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CN105863960B - 一种垂直轴复合材料风电叶片及其制备方法 - Google Patents

一种垂直轴复合材料风电叶片及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种垂直轴复合材料风电叶片及其制备方法，风电叶片包括主体段、边缘段和筋板，边缘段设置于主体段的四周，边缘段和主体段组成舟型结构，筋板横跨舟型结构的凹面部位，连接边缘段相对的两个部位，用于加固风电叶片；主体段和边缘段均由刚性层、抗扭曲层和耐老化层组成，其中，刚性层采用无机纤维织物浸渍热固性树脂制备而成，抗扭曲层采用热塑性纤维与无机纤维的二维织物叠层浸渍热固性树脂制备而成，刚性层设置于抗扭曲层的叠层结构中，耐老化层为热塑性热熔纤维与韧性纤维的混编二维织物经过模压制备而成。风电叶片具有抗扭曲、高刚性、耐老化、耐腐蚀、抗冲击等诸多优点。

Description

一种垂直轴复合材料风电叶片及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种垂直轴复合材料风电叶片及其制备方法，特别涉及一种具有多层组合结构的高刚度、抗扭曲、耐老化的舟型复合材料垂直轴风电叶片制备技术。
背景技术
目前能源短缺成为世界性的难题，各个国家都在绿色环保能源的应用研究方面投入了大量的精力，其中风力发电作为一种清洁环保可再生能源在全球范围内得到迅猛的发展。而有关风力发电设备的材质及结构设计是风电领域研究和应用的重点，它对风力发电装机容量的提高、发电效率的保证以及风力发电设备应用寿命的稳定至关重要。如今，高强度、高模量、轻质的复合材料在生产生活各个行业得到广泛的应用，其中，复合材料的风电叶片在水平轴式风力发电机上的应用已非常普遍。所谓水平轴风力发电机的主要特点是主轴水平设置，在主轴上设置风轮，风电叶片大多采用大小头三角形式，端部一般较为细长，尤其对于大功率风力发电机又需要较长叶片才能达到供电效率，而随着叶片长度的增加以及端部细长的结构特点，强风吹扫时这种水平轴风力发电机的叶片必然要承受较大的弯扭载荷，而在某些特殊的风场情况下，还可能出现叶片共振的不良问题，这对于复合材料叶片带来极大的安全隐患。
随着应用研究不断深入，垂直轴风力发电机逐渐显现出高效率、大功率、安装方便以及使用寿命长等诸多优点。从设计思路来讲，目前的垂直轴风力发电机一般只将主轴方向进行改变，而对复合材料风电叶片的结构及材质并无任何调整，从目前应用反馈的情况来看，这种沿袭下来的复合材料风电叶片结构往往不适应垂直轴风力发电的要求，出现了诸如：低风速启动困难、高速运行稳定性差、存在涡旋气流阻力等问题。除此以外，同水平轴复合材料风电叶片一样，垂直轴复合材料风电叶片仍然面临着较大扭曲载荷和老化寿命等问题的威胁。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种垂直轴复合材料风电叶片及其制备方法。
为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：
一种垂直轴复合材料风电叶片，包括主体段、边缘段和筋板，边缘段设置于主体段的四周，边缘段和主体段组成舟型结构，筋板横跨舟型结构的凹面部位，连接边缘段相对的两个部位，用于加固风电叶片；主体段和边缘段均由刚性层、抗扭曲层和耐老化层组成，其中，刚性层采用无机纤维织物浸渍热固性树脂制备而成，抗扭曲层采用热塑性纤维与无机纤维的二维织物叠层浸渍热固性树脂制备而成，刚性层设置于抗扭曲层的叠层结构中，耐老化层为热塑性热熔纤维与韧性纤维的混编二维织物经过模压制备而成。
刚性层设置于抗扭曲层的叠层结构中，然后再浸渍热固性树脂，可以将刚性层与抗扭曲层融合为一个完整的整体，使该整体融合了刚性层的刚性和抗扭曲层的抗扭曲性，使风电叶片的性能更好。由于该风电叶片融合了刚性和抗扭曲性，所以，保证了风电叶片高速运行的稳定性；由于采用了舟型结构，可以较好地捕捉风，并且由于风电叶片的质量较轻，所以可以克服现有的风电叶片低风速启动困难的弊端；此外，本发明的风电叶片设有耐老化层，可以有效防止风电叶片的老化，延长其使用寿命。
