等等 聚合物基體 China Aerodynamics Research Development Center 44 熱塑性樹脂 加熱到一定溫度可軟化甚至流動(dòng)，可塑性加工成各種形狀。冷 卻后變硬，再加熱可軟化。 其高分子聚合物屬于線型或支鏈型分子結(jié)構(gòu)。 常用的熱塑性樹脂：聚丙烯、聚氯乙烯、聚酰胺（尼龍）、聚碳酸 脂等。 China Aerodynamics Research Development Center 45 3.4、復(fù)合材料成型工藝概述 1、聚合物復(fù)合材料工藝 2、金屬基復(fù)合材料工藝 3、陶瓷基復(fù)合材料工藝 China Aerod

31、ynamics Research Development Center 46 1、 聚合物復(fù)合材料（ PMC）制備工藝 目前聚合物基復(fù)合材料的成型方法不少于 20多種，如： （ 1）手糊成型工藝 -濕法鋪層成型法； （ 2）噴射成型工藝； （ 3）樹脂傳遞模塑成型技術(shù)（ RTM技術(shù)）； （ 4）袋壓法（壓力袋法）成型； （ 5）真空袋壓成型； （ 6）熱壓罐成型技術(shù)； （ 7）液壓釜法成型技術(shù)； （ 8）熱膨脹模塑法成型技術(shù)； （ 9）夾層結(jié)構(gòu)成型技術(shù)； （ 10）模壓料生產(chǎn)工藝； China Aerodynamics Research Development Center 47 （ 11）

32、ZMC模壓料注射技術(shù)； （ 12）模壓成型工藝； （ 13）層合板生產(chǎn)技術(shù)； （ 14）卷制管成型技術(shù)； （ 15）纖維纏繞制品成型技術(shù)； （ 16）連續(xù)制板生產(chǎn)工藝； （ 17）澆鑄成型技術(shù)； （ 18）拉擠成型工藝； （ 19）連續(xù)纏繞制管工藝； （ 20）編織復(fù)合材料制造技術(shù)； （ 21）熱塑性片狀模塑料制造技術(shù)及冷模沖壓成型工藝； （ 22）注射成型工藝； （ 23）擠出成型工藝； （ 24）離心澆鑄制管成型工藝； （ 25）其它成型技術(shù)。 China Aerodynamics Research Development Center 48 聚合物復(fù)合材料的制備工藝 （ 1）手糊成型 用

33、于制備熱固性樹脂復(fù)合材料的一種最原始、最簡(jiǎn)單 的成型工藝。用手工將增強(qiáng)材料的紗或氈鋪放在模具中， 通過澆、刷或噴的方法加上樹脂； 紗或氈也可在鋪放前用 樹脂浸漬，用橡皮輥或涂刷的方法趕出其中的空氣。如此 反復(fù)，直到所需厚度。固化通常在常溫、常壓下進(jìn)行，也 可適當(dāng)加熱，或常溫時(shí)加入催化劑或促進(jìn)劑以加快固化。 China Aerodynamics Research Development Center 49 （ 2）壓力成型： a.袋壓成型： 真空袋成型； 壓力袋成型 ； 袋壓成型是最早最廣泛用于 預(yù)浸料成型 的工藝之一。 將鋪層鋪放在模具中，依次鋪上脫膜布、吸膠層、隔離 膜袋膜等，在 熱壓下固化

34、 。經(jīng)過所需的固化周期后，材 料形成具有一定結(jié)構(gòu)形狀的構(gòu)件 。 China Aerodynamics Research Development Center 50 b.熱壓罐成型 工藝過程：鋪層被裝袋并抽真空以排除包埋的空氣或其它揮 發(fā)物， 在真空條件下在熱壓罐中加熱、加壓固化 。固化壓力 通常在 0.35 - 0.7MPa。 1- 橡皮囊； 2-成型套； 3-模具； 4-毛坯； 5-弓形夾； 6-熱壓罐； 7-底板； China Aerodynamics Research Development Center 51 （ 3） 纏繞成型： 纏繞成型是一種將浸漬了樹脂的紗或 絲束纏繞在回轉(zhuǎn)芯模上

