專利名稱：風(fēng)機(jī)葉片用碳纖維復(fù)合材料主梁帽的制造方法及制造裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種風(fēng)機(jī)葉片用碳纖維復(fù)合材料主梁帽制造方法及裝置，屬于風(fēng)機(jī)葉片技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
復(fù)合材料風(fēng)機(jī)葉片是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的性能。目前，大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片大多數(shù)采用分部成型而后組裝的方式制造，其復(fù)合材料葉片典型工藝制造過(guò)程為先在專用模具上成型主梁帽、剪切腹板及其他中小部件，然后將成型加工好的主梁帽和增強(qiáng)織物、輕質(zhì)芯材等分別放置在兩個(gè)殼體成型陰模(主模具)上經(jīng)樹(shù)脂復(fù)合成葉片外殼體，接著在主模具上把成型加工好的兩個(gè)葉片外殼體、剪切腹板及其它部件膠接組裝在一起，合模加壓加熱固化后制成整體葉片。其中層壓到葉片殼體內(nèi)表面上的主梁帽是葉片主要的承力部件，通常沿著風(fēng)機(jī)葉片的縱向長(zhǎng)度延伸，其設(shè)計(jì)和制造質(zhì)量水平十分重要，其典型結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)圖I所示。
近年來(lái)，隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)向大功率和/或低速風(fēng)場(chǎng)方向發(fā)展，風(fēng)機(jī)葉片長(zhǎng)度不斷增長(zhǎng)，碳纖維復(fù)合材料風(fēng)機(jī)葉片已是必然選擇。目前已有技術(shù)中，碳纖維在復(fù)合材料風(fēng)機(jī)葉片上的應(yīng)用主要是在主梁帽結(jié)構(gòu)件上，如US 5617807 (A)、CN 101749173A、CN 101539116A、 US 2010104447 (Al)、CN 102465826 等。
目前，玻璃纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料主梁帽的成型工藝主要包括真空吸附工藝 (vacuum resin infusion)和預(yù)浸料工藝(prepreg molding)。其中，大多數(shù)葉片制造商普遍采用真空吸附工藝，VESTAS和GAMESA等少數(shù)廠家則采用熱熔法預(yù)浸料工藝。
由于碳纖維比玻璃纖維更細(xì)、表面積更大，很難有效浸潰，對(duì)液體成型工藝要求較高，已有技術(shù)中，碳纖維復(fù)合材料主梁帽一般采用成本較高(如低溫儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)?的預(yù)浸料工藝來(lái)制造，如CN 101526070A等。盡管CN 101749173A中簡(jiǎn)單提及了碳纖維復(fù)合材料主梁帽可以采用預(yù)浸料工藝或樹(shù)脂注入工藝制造，US 2010104447 (Al)在闡述碳纖維-玻璃纖維混雜增強(qiáng)的主梁帽時(shí)也簡(jiǎn)要提及到了包括碳纖維/玻璃纖維混雜織物，但上述專利均未提及具體的技術(shù)方案和解決效果。基于尋求預(yù)浸料的替代方法之目的，一些單位開(kāi)展了碳纖維復(fù)合材料主梁帽液體成型技術(shù)的相關(guān)研究3TEX公司開(kāi)發(fā)了一種碳纖維/玻璃纖維三維混雜結(jié)構(gòu)的UniGirderTM單軸向織物，嘗試用于風(fēng)電葉片主梁的設(shè)計(jì)，結(jié)果表明該織物具有樹(shù)脂灌注速度快，不易產(chǎn)生干斑等特性；GEC(全球能源概念公司)和TPI公司也聯(lián)合探索開(kāi)展并初步評(píng)估了采用碳纖維縫編單向織物和碳纖維/玻璃纖維混雜三軸向織物及其灌注工藝制備主梁帽的相關(guān)研究。