專利名稱：一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及風(fēng)力發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片。
背景技術(shù)：
風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，越來(lái)越受到世界各國(guó)的重視，其蘊(yùn)量巨大。目前，利用風(fēng)能進(jìn)行發(fā)電是風(fēng)能利用的一種重要途徑。風(fēng)力發(fā)電的基本原理是將風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，再把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。風(fēng)力發(fā)電所使用的裝置稱為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組大體包括風(fēng)輪、發(fā)電機(jī)和塔筒三部分。風(fēng)輪是把風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的重要部件，它由至少兩只螺旋槳形的風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片組成，當(dāng)風(fēng)吹向風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片時(shí)，葉片上產(chǎn)生氣動(dòng)力驅(qū)動(dòng)風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)。研究表明，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組捕獲風(fēng)能的多少與風(fēng)輪直徑的平方成正比，與風(fēng)速的3次方成正比。如圖1所示，為風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片示意圖，包括蒙皮11、支撐蒙皮的主梁12和腹板13。制作風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的材料一般選用強(qiáng)度高和重量輕的材料，現(xiàn)有技術(shù)中一般采用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制作風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片，常用的增強(qiáng)纖維是玻璃纖維。制作玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料時(shí)，一般采用真空灌注技術(shù)(SCVRIMP)技術(shù)，即先利用薄膜將增強(qiáng)纖維密封于單邊模具上，完全借助于真空將低黏度樹(shù)脂吸入，樹(shù)脂沿著增強(qiáng)纖維的表面快速浸漬，并同時(shí)向增強(qiáng)纖維厚度方向進(jìn)行浸潤(rùn)，樹(shù)脂固化之后便得到纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。然而，隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的不斷發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片正逐步向著大型化的方向發(fā)展。當(dāng)葉片長(zhǎng)度不斷增加時(shí)，對(duì)增強(qiáng)材料的剛度和強(qiáng)度提出了更高的要求，玻璃纖維應(yīng)用到大型復(fù)合材料風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片中時(shí)，由于強(qiáng)度有限，因此已經(jīng)不能滿足未來(lái)的需要；此夕卜，由于玻璃纖維的密度比較大，在大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的使用中也受到的一定的限制。與玻璃纖維相比，碳纖維具有重量輕和強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)，也可以用于制作風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片。但碳纖維的延伸率、抗沖擊性能和斷裂韌性較玻璃纖維差，在極端風(fēng)載下，容易失效；此外，當(dāng)碳纖維的鋪層數(shù)目較多時(shí)，其復(fù)合材料的浸潤(rùn)效果較差，這也會(huì)影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的性能。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的問(wèn)題在于提供一種即具有良好強(qiáng)度又具有良好韌性的風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片。為了解決以上技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片，所述風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片由復(fù)合材料制成，所述復(fù)合材料包括多層纖維層和附著形成在所述多層纖維層上的基體材料；所述纖維層包括碳纖維和玻璃纖維，所述碳纖維和玻璃纖維的體積比為1 4 4 1。優(yōu)選的，所述多層纖維層中的一層纖維層中的碳纖維和玻璃纖維交替排列。優(yōu)選的，所述多層纖維層中相鄰的纖維層中的纖維所成的角度為0° 90°。優(yōu)選的，所述纖維層還包括石墨纖維、芳族聚酰胺纖維、碳化硅纖維、硼纖維、碳化鎢纖維、玄武巖纖維中的一種或多種。