35、、常壓下在室溫或較高溫度下固 化成型的一種復(fù)合材料制造工藝。 China Aerodynamics Research Development Center 52 （ 4） 拉擠成型： 是高效率生產(chǎn)連 續(xù)、恒定截面復(fù) 合型材的一種自 動(dòng)化工藝技術(shù)。 其特點(diǎn)是：連續(xù) 纖維浸漬樹脂后， 通過具有一定截 面形狀的模具成 型并固化。 China Aerodynamics Research Development Center 53 （ 5）模壓成型 ： 對(duì)模模壓成型是最普通的模壓 成型技術(shù)。它一般分為三類：坯料模壓、片狀 模塑料模壓和塊狀塑料模壓。 China Aerodynamics Research

36、 Development Center 54 （ 6）擠出成型 是熱塑性塑料主要加工方法之一。干燥的 熱塑性塑料（粉料或粒料）從料斗進(jìn)入擠出機(jī) 加熱料筒，料筒中螺桿旋轉(zhuǎn)，物料沿螺槽前移。 前移過程中物料受機(jī)械剪切作用摩擦熱和料筒 的加熱逐漸熔融成熔體，熔體受螺桿軸向推力 的作用通過機(jī)頭和口模，獲得與口模形狀相似 的連續(xù)體。 China Aerodynamics Research Development Center 55 擠出成型工藝示意圖 China Aerodynamics Research Development Center 56 （ 7）注射成型 注射成型是熱塑性塑料制品的常用成型方

37、法， 多用于短纖維增強(qiáng)塑料制品生產(chǎn)。增強(qiáng)纖維主要 為短切纖維，纖維含量通常有 20 、 30%兩種。 China Aerodynamics Research Development Center 57 （ 8）噴射成型 這是一種半機(jī)械化成型技術(shù)。它是將混有引 發(fā)劑 的樹脂和混有促進(jìn)劑的樹脂分別從噴槍兩側(cè) 噴出或混合后噴出，同時(shí)將纖維用切斷器切斷并 從噴槍中心噴出，與樹脂一起均勻地沉積在模具 上，待材料在模具上沉積一定厚度后，用手輥壓 實(shí)，除去氣泡并使纖維浸透樹脂，最后固化成制 品。 China Aerodynamics Research Development Center 58 噴射成型原理

38、圖 China Aerodynamics Research Development Center 59 （ 9）樹脂傳遞成型：先將增強(qiáng)材料置于模具中形成 一定形狀，再將樹脂注射進(jìn)入模具、浸漬并固化 的一種復(fù)合材料生產(chǎn)工藝，是 FRP（纖維增強(qiáng)塑 料） 的主要成型工藝之一。 特點(diǎn)是：污染小，為閉模操作系統(tǒng)，另外在制品 可設(shè)計(jì)性、可方向性增強(qiáng)、制 品綜合性能方面優(yōu) 于 SMC、 BMC。 China Aerodynamics Research Development Center 60 樹脂傳遞成型示意圖 SCRIMAP: Seeman Composite Infusion Molding Pro

39、cess RIFT: Resin Infusion under Flexible Tooling VARTM: Vacuum Aided Resin Transfer Molding China Aerodynamics Research Development Center 61 China Aerodynamics Research Development Center 62 3.5 復(fù)合材料的歷史沿革 近代復(fù)合材料技術(shù)是 20世紀(jì) 40年代興起的一門新興技術(shù)，時(shí) 至今日業(yè)已發(fā)展成為一套較為完整的體系。 但廣義地講復(fù)合材料其出現(xiàn)則很早，在距今 7000年前的西安 半坡村遺址中曾發(fā)現(xiàn)用 草拌