上述研究結(jié)果表明，雖然采用特殊的碳纖維縫編織物，采用傳統(tǒng)的真空吸附/灌注工藝，樹(shù)脂容易灌注，但緊密度較差，其復(fù)合材料的纖維體積分?jǐn)?shù)(Vf)小于45%，性能受到限制，尤其是壓縮強(qiáng)度較差。而傳統(tǒng)預(yù)浸料工藝制備的復(fù)合材料則有近60%的纖維體積分?jǐn)?shù)，性能明顯較優(yōu)。因此，現(xiàn)實(shí)中，與玻璃纖維織物增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料主梁帽及其真空吸附工藝的成熟性和廣泛應(yīng)用相比較，碳纖維織物增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料主梁帽及其真空吸附工藝還仍是一個(gè)有待解決的難題，還沒(méi)能真正得到應(yīng)用和推廣。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，提供一種風(fēng)機(jī)葉片用碳纖維復(fù)合材料主梁帽的制造方法，該方法不僅有效提高復(fù)合材料主梁帽中纖維緊密度和碳纖維體積含量，同時(shí)還有效促進(jìn)和改善了樹(shù)脂對(duì)碳纖維的浸潰效果，在提高碳纖維織物增強(qiáng)復(fù)合材料主梁帽的主要力學(xué)性能的同時(shí)，使產(chǎn)品綜合性能更為優(yōu)越。
本發(fā)明的另外一個(gè)目的在于提供一種風(fēng)機(jī)葉片用碳纖維復(fù)合材料主梁帽的制造>J-U ρ α裝直。
本發(fā)明的上述目的主要是通過(guò)如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)的
風(fēng)機(jī)葉片用碳纖維復(fù)合材料主梁帽的制造裝置，包括成型模具底板、帶有氣嘴的氣囊結(jié)構(gòu)裝置、上蓋板及連接部件，其中成型模具底板通過(guò)連接部件與上蓋板連接，形成一個(gè)封閉結(jié)構(gòu)，成型模具底板上開(kāi)有樹(shù)脂進(jìn)膠口和抽氣口，上蓋板上開(kāi)有通孔，氣囊結(jié)構(gòu)裝置上的氣嘴穿過(guò)所述通孔，將上蓋板與氣囊結(jié)構(gòu)裝置連接固定，在成型模具底板與氣囊結(jié)構(gòu)裝置之間形成型腔，用于主梁帽的成型。
在上述風(fēng)機(jī)葉片用碳纖維復(fù)合材料主梁帽的制造裝置中，連接部件為緊固螺栓、 緊固螺釘或卡蘭。
在上述風(fēng)機(jī)葉片用碳纖維復(fù)合材料主梁帽的制造裝置中，成型模具底板包括單面模具型面、型面支撐結(jié)構(gòu)、模具加熱系統(tǒng)和保溫系統(tǒng)，其中型面支撐結(jié)構(gòu)、模具加熱系統(tǒng)和保溫系統(tǒng)均位于單面模具型面的底部，樹(shù)脂進(jìn)膠口和抽氣口設(shè)置在單面模具型面上。
風(fēng)機(jī)葉片用碳纖維復(fù)合材料主梁帽的制造方法，采用上述制造裝置進(jìn)行主梁帽的制造，具體包括如下步驟
(I)在成型模具底板上鋪放制備主梁帽的碳纖維織物，之后將樹(shù)脂進(jìn)膠管放入樹(shù)脂進(jìn)膠口內(nèi)，將抽氣管放入抽氣口內(nèi)，之后鋪放工藝輔助材料，最后用密封條進(jìn)行密封；
(2)將樹(shù)脂通過(guò)樹(shù)脂進(jìn)膠管注入到碳纖維織物上，在真空壓力條件下，使樹(shù)脂完全浸潰碳纖維織物；
(3)合上帶有氣嘴的氣囊結(jié)構(gòu)裝置和上蓋板，使氣嘴穿過(guò)上蓋板上的通孔，將氣囊結(jié)構(gòu)裝置和上蓋板進(jìn)行固定，之后采用連接部件將上蓋板與成型模具底板連接，向氣嘴內(nèi)注入惰性氣體直至達(dá)到要求壓力；