优选的，所述筋板采用增强纤维织物浸渍热固性树脂制备而成。
筋板可以对舟型风电叶片进行加固，有效防止风电叶片在工作过程中发生形变，提高了风电叶片高速运行的稳定性，而且筋板的材质质量轻，不会对整体的质量产生较大影响。
优选的，刚性层中，无机纤维为MJ40碳纤维、MJ60碳纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维、氮化硼纤维、碳化硼纤维或玄武岩纤维，纤维采用单向排布形式。
优选的，刚性层中，热固性树脂为环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂、热固性聚氨酯树脂或聚酰亚胺树脂。
进一步优选的，刚性层中的树脂含量不超过60％。
所述的芯部刚性层采用高模量无机纤维单向排布浸渍热固性树脂后，通过拉挤成型方式制备单向纤维复合材料板，拉挤成型的运行速度和固化时间以及固化温度根据树脂类型的不同而灵活调整。由于刚性层为树脂基体采用无机纤维进行增强，如果树脂过多，增强纤维过少，会降低风电叶片的刚性，致使不满足实际的工作需求。
优选的，抗扭曲层的织物排布为平纹、斜纹或缎纹，无机纤维与热塑性纤维的重量比为1：1-10：1。
在织物铺叠过程中将芯部刚性层预埋在叠层结构的中间部位。
优选的，抗扭曲层中，无机纤维为T300碳纤维、T700碳纤维、T800碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维或芳纶纤维，热塑性纤维为聚氨酯纤维、聚酰胺纤维、聚乙烯纤维或聚丙烯纤维。
优选的，抗扭曲层中，树脂基体为热塑性树脂改性的热固性树脂。
进一步优选的，树脂基体为聚氨酯改性的环氧树脂、酚醛树脂或不饱和聚酯树脂。
优选的，耐老化层中，韧性纤维为高分子量聚乙烯纤维、芳纶纤维或PBO纤维；热塑性热熔纤维为热塑性聚氨酯纤维、聚酰胺纤维、聚乙烯纤维或聚丙烯纤维。
优选的，耐老化层中，韧性纤维与热塑性热熔纤维的混编比例(重量比)为1：1-10：1，织物排布为平纹、斜纹或缎纹。
优选的，筋板中，增强纤维为T300碳纤维、T700碳纤维、T800碳纤维、玻璃纤维或玄武岩纤维，热固性树脂选用环氧树脂、酚醛树脂或不饱和聚酯树脂。
上述垂直轴复合材料风电叶片的制备方法，包括如下步骤：
1)采用拉挤成型的方式将无机纤维织物浸渍热固性树脂，分别制备主体段和边缘段的刚性层；
2)将主体段和边缘段的刚性层进行组合，得到刚性层主体；
3)在刚性层主体上下表面分别铺叠采用热塑性纤维与无机纤维混编得到的二维织物，将刚性层埋入混编二维织物的叠层结构中，然后置于方舟型模具中；
4)采用热固性树脂对得到的混编二维织物的叠层结构进行真空浸渍，压制固化成型后制得抗扭曲层；
5)在抗扭曲层的上表面铺叠热塑性热熔纤维与韧性纤维的混编二维织物，通过模压成型，制备耐老化层；
6)采用增强纤维浸渍热固性树脂制备筋板，将筋板固定在舟型叶片上，连接边缘段的相对的两部分，对风电叶片进行加固；
只要可以完成风电叶片的制作，以上步骤可调整。
优选的，步骤4)中，热压固化的真空度为0.06-0.1MPa，压制的压强为5-30MPa。
模压过程的最终成型温度和成型时间根据树脂基体类型的不同而灵活调整，最终制得的中间抗扭曲层的最终树脂含量不超过50％。
优选的，步骤5)中，耐氧化层的模压时间不超过5min。
优选的，筋板通过胶接的方式固定在风电叶片上，粘结剂为环氧树脂胶。
本发明的有益技术效果为：
制备的风电叶片采用多种高性能纤维混杂织物作为增强材料，采用热塑性和热固性树脂与混杂纤维复合，采用“刚性层、抗扭曲层、耐老化层”的三层组合加筋板的结构设计和方舟型外观结构设计，通过拉挤成型、真空导入模压一体化成型以及快速模压成型技术的混合使用，最终制备出的垂直轴复合材料风电叶片具有抗扭曲、高刚性、耐老化、耐腐蚀、抗冲击等诸多优点，可在不同类型的垂直轴风力发电机中长期应用，使用寿命较长。
附图说明
图1是垂直轴复合材料风电叶片的外型结构示意图；
图2是主体段和边缘段的结构示意图。