40、泥做成的墻壁和磚坯 ，用草拌泥做成 的建筑材料性能既優(yōu)于草，又優(yōu)于泥，這是人類最早使用復(fù)合材 料的先例。 近代復(fù)合材料的發(fā)展首先發(fā)展的軟基體，然后發(fā)展的是較硬 的和硬的基體，即從樹脂到金屬到陶瓷基體?，F(xiàn)在復(fù)合材料有三 大類：樹脂基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料。 China Aerodynamics Research Development Center 63 第一章 緒論 樹脂基復(fù)合材料（ Resin Matrix Composite)的發(fā)展簡(jiǎn)史 1932:樹脂基復(fù)合材料在美國(guó)出現(xiàn) 1940年以手糊成型制成了玻璃纖維增強(qiáng)聚酯的 軍用飛機(jī)的 雷達(dá)罩 1950年真空袋和壓力袋成型工藝研

41、究成功，制成 直升機(jī)螺 旋槳 1961年片狀模塑料（ SMC）在法國(guó)問世 拉擠成型工藝的研究始于 50年代， 60年代中期實(shí)現(xiàn)了連續(xù) 化生產(chǎn)，現(xiàn)在發(fā)展很快。 China Aerodynamics Research Development Center 64 第一章 緒論 樹脂基復(fù)合材料的發(fā)展簡(jiǎn)史 70年代開發(fā)出了碳纖維、硼纖維、芳綸纖維（如 Kevlar纖 維）、碳化硅纖維、氧化鋁纖維、高密度聚乙烯纖維等高性能 增強(qiáng)材料。 采用高性能纖維為增強(qiáng)體，高性能樹脂、金屬或陶瓷為基 體制成的復(fù)合材料稱為先進(jìn)復(fù)合材料（ Advanced composite materials,簡(jiǎn)稱 ACM） 80年代后

42、至今是現(xiàn)代復(fù)合材料的成熟應(yīng)用時(shí)期。 China Aerodynamics Research Development Center 65 幾件值得一提的成果 里爾 -芳 2100號(hào)商用 8座飛機(jī)，重僅 567kg,全部采用 CFRP制成 哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)大量采用 ACM 波音 767大型客機(jī)上使用 ACM作為主承力構(gòu)件 空客 A380采用了 25%的復(fù)合材料 波音 787采用 50%的復(fù)合材料 空客 A350將采用 52%的復(fù)合材料 China Aerodynamics Research Development Center 66 里爾 -芳 2100號(hào) 人類第一架全復(fù)合材料飛機(jī) China

43、Aerodynamics Research Development Center 67 復(fù)合材料在中國(guó)的發(fā)展 起始于 1958年。用手糊工藝研制了 玻璃鋼艇 ，以層壓和卷 制工藝研制玻璃鋼板、管和火箭彈 1962年制造了 玻璃鋼直升機(jī)螺旋槳和風(fēng)洞葉片 1970年用玻璃鋼蜂窩夾層結(jié)構(gòu)制造了一座 直徑 44m的雷達(dá) 罩 。 復(fù)合材料的年產(chǎn)量： 1981年為 1.5萬(wàn)噸 1986年達(dá)到 6.5萬(wàn)噸 1995年已達(dá)到 16.5萬(wàn)噸 2008年 玻璃 纖維（ GF） 220萬(wàn)噸；不飽和聚酯樹脂 （ UPR） 125萬(wàn)噸；熱固性 玻璃 鋼（ FRsP） 179萬(wàn)噸；熱塑性 玻璃 鋼（ FRTP） 56萬(wàn)噸

44、；覆銅板（ ccL） 55萬(wàn)噸。 復(fù)合材 料總產(chǎn)量穩(wěn)居全球第二。 China Aerodynamics Research Development Center 68 3.6 復(fù)合材料的工程應(yīng)用與發(fā)展 趨勢(shì) 復(fù) 合 材 料 之 樹 China Aerodynamics Research Development Center 69 纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料應(yīng)用 -土木工程 補(bǔ)強(qiáng)、修補(bǔ)已有的土木工程結(jié)構(gòu) 房屋抗震加固 建筑物加固、修復(fù) 復(fù)合材料橋梁、 CFRP拉索斜拉橋 復(fù)合材料建筑結(jié)構(gòu) China Aerodynamics Research Development Center 70 China A

45、erodynamics Research Development Center 71 China Aerodynamics Research Development Center 72 纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料應(yīng)用 -大口徑管道 引鄂濟(jì)烏工程 昆明（掌鳩河）引水工程 China Aerodynamics Research Development Center 73 .36 meter LM blade .60 meter LM blade 纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料應(yīng)用 -風(fēng)力發(fā)電葉片 China Aerodynamics Research Development Center 74 China A

46、erodynamics Research Development Center 75 纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料應(yīng)用 -軌道交通 磁懸浮、高速列車車頭 China Aerodynamics Research Development Center 76 China Aerodynamics Research Development Center 77 纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料應(yīng)用 -運(yùn)動(dòng)器材 China Aerodynamics Research Development Center 78 China Aerodynamics Research Development Center 79 China

47、Aerodynamics Research Development Center 80 China Aerodynamics Research Development Center 81 China Aerodynamics Research Development Center 82 China Aerodynamics Research Development Center 83 “一代材料，一代飛機(jī) ” ，在新一代大型 飛機(jī)上復(fù)合材料的用量創(chuàng)下了歷史新高，其已 成為大型飛機(jī)先進(jìn)性的重要指標(biāo)。 空客 A380用復(fù)合材料 25%，波音 787用復(fù) 合材料 50%，空客 A350將用復(fù)合材料

48、52%， 國(guó)際上預(yù)計(jì) 2020年 在民機(jī)上復(fù)合材料應(yīng)用將 達(dá)到 7080%。 復(fù)合材料在航空工業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) China Aerodynamics Research Development Center 84 波音系列飛機(jī)復(fù)合材料應(yīng)用趨勢(shì) 19951990198419831982 1968 0 10 20 30 40 50 60 年 復(fù)合材料占結(jié)構(gòu)重量的百分 比(%) B787 B777 2008 B747-400 B737 B767 China Aerodynamics Research Development Center 85 空客系列飛機(jī)復(fù)合材料應(yīng)用趨勢(shì) A350 A380

49、A322 A321 A330 A300 A320 A310 0 10 20 30 40 50 60 年 復(fù)合材料占結(jié)構(gòu)重量的 百分比( % ) A340 1985 1986 1989 1991 1993 1994 1997 2004 2010 China Aerodynamics Research Development Center 86 空客 A380 復(fù)合材料在 A380客機(jī)上的應(yīng)用 China Aerodynamics Research Development Center 87 787使用材料情況 “787客機(jī)使用的復(fù)合材料機(jī)身是其與 任何空客競(jìng)爭(zhēng)機(jī)型之間最大的不同 。 ” Chin

50、a Aerodynamics Research Development Center 88 ？ China Aerodynamics Research Development Center 89 1、用復(fù)合材料設(shè)計(jì)的飛機(jī)結(jié)構(gòu) , 可以有效地減輕結(jié)構(gòu) 重量達(dá) 20 % 30 %, 在飛機(jī)其它技術(shù)指標(biāo)相近的情況 下 , 提高飛機(jī)運(yùn)載能力 , 或在相同載重下 , 降低發(fā)動(dòng)機(jī) 油耗 , 延長(zhǎng)飛機(jī)航程 ; 2、復(fù)合材料優(yōu)異的抗疲勞和耐腐蝕性能 , 提高了飛機(jī) 結(jié)構(gòu)的使用壽命 , 降低了飛機(jī)維護(hù)要求 ; 3、同時(shí)也為客機(jī)增加艙內(nèi)壓力和空氣濕度、改善艙 內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)提供了可能性 , 大大 提高了飛行的舒適性

51、; 4、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)有利于整體設(shè)計(jì)與整體制造技術(shù)的 應(yīng)用 , 一方面可以減少結(jié)構(gòu)零部件的數(shù)量 , 提高結(jié)構(gòu)的 效率與可靠性 ,另一方面可以采用低成本整體制造工藝 , 降低制造成本 。 China Aerodynamics Research Development Center 90 未來民機(jī)發(fā)展趨勢(shì) 成本降低： 30 50% 噪聲減少： 25 50% 效率提高： 10% 20% 飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量 減輕： 20% 復(fù)材主結(jié)構(gòu)技術(shù)是未來民機(jī)競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵之一 China Aerodynamics Research Development Center 91 需要復(fù)合材料結(jié)構(gòu) 復(fù)材主結(jié)構(gòu)技術(shù)是未來民機(jī)競(jìng)爭(zhēng)

52、力的關(guān)鍵之一 China Aerodynamics Research Development Center 92 F16 2% 復(fù)合材料用量同 樣是軍機(jī)先進(jìn)性 的重要標(biāo)志 F22 24% F/A18 12% F35 35% 軍機(jī) F/A-22： IM7/5250-4、 IM7/977-3 (高性能 ) 雙馬為 17.2%，環(huán)氧 6.6% F-35： IM7/977-3、 IM7/5250-4 (低成本 ) 環(huán)氧 30%，雙馬為 4% F/A-18E/F： AS4/977-3、 IM7/977-3 (低成本 ) 全用環(huán)氧 China Aerodynamics Research Developme

53、nt Center 93 B-2 50% 先進(jìn)復(fù)合材料是實(shí)現(xiàn)軍 機(jī)先進(jìn)性的根本途徑 China Aerodynamics Research Development Center 94 直升機(jī) 直升機(jī)（ 50-80% ） Tiger 80% 歐洲虎式武裝直升機(jī) 可垂直起落 傾轉(zhuǎn)旋翼后能高速巡航 復(fù)合材料 3000kg V-22 50% China Aerodynamics Research Development Center 95 Voyager（ 旅游者號(hào) ） 全復(fù)合材料無人機(jī) 90以上為 CFRP，飛機(jī)結(jié)構(gòu)重 453kg，可連續(xù)飛行 9天，飛行距 離達(dá) 40252km 無人機(jī) China

54、Aerodynamics Research Development Center 96 3.7 復(fù)合材料葉片的材料選擇 在確定應(yīng)用復(fù)合材料制備葉片后，具體用什 么原材料、用什么增強(qiáng)材料制品、用什么性能的 基體、用什么夾芯材料、用何性能的膠粘劑、用 什么樣的表面材料，這是今天我們結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員 要重點(diǎn)考慮的內(nèi)容。 葉片的設(shè)計(jì)和材料選擇不僅決定風(fēng)力機(jī)性能 和效率，同時(shí)決定了每千瓦時(shí)電量的成本。選擇 合適的材料對(duì)于葉片設(shè)計(jì)起著關(guān)鍵性作用。 China Aerodynamics Research Development Center 97 3.7 復(fù)合材料葉片的材料選擇 復(fù)合材料風(fēng)力機(jī)葉片用主要材料體系

55、包括各 種增強(qiáng)材料、基體材料、夾層泡沫、膠粘劑和各 種輔助材料等。 現(xiàn)在增強(qiáng)材料大量使用 E玻纖 ,其成本低 (10元 /公斤以下，高性能的 E6玻璃纖維價(jià)格約 16元 /公 斤 )、適用性強(qiáng)。當(dāng)要求更高的強(qiáng)度和剛度時(shí) ,將 會(huì)使用到高強(qiáng)玻纖 ,如 S2玻纖 ,雖然價(jià)格較高 (40 50元 /公斤 ) ,但適當(dāng)使用會(huì)有好處。某些新興纖 維也可用作候選對(duì)象 ,如超高分子量聚乙烯纖維、 玄武巖纖維等。 China Aerodynamics Research Development Center 98 3.7 復(fù)合材料葉片的材料選擇 根據(jù)國(guó)外有關(guān)資料報(bào)道，當(dāng)風(fēng)力機(jī)超過 3MW、葉片長(zhǎng)度超過 40米時(shí)

56、，在葉片制造時(shí)采 用 碳纖維 已成為必要的選擇。事實(shí)上，當(dāng)葉片超 過一定尺寸后， 碳纖維 葉片反而比玻纖葉片便宜， 因?yàn)椴牧嫌昧?、勞?dòng)力、運(yùn)輸和安裝成本等都下 降了 。 我國(guó)的情況如何需要研究， 但國(guó)外的經(jīng)驗(yàn)值 得重視。 China Aerodynamics Research Development Center 99 3.7 復(fù)合材料葉片的材料選擇 增強(qiáng)纖維主要力學(xué)性能 順紋抗 拉 /MPa 順紋抗 壓 /MPa 毛竹 204.2 65.5 淡竹 198.4 84.6 楊木 65.2 22.4 紅松 101.4 34.3 水杉 84.2 40.6 China Aerodynamics Res

57、earch Development Center 100 3.7 復(fù)合材料葉片的材料選擇 要注意的是增強(qiáng)材料本身也一直處于不斷發(fā)展當(dāng)中。 Owens Corning提出的新一代的玻璃纖維增強(qiáng)材料 WindStrand ，其與 E玻璃纖維增強(qiáng)材料相比，剛度提 高 17%、強(qiáng)度提高 30%、疲勞壽命提高 10倍，這一特性使得 可使風(fēng)力機(jī)壽命和風(fēng)能利用率大大提高。此外， WindStrand 增強(qiáng)材料重量輕 10%，這樣葉片可以做的更 長(zhǎng)，最終可以降低單位電量的成本。 值得關(guān)注！ China Aerodynamics Research Development Center 101 3.7 復(fù)合材料葉

58、片的材料選擇 國(guó)外 碳纖維 用于葉片制造的廠家主要有： LM 61.5米長(zhǎng)的 5MW風(fēng)機(jī)葉片在梁和端部選用了 碳纖維 ； Nordex 56米長(zhǎng)的 5MW風(fēng)機(jī)葉片的整個(gè)梁結(jié)構(gòu)采用了 碳纖維 ，他們認(rèn) 為葉片超過一定尺寸后， 碳纖維 葉片的制作成本并不比玻纖的高； Vestas 44米長(zhǎng)、 V-90 3.0 MW風(fēng)機(jī)葉片的梁采用了 碳纖維 。 2004年 12月 Zoltek Companies Inc宣布與 Vestas wind Systems AS公司訂 立長(zhǎng)期戰(zhàn)略合同，在前三年提供價(jià)值 8千萬(wàn)到 1億美元的 碳纖維 用于制造 風(fēng)機(jī)葉片； Zoltek Companies Inc在股東大會(huì)

59、上宣布對(duì) NEG Micon的 碳纖維 合同將從每年 150噸增加一倍。同時(shí)每年分別向 Vestas和 Gamesa各提供 1000噸，所用牌號(hào)為 Panex33 48K； T700/12K的產(chǎn)品已降到 30/公斤左右，大絲束的可降至 20/公斤左右， 國(guó)內(nèi)及臺(tái)塑的 12K產(chǎn)品可降至 150200元（人民幣） /公斤左右 China Aerodynamics Research Development Center 102 3.7 復(fù)合材料葉片的材料選擇 國(guó)外 碳纖維 用于葉片制造的廠家主要有： 西班牙 Gamesa在他們旋轉(zhuǎn)直徑為 87米（ G87）和 90米（ G90） 2MW 的風(fēng)機(jī)的葉片

60、中采用了 碳纖維 環(huán)氧樹脂預(yù)浸料， G90葉片長(zhǎng) 44米，質(zhì)量 約 7t。 NEG Micon在 40米的葉片中也采用了 碳纖維 德國(guó) Enercon GmbH在他們的大型葉片的制造中也使用了 碳纖維 。 由于 碳纖維 比玻纖昂貴，采用百分之百的 碳纖維 制造葉片從成本上來說 是不合算的。目前國(guó)外 碳纖維 主要是和玻纖混和使用， 碳纖維 只是用到一 些關(guān)鍵的部分。 碳纖維 在葉片中應(yīng)用的主要部位有： 橫梁 （ Spar），尤其是橫梁蓋（ Spar Caps） 前后邊緣 ，除了提高剛度和降低質(zhì)量外，還起到避免雷擊對(duì)葉片造成的損傷 （專利 US6457943BI） 葉片的表面 ，采用具有高強(qiáng)度特性