優(yōu)選的，所述復(fù)合材料由預(yù)浸料熱壓成型、真空灌注成型、手湖成型、注射成型、模壓成型、拉擠成型或纏繞成型制成。優(yōu)選的，所述風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片包括蒙皮、支撐所述蒙皮的主梁和腹板，所述蒙皮中的碳纖維和玻璃纖維的體積比為4 1 2 1。優(yōu)選的，所述主梁中的碳纖維和玻璃纖維的體積比為1 4 4 1。優(yōu)選的，所述腹板中的碳纖維和玻璃纖維的體積比為1 3 2 3。優(yōu)選的，所述基體材料為固化后的合成樹(shù)脂。優(yōu)選的，所述合成樹(shù)脂為環(huán)氧樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂、乙烯酯樹(shù)脂、不飽和聚酯樹(shù)脂、雙馬來(lái)酰胺樹(shù)脂、雙馬來(lái)酰胺三嗪樹(shù)脂、氰酸酯樹(shù)脂、苯并噁嗪樹(shù)脂、丙烯酸系樹(shù)脂。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片中的纖維層包括碳纖維和玻璃纖維至少兩種纖維，碳纖維具有強(qiáng)度高和重量輕的優(yōu)點(diǎn)；玻璃纖維具有韌性好的優(yōu)點(diǎn)，而且與樹(shù)脂具有良好的界面浸潤(rùn)性。將該兩種纖維制成纖維層再鋪疊制成風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片后，既能保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片具有很好的拉伸強(qiáng)度，又能夠提高其韌性。此外，由于多層纖維層都含有玻璃纖維，因此可以使纖維層與樹(shù)脂達(dá)到更好的浸潤(rùn)效果，從而提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的剪切強(qiáng)度。因此，本發(fā)明制備的風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片可以滿足更嚴(yán)格的使用要求。
圖1為風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明制備單取向預(yù)浸料的示意圖。
具體實(shí)施例方式為了進(jìn)一步了解本發(fā)明，下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方案進(jìn)行描述，但是應(yīng)當(dāng)理解，這些描述只是為進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的特征和優(yōu)點(diǎn)，而不是對(duì)本發(fā)明權(quán)利要求的限制。本發(fā)明提供一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片，所述風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片由復(fù)合材料制成，所述復(fù)合材料包括多層纖維層和附著形成在所述多層纖維層上的基體材料，所述纖維層包括碳纖維和玻璃纖維，所述碳纖維和玻璃纖維的體積比為1 4 4 1。按照本發(fā)明，所述纖維層中的碳纖維和玻璃纖維的體積比優(yōu)選為1 3 3 1。 本發(fā)明中所述基體材料優(yōu)選為固化后的合成樹(shù)脂。按照本發(fā)明，對(duì)于所述風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片中的纖維的含量，以重量百分比計(jì)優(yōu)選為IOwt % 80wt%，更優(yōu)選為30wt% 75wt%，更優(yōu)選為40wt% 65wt%。本發(fā)明提供的風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片中的纖維層包括碳纖維和玻璃纖維，纖維層中的碳纖維和玻璃纖維優(yōu)選為交替排列的方式。碳纖維具有強(qiáng)度高、重量輕的優(yōu)點(diǎn)，因此可以保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的強(qiáng)度；玻璃纖維具有韌性好的特點(diǎn)，因此可以保證葉片的韌性。此外，由于多層纖維層都含有玻璃纖維，而玻璃纖維與合成樹(shù)脂具有更好的浸潤(rùn)效果，因此可以使纖維層與合成材料達(dá)到更好的浸潤(rùn)效果，從而提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的剪切強(qiáng)度。進(jìn)一步地，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片在極端風(fēng)載下使用時(shí)，即使延伸率較低的部分碳纖維首先破壞，形成分層微裂紋，而高延伸率的玻璃纖維則能夠起到抑制微裂紋延伸的作用， 因此可以提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的使用壽命。
按照本發(fā)明，所述纖維層還可以包括石墨纖維、芳族聚酰胺纖維、碳化硅纖維、氧化鋁纖維、硼纖維、碳化鎢纖維、玄武巖纖維中的一種或多種，優(yōu)選為石墨纖維，可以適當(dāng)提到復(fù)合材料的模量。制備蒙皮時(shí)，所述石墨纖維優(yōu)選替代 5%的體積比的碳纖維； 制備主梁時(shí)，所述石墨纖維優(yōu)選替代2% 8%體積比的碳纖維；制備腹板時(shí)，所述石墨纖維優(yōu)選替代5 8%的體積比的碳纖維。對(duì)于纖維層中的碳纖維的強(qiáng)度，優(yōu)選大于等于 3000MPa,更優(yōu)選大于3500MPa，拉伸模量?jī)?yōu)選大于等于190GPa，更優(yōu)選大于200GPa ；對(duì)于玻璃纖維的強(qiáng)度，優(yōu)選大于2000MPa，更優(yōu)選大于2100MPa，拉伸模量?jī)?yōu)選大于80GPa，更優(yōu)選大于85GPa。對(duì)于作為基體材料的合成樹(shù)脂，可以按照本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的公知常識(shí)根據(jù)材料設(shè)計(jì)要求進(jìn)行選擇，本發(fā)明并無(wú)特別限制。