其中，1、主体段，2、边缘段、3、筋板，4、刚性层，5、抗扭曲层，6、耐老化层。
具体实施方式
本发明涉及一种具有多层组合结构的高刚度、抗扭曲、耐老化的舟型复合材料垂直轴风电叶片的制备技术，下面结合实施例进一步说明。
实施例1
方舟型垂直轴风力发电机叶片的制备包括如下步骤：
垂直轴风力发电叶片的主体段和边缘段均采用“刚性层、抗扭曲层、耐老化层”三层结构组合结构。其中主体段和边缘段的刚性层的增强纤维采用MJ40碳纤维，树脂基体选用环氧树脂，通过拉挤成型制备单向碳纤维复合材料板，所用的拉挤过程固化温度为150-220℃，固化时间为6分钟，芯部刚性层复合材料板的树脂含量为40％，刚性层位于风电叶片主体段和边缘段的芯部。
主体段和边缘段的抗扭曲层位于芯部刚性层的外部，在整个三层组合结构的中间层位置，中间抗扭曲层采用聚氨酯纤维与T300碳纤维混编二维织物叠层结构，其中T300碳纤维与聚氨酯纤维的用量(重量比)为5:1，织物排布选用平纹编织形式，在织物铺叠过程中将芯部刚性层预埋在叠层结构的中间位置，中间抗扭曲层树脂基体采用聚氨酯改性环氧树脂，将嵌入芯部刚性层的混编二维织物叠层组合后，置于方舟型密封模具内，将密封模具内的空气抽出并保证体系的真空度在0.06MPa，之后通过压机对模具进行加压，压机作用于样品的压强控制在15MPa，中间抗扭曲层的最终树脂含量为45％。
待上述刚性层和抗扭曲层制备完毕之后，最后在中间抗扭曲层表面铺叠热塑性热熔纤维与高韧性纤维的混编二维织物，所用高韧性纤维为芳纶纤维，热熔纤维为热塑性聚乙烯纤维。其中芳纶纤维与热塑性聚乙烯纤维的混编比例(重量比)为3:1，织物排布选用斜纹编织形式。待表面耐老化层铺叠完毕后，将上述混编二维织物铺叠在中间抗扭曲层表面将其置于模具中，开启压机并将模压压力控制在18MPa，将最终温度提高至150℃，通过热塑性聚乙烯纤维的热熔完成芳纶纤维增强聚乙烯树脂复合材料表面耐老化层的制备。表面耐老化层的模压时间为3分钟。
复合材料风电叶片筋板采用T700碳纤维与环氧树脂通过模压制备，压制过程的压力控制在28MPa，最终固化温度为130℃，固化时间为3小时。
最终复合材料筋板的树脂含量为42％。舟型复合材料叶片与复合材料筋板之间采用特种高强环氧树脂胶接固定，沿着叶片长度方向三等分，将筋板粘接在舟型叶片的凹面位置。
实施例2
方舟型垂直轴风力发电机叶片的制备包括如下步骤：
垂直轴风力发电叶片的主体段和边缘段均采用“刚性层、抗扭曲层、耐老化层”三层结构组合结构。其中主体段和边缘段的刚性层的增强纤维采用MJ40碳纤维，树脂基体选用酚醛树脂，通过拉挤成型方式制备单向碳纤维复合材料板，拉挤过程固化温度为145-170℃，固化时间为10分钟，芯部刚性层复合材料板的树脂含量为50％，刚性层位于风电叶片主体段和边缘段的芯部。
主体段和边缘段的抗扭曲层位于芯部刚性层的外部，在整个三层组合结构的中间层位置，中间抗扭曲层采用聚酰胺纤维与T800碳纤维混编预制的二维织物叠层结构，其中T800碳纤维与聚酰胺纤维的用量(重量比)为2：1，织物排布选用斜纹编织形式，在织物铺叠过程中将芯部刚性层预埋在叠层结构铺层的中间部位，中间抗扭曲层的树脂基体采用聚氨酯改性的环氧树脂，将嵌入芯部刚性层的混编二维织物叠层组合后，置于方舟型密封模具内，将密封模具内的空气抽出并保证体系的真空度在0.08MPa，之后通过压机对模具进行加压，压机作用于样品的压强控制在20MPa，中间抗扭曲层的最终树脂含量为47％。
待上述刚性层和抗扭曲层制备完毕之后，最后在中间抗扭曲层表面铺叠热塑性热熔纤维与高韧性纤维的混编二维织物，所用的高韧性纤维为芳纶纤维，所用的热塑性热熔纤维为热塑性聚氨酯纤维。其中芳纶纤维与热塑性聚氨酯纤维的混编比例(重量比)为5:1，织物排布选用缎纹编织形式。待表面耐老化层铺叠完毕后，将上述混编纤维的二维织物铺叠在中间抗扭曲层表面将其置于模具中，开启压机并将模压压力控制在22MPa，将最终温度提高至170℃，通过热塑性聚氨酯纤维热熔完成芳纶纤维增强聚氨酯树脂基复合材料表面耐老化层的制备，表面耐老化层模压时间为5分钟。
复合材料风电叶片筋板采用T700碳纤维与环氧树脂通过模压制备，压制压力控制在15MPa，最终固化温度为120℃，固化时间为2.5小时。
最终复合材料筋板的树脂含量为40％。舟型复合材料叶片与复合材料筋板之间采用特种高强环氧树脂胶接固定，沿着叶片长度方向四等分，将筋板粘接在舟型叶片的凹面位置。
实施例3
方舟型垂直轴风力发电机叶片的制备包括如下步骤：
垂直轴风力发电叶片的主体段和边缘段均采用“刚性层、抗扭曲层、耐老化层”三层结构组合结构。其中主体段和边缘段的刚性层的增强纤维采用MJ60碳纤维，树脂基体选用不饱和聚酯树脂，通过拉挤成型方式制备单向碳纤维复合材料板，所用的拉挤过程固化温度为120-140℃，固化时间为9分钟，芯部刚性层复合材料板的树脂含量为50％，刚性层位于风电叶片主体段和边缘段的芯部。
主体段和边缘段的抗扭曲层位于芯部刚性层的外部，在整个三层组合结构的中间层位置，中间抗扭曲层采用聚丙烯纤维与T700碳纤维混编预制的二维织物叠层结构，其中T700碳纤维与聚丙烯纤维的用量(重量比)为4：1，织物排布选用平纹编织形式，在织物铺叠过程中将芯部刚性层预埋在叠层结构铺层的中间部位，中间抗扭曲层的树脂基体采用聚氨酯改性的不饱和聚酯树脂，将嵌入芯部刚性层的混编二维织物叠层组合后，置于方舟型密封模具内，将密封模具内的空气抽出并保证体系的真空度在0.08MPa，之后通过压机对模具进行加压，压机作用于样品的压强控制在26MPa，中间抗扭曲层的最终树脂含量为41％。
待上述刚性层和抗扭曲层制备完毕之后，最后在中间抗扭曲层表面铺叠热塑性热熔纤维与高韧性纤维的混编二维织物，所用的高韧性纤维为PBO纤维，所用热塑性热熔纤维为热塑性聚乙烯纤维。其中PBO纤维与热塑性聚乙烯纤维的混编比例(重量比)为3：1，织物排布选用缎纹编织形式。待表面耐老化层铺叠完毕后，将上述混编纤维的二维织物铺叠在中间抗扭曲层表面将其置于模具中，开启压机并将模压压力控制在18MPa，将最终温度提高至混编织物153℃，通过热塑性聚乙烯纤维的融化完成PBO纤维增强聚乙烯树脂基体复合材料表面耐老化层的制备。表面耐老化层的模压时间为4分钟。
复合材料风电叶片筋板采用T800碳纤维与酚醛树脂通过模压制备，压制过程的压力控制在22MPa，最终固化温度为150℃，固化时间为3.5小时。
最终复合材料筋板的树脂含量为40％。舟型复合材料叶片与复合材料筋板之间采用特种高强环氧树脂胶接固定，沿着叶片长度方向五等分，将筋板粘接在舟型叶片的凹面位置。
实施例4
方舟型垂直轴风力发电机叶片的制备包括如下步骤：
垂直轴风力发电叶片的主体段和边缘段均采用“刚性层、抗扭曲层、耐老化层”三层结构组合结构。其中主体段和边缘段的刚性层的增强纤维采用碳化硅纤维，树脂基体选用环氧树脂，通过拉挤成型方式制备单向碳化硅纤维复合材料板，所用的拉挤过程固化温度为150-220℃，固化时间为10分钟，芯部刚性层复合材料板的树脂含量为55％，刚性层位于风电叶片主体段和边缘段的芯部。
主体段和边缘段的抗扭曲层位于芯部刚性层的外部，在整个三层组合结构的中间层位置，中间抗扭曲层采用聚丙烯纤维与S玻璃纤维混编预制的二维织物叠层结构，其中S玻璃纤维与聚丙烯纤维的用量(重量比)为6：1，织物排布选用斜纹编织形式，在织物铺叠过程中将芯部刚性层预埋在叠层结构铺层的中间部位，中间抗扭曲层的树脂基体采用聚氨酯改性的环氧树脂，将嵌入芯部刚性层的混编二维织物叠层组合后，置于方舟型密封模具内，将密封模具内的空气抽出并保证体系的真空度在0.1MPa，之后通过压机对模具进行加压，压机作用于样品的压强控制在27MPa，中间抗扭曲层的最终树脂含量为43％。
待上述刚性层和抗扭曲层制备完毕之后，最后在中间抗扭曲层表面铺叠热塑性热熔纤维与高韧性纤维的混编二维织物，所用的高韧性纤维为芳纶纤维，所用的热塑性热熔纤维为热塑性聚氨酯纤维。其中芳纶纤维与热塑性聚氨酯纤维的混编比例(重量比)为8：1，织物排布选用平纹编织形式。待表面耐老化层铺叠完毕后，将上述混编纤维的二维织物铺叠在中间抗扭曲层表面将其置于模具中，开启压机并将模压压力控制在22MPa，将最终温度提高至混编织物95℃，通过热塑性聚氨酯纤维的热熔完成芳纶纤维增强聚氨酯树脂基体复合材料表面耐老化层的制备。表面耐老化层的模压时间为5分钟。