61、的 碳纖維 片材（日本專利 JP2003214322）。 China Aerodynamics Research Development Center 103 3.7 復(fù)合材料葉片的材料選擇 幾種材料性能的比較 China Aerodynamics Research Development Center 104 基體材料目前大量使用不飽和聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂， 現(xiàn)也有不少 企業(yè)在探討使用乙烯基樹脂。 注意：在明確了用增強(qiáng)纖維、基體材料的類型后，使用 何種織物類型、選用具備什么性能的該型基體也還需要認(rèn)真 選擇。 譬如是選用機(jī)織物還是選用經(jīng)編織物？是選用單向織物 還是選用雙向 /三軸向 /四軸向經(jīng)編

62、織物？ China Aerodynamics Research Development Center 105 3.7 復(fù)合材料葉片的材料選擇 China Aerodynamics Research Development Center 106 3.7 復(fù)合材料葉片的材料選擇 China Aerodynamics Research Development Center 107 3.7 復(fù)合材料葉片的材料選擇 China Aerodynamics Research Development Center 108 3.7 復(fù)合材料葉片的材料選擇 無堿粗紗 1： 1方格布 考慮到風(fēng)力機(jī)葉片主要是縱向受力

63、，即氣動(dòng)彎曲和離心力，氣動(dòng)彎曲荷載比離心 力大得多，由剪切與扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的剪應(yīng)力不大。利用纖維受力為主的受力理論，可把主 要纖維安排在葉片的縱向，這樣就可減輕葉片的重量。依此可幫助我們選擇經(jīng)編織物 的種類。 China Aerodynamics Research Development Center 109 3.7 復(fù)合材料葉片的材料選擇 China Aerodynamics Research Development Center 110 3.7 復(fù)合材料葉片的材料選擇 China Aerodynamics Research Development Center 111 3.7 復(fù)合材料葉片的材料

64、選擇 China Aerodynamics Research Development Center 112 3.7 復(fù)合材料葉片的材料選擇 China Aerodynamics Research Development Center 113 3.7 復(fù)合材料葉片的材料選擇 China Aerodynamics Research Development Center 114 3.7 復(fù)合材料葉片的材料選擇 China Aerodynamics Research Development Center 115 3.7 復(fù)合材料葉片的材料選擇 China Aerodynamics Research D

65、evelopment Center 116 3.7 復(fù)合材料葉片的材料選擇 China Aerodynamics Research Development Center 117 3.7 復(fù)合材料葉片的材料選擇 China Aerodynamics Research Development Center 118 3.7 復(fù)合材料葉片的材料選擇 China Aerodynamics Research Development Center 119 3.7 復(fù)合材料葉片的材料選擇 China Aerodynamics Research Development Center 120 China Aero

66、dynamics Research Development Center 121 巴斯夫公司推出了一種新的環(huán)氧系統(tǒng) Baxxodur雙 組份環(huán)氧 /固化劑系統(tǒng)。由于使用了新的固化劑，該類系統(tǒng) 能極大地加速大型葉片的生產(chǎn)。為了保證樹脂能夠完全快速 地充滿葉片的模具，該類環(huán)氧系統(tǒng)在初始階段反應(yīng)緩慢。然 后通過加熱加速固化反應(yīng)，能更快地在脫模后生產(chǎn)下一個(gè)葉 片。這樣使整個(gè)生產(chǎn)時(shí)間減少 30%，提高了生產(chǎn)率。相比傳 統(tǒng)的環(huán)氧系統(tǒng)其能在更寬的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行操作，使生產(chǎn)過 程更加靈活。現(xiàn)已通過 GL認(rèn)證，可用于風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)中。 China Aerodynamics Research Development Center Corporate Overview 對(duì)芯材的要求 需要 芯材性能 承受橫向荷載 高剪切強(qiáng)度 低撓向變形 高剪切模量 防止板材失穩(wěn) 高剪切模量 防止面層局部失穩(wěn) 高拉伸和壓縮模量 , 高剪切模量 抗疲勞 高剪切強(qiáng)度 , 剪切應(yīng)變和 斷裂 韌 度 抗沖擊 高剪切和壓縮強(qiáng)度 , 高的能量吸收 抗應(yīng)力集中 高剪切應(yīng)變 重量?jī)?yōu)化 多種密 度供選擇 China Aerodynamics Res