例如，所述合成樹(shù)脂的例子可以為環(huán)氧樹(shù)脂、 酚醛樹(shù)脂、乙烯酯樹(shù)脂、不飽和聚酯樹(shù)脂、雙馬來(lái)酰胺樹(shù)脂、雙馬來(lái)酰胺三嗪樹(shù)脂、氰酸酯樹(shù)月旨、苯并噁嗪樹(shù)脂、丙烯酸系樹(shù)脂，但不限于此。優(yōu)選的，合成樹(shù)脂為環(huán)氧樹(shù)脂、雙馬來(lái)酰亞胺樹(shù)脂、雙馬來(lái)酰亞胺三嗪樹(shù)脂、氰酸酯樹(shù)脂，更優(yōu)選為環(huán)氧樹(shù)脂。按照本發(fā)明，制備所述風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片時(shí)，可以采用本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的多層預(yù)浸料熱壓成型或者真空灌注成型。對(duì)于預(yù)浸料，可以為單向布、平紋布或斜紋布。采用單向布預(yù)浸料熱壓成型時(shí)，先將纖維單向排列，優(yōu)選使玻璃纖維和碳纖維交替排列，然后與樹(shù)脂復(fù)合制成單向預(yù)浸料。制成單向預(yù)浸料之后，將多層單向預(yù)浸料疊加在模具上，模具可以為蒙皮模具、主梁模具或腹板模具。相鄰的單向布中的纖維所成的角度為0° 90°，更優(yōu)選為45° 90°，更優(yōu)選為60° 90°，更優(yōu)選為大體垂直，即按照 0° /90°的方式排列。對(duì)于預(yù)浸料的疊加層數(shù)，本發(fā)明并無(wú)特別的限制，可以按照材料設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求確定。鋪疊預(yù)浸料后，密封在真空密封袋內(nèi)，然后抽真空成型得到蒙皮、主梁和腹板，然后再將蒙皮、主梁和腹板粘接組裝成風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片。在抽真空成型時(shí)，對(duì)于成型溫度，優(yōu)選為 120°C 200°C，更優(yōu)選為140°C 180°C ；對(duì)于成型壓力，優(yōu)選為彡0. 5MPa，更優(yōu)選彡IMPa, 上限最高可以不超過(guò)lOOMPa。按照本發(fā)明，采用真空灌注成型時(shí)，按照材料涉及要求，分別取碳纖維和玻璃纖維交替排列在模具上得到第一纖維層，模具可以為蒙皮模具、主梁模具和腹板模具；然后，按照同樣的排列方式，在所述第一纖維層上鋪疊第二纖維層，第一纖維層和第二纖維層之間的纖維所成角度優(yōu)選為0° 90°，更優(yōu)選為45° 90°，更優(yōu)選為60° 90°，更優(yōu)選為大體垂直。根據(jù)材料設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求鋪疊多層纖維層之后，將鋪疊后的模具放置在真空袋內(nèi)，然后進(jìn)行真空灌注成型。對(duì)于成型溫度，優(yōu)選為120°C 200°C，更優(yōu)選為140°C 1800C ；對(duì)于成型壓力，優(yōu)選為彡0. 5MPa，更優(yōu)選彡IMPa，上限最高可以不超過(guò)lOOMPa。按照本發(fā)明，對(duì)于復(fù)合材料的成型方法，還可以采用本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的手糊成型、注射成型、模壓成型、拉擠成型或纏繞成型等，只要能夠制備包括多個(gè)纖維層的復(fù)合材料均可，優(yōu)選為預(yù)浸料熱壓成型或真空灌注成型，預(yù)浸料熱壓成型具有成型效果好的優(yōu)點(diǎn)，真空灌注成型具有成型效率高的優(yōu)點(diǎn)。另外，對(duì)于制作蒙皮、主梁和腹板時(shí)所使用的模具，優(yōu)選為本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的木制模具或玻璃鋼模具，這樣可以達(dá)到更好的定位精度。按照本發(fā)明，制備風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片中的蒙皮時(shí)，所述玻璃纖維和碳纖維的體積比優(yōu)選為3 1 2 1，更優(yōu)選為2 1。制備風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的主梁時(shí)，所述玻璃纖維和碳纖維的體積比優(yōu)選為1 4 4 1，更優(yōu)選為1 2 2 1，更優(yōu)選為1 1。制備風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的腹板時(shí)，所述玻璃纖維和碳纖維的體積比優(yōu)選為1 3 2 3，更優(yōu)選為 2 4 2 5，更優(yōu)選為1 2。按照本發(fā)明，采用上述方法分別制作蒙皮、主梁和腹板后，可以按照本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的技術(shù)將蒙皮、主梁和腹板采用結(jié)構(gòu)膠粘結(jié)在一起包邊處理后得到風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片，常用的結(jié)構(gòu)膠可以為環(huán)氧樹(shù)脂。以下以具體實(shí)施例說(shuō)明本發(fā)明的效果，但是本發(fā)明的保護(hù)范圍不受以下實(shí)施例的限制。以下實(shí)施例和比較例中，使用的原料如下碳纖維強(qiáng)度為3. 5GPa,拉伸模量為210GPa，纖維直徑為20 μ m ；玻璃纖維強(qiáng)度為3. IGPa,拉伸模量為95GPa，纖維直徑為7 μ m ；石墨纖維由所述碳纖維在2500°C炭化4小時(shí)后得到，模量為550GPa ；樹(shù)脂環(huán)氧樹(shù)脂AG-80 ；乙烯基樹(shù)脂亞仕蘭D601-200。