复合材料风电叶片筋板采用S玻璃纤维与环氧树脂通过模压制备，压制过程的压力控制在30MPa，最终固化温度为133℃，固化时间2小时。
最终复合材料筋板的树脂含量为40％。舟型复合材料叶片与复合材料筋板之间采用特种高强环氧树脂胶接固定，沿着叶片长度方向五等分，将筋板粘接在舟型叶片的凹面位置。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种垂直轴复合材料风电叶片的制备方法，所述垂直轴复合材料风电叶片，包括主体段、边缘段和筋板，边缘段设置于主体段的四周，边缘段和主体段组成舟型结构，筋板横跨舟型结构的凹面部位，连接边缘段相对的两个部位，用于加固风电叶片，其特征在于：具体步骤为：
1)采用无机纤维织物浸渍热固性树脂，分别制备主体段和边缘段的刚性层；
2)将主体段和边缘段的刚性层进行组合，得到刚性层主体；
3)在刚性层主体上下表面分别铺叠采用热塑性纤维与无机纤维混编得到的二维织物，将刚性层埋入混编二维织物的叠层结构中，然后置于方舟型模具中；
4)采用热固性树脂对得到的混编二维织物的叠层结构进行真空浸渍，压制固化成型后制得抗扭曲层；
5)在抗扭曲层的上表面铺叠热塑性热熔纤维与韧性纤维的混编二维织物，通过模压成型，制备耐老化层；
6)采用增强纤维浸渍热固性树脂制备筋板，将筋板固定在舟型叶片上，连接边缘段的相对的两部分，对风电叶片进行加固；
只要可以完成风电叶片的制作，以上步骤可调整。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤4)中，热压固化的真空度为0.06-0.1MPa，压制的压强为5-30MPa。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤5)中，耐老化层的模压时间不超过5min；
或筋板通过胶接的方式固定在风电叶片上，粘结剂为环氧树脂胶。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：刚性层中，无机纤维为MJ40碳纤维、MJ60碳纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维、氮化硼纤维、碳化硼纤维或玄武岩纤维，纤维采用单向排布形式；
或刚性层中，热固性树脂为环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂、热固性聚氨酯树脂或聚酰亚胺树脂；
或刚性层中的树脂含量不超过60％。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：抗扭曲层的织物排布为平纹、斜纹或缎纹，无机纤维与热塑性纤维的重量比为1：1-10：1；
或抗扭曲层中，无机纤维为T300碳纤维、T700碳纤维、T800碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维或芳纶纤维，热塑性纤维为聚氨酯纤维、聚酰胺纤维、聚乙烯纤维或聚丙烯纤维；
或抗扭曲层中，树脂基体为热塑性树脂改性的热固性树脂。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：树脂基体为聚氨酯改性的环氧树脂、酚醛树脂或不饱和聚酯树脂。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：耐老化层中，韧性纤维为高分子量聚乙烯纤维、芳纶纤维或PBO纤维；热塑性热熔纤维为热塑性聚氨酯纤维、聚酰胺纤维、聚乙烯纤维或聚丙烯纤维；
或耐老化层中，韧性纤维与热塑性热熔纤维的混编重量为1：1-10：1，织物排布为平纹、斜纹或缎纹。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述筋板采用增强纤维织物浸渍热固性树脂制备而成；
或筋板中，增强纤维为T300碳纤维、T700碳纤维、T800碳纤维、玻璃纤维或玄武岩纤维，热固性树脂选用环氧树脂、酚醛树脂或不饱和聚酯树脂。
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