(4)開(kāi)啟成型模具底板底部的模具加熱系統(tǒng)和保溫系統(tǒng)，進(jìn)行加熱固化；
(5)固化完成后，通過(guò)氣嘴卸壓，揭開(kāi)上蓋板自然降溫，之后脫模去除工藝輔助材料，得到碳纖維復(fù)合材料主梁帽。
在上述風(fēng)機(jī)葉片用碳纖維復(fù)合材料主梁帽的制造方法中，步驟(I)中鋪放的工藝輔助材料包括脫模布、導(dǎo)流網(wǎng)和真空袋薄膜。
在上述風(fēng)機(jī)葉片用碳纖維復(fù)合材料主梁帽的制造方法中，步驟(I)中向氣嘴內(nèi)注入的惰性氣體為氮?dú)饣驓鍤狻?br> 在上述風(fēng)機(jī)葉片用碳纖維復(fù)合材料主梁帽的制造方法中，步驟(2)中通過(guò)樹(shù)脂進(jìn)膠管注入到碳纖維織物上的樹(shù)脂為乙烯基樹(shù)脂、聚酯樹(shù)脂、環(huán)氧樹(shù)脂或聚氨酯樹(shù)脂。
在上述風(fēng)機(jī)葉片用碳纖維復(fù)合材料主梁帽的制造方法中，碳纖維織物為碳纖維縫編織物、碳纖維經(jīng)編織物、碳纖維/玻璃纖維混編織物或碳纖維機(jī)織物。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下有益效果
(I)本發(fā)明創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)了由成型模具底板、帶有氣嘴的氣囊結(jié)構(gòu)裝置和上蓋板組成的主梁帽制造裝置，并采用該制造裝置進(jìn)行主梁帽的制備，通過(guò)在真空吸附工藝固化過(guò)程中采用氣囊施壓方式，大幅度提高了主梁帽的纖維緊密度和纖維體積含量，同時(shí)，進(jìn)一步促進(jìn)了樹(shù)脂體系對(duì)碳纖維織物中絲束內(nèi)部的完全浸潰透，從而獲得高質(zhì)量的碳纖維織物增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料主梁帽。
(2)本發(fā)明制造主梁帽的裝置與方法相結(jié)合，具有簡(jiǎn)捷方便可靠、成本適中的特點(diǎn)，不僅有效提高復(fù)合材料主梁帽中纖維緊密度和碳纖維體積含量，同時(shí)還有效促進(jìn)和改善了樹(shù)脂對(duì)碳纖維的浸潰效果，在提高碳纖維織物增強(qiáng)復(fù)合材料主梁帽的主要力學(xué)性能的同時(shí)，使產(chǎn)品綜合性能更為優(yōu)越。
(3)本發(fā)明從樹(shù)脂體系在碳纖維絲束之間的滲透和樹(shù)脂體系在碳纖維絲束內(nèi)部的浸潰等兩方面出發(fā)，從而最大限度地保證碳纖維主梁帽的樹(shù)脂浸潰工藝的質(zhì)量和效果；
(4)本發(fā)明主梁帽制備工藝質(zhì)量高，實(shí)施性好，工藝簡(jiǎn)單、操作方便，可以提供高質(zhì)量的風(fēng)機(jī)葉片用碳纖維主梁帽，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。


圖I為本發(fā)明碳纖維復(fù)合材料主梁帽及其在葉片中的結(jié)構(gòu)示意圖2為本發(fā)明碳纖維織物增強(qiáng)復(fù)合材料主梁帽的制造裝置示意圖3為采用本發(fā)明主梁帽制造裝置的工藝實(shí)施示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述
碳纖維復(fù)合材料主梁帽是碳纖維復(fù)合材料風(fēng)機(jī)葉片中一類最重要的支撐結(jié)構(gòu)，其制造質(zhì)量及結(jié)構(gòu)性能直接影響到葉片的安全性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性。如圖I所示為本發(fā)明碳纖維復(fù)合材料主梁帽及其在葉片中的結(jié)構(gòu)示意圖；其中圖IA為本發(fā)明碳纖維復(fù)合材料主梁帽示意圖，圖IB為本發(fā)明碳纖維復(fù)合材料主梁帽在葉片中的結(jié)構(gòu)示意