本發(fā)明中，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度按照ASTM3039標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試，剪切強(qiáng)度按照 ASTM3518標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量V型缺口梁剪切強(qiáng)度，彎曲強(qiáng)度按照ASTMD790測(cè)量三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度。實(shí)施例1請(qǐng)參見(jiàn)圖2，將碳纖維21與玻璃纖維22按照體積比為1 1的比例交替單向排列，然后浸漬環(huán)氧樹(shù)脂，固化后得到面密度為125g/m2的單取向預(yù)浸料，纖維總量與環(huán)氧樹(shù)脂按重量比為70 30。測(cè)量復(fù)合材料板的拉伸強(qiáng)度為2500MPa、彎曲強(qiáng)度為1890MPa、剪切強(qiáng)度為51MPa。取18層預(yù)浸料按照表1的鋪層順序以及0°的方式鋪疊后在主梁模具上抽真空熱壓成型，成型溫度為180°C，成型壓力為lOMPa，得到主梁。表1某型號(hào)葉片主梁鋪層方式
權(quán)利要求
1.一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片，其特征在于，所述風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片由復(fù)合材料制成，所述復(fù)合材料包括多層纖維層和附著形成在所述多層纖維層上的基體材料；所述纖維層包括碳纖維和玻璃纖維，所述碳纖維和玻璃纖維的體積比為1 4 4 1。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片，其特征在于，所述多層纖維層中的一層纖維層中的碳纖維和玻璃纖維交替排列。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片，其特征在于，所述多層纖維層中相鄰的纖維層中的纖維所成的角度為0° 90°。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片，其特征在于，所述纖維層還包括石墨纖維、 芳族聚酰胺纖維、碳化硅纖維、硼纖維、碳化鎢纖維、玄武巖纖維中的一種或多種。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片，其特征在于，所述復(fù)合材料由預(yù)浸料熱壓成型、真空灌注成型、手糊成型、注射成型、模壓成型、拉擠成型或纏繞成型制成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5任一項(xiàng)所述的風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片，其特征在于，所述風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片包括蒙皮、支撐所述蒙皮的主梁和腹板，所述蒙皮中的碳纖維和玻璃纖維的體積比為 4 1 2 1。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片，其特征在于，所述主梁中的碳纖維和玻璃纖維的體積比為1 4 4 1。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片，其特征在于，所述腹板中的碳纖維和玻璃纖維的體積比為1 3 2 3。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至5任一項(xiàng)所述的風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片，其特征在于，所述基體材料為固化后的合成樹(shù)脂。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片，其特征在于，所述合成樹(shù)脂為環(huán)氧樹(shù)脂、 酚醛樹(shù)脂、乙烯酯樹(shù)脂、不飽和聚酯樹(shù)脂、雙馬來(lái)酰胺樹(shù)脂、雙馬來(lái)酰胺三嗪樹(shù)脂、氰酸酯樹(shù)月旨、苯并噁嗪樹(shù)脂、丙烯酸系樹(shù)脂。
全文摘要
本發(fā)明提供一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片，所述風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片由復(fù)合材料制成，所述復(fù)合材料包括多層纖維層和附著形成在所述多層纖維層上的基體材料；所述纖維層包括碳纖維和玻璃纖維，所述碳纖維和玻璃纖維的體積比為1∶4～4∶1。本發(fā)明提供的風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片中的纖維層包括碳纖維和玻璃纖維至少兩種纖維，碳纖維具有強(qiáng)度高和重量輕的優(yōu)點(diǎn)；玻璃纖維具有韌性好的優(yōu)點(diǎn)，而且與樹(shù)脂具有良好的界面浸潤(rùn)性。本發(fā)明將玻璃纖維和碳纖維制成纖維層再鋪疊制成風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片后，既能保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片具有很好的拉伸強(qiáng)度，又能夠提高其韌性，而且由于多層纖維層都含有玻璃纖維，因此可以使纖維層與樹(shù)脂達(dá)到更好的浸潤(rùn)效果，從而提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的剪切強(qiáng)度。
文檔編號(hào)B32B27/12GK102465844SQ20101053299
公開(kāi)日2012年5月23日 申請(qǐng)日期2010年11月4日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月4日
發(fā)明者劉蘭, 杜志全, 楊文濤, 韓新月 申請(qǐng)人:三一電氣有限責(zé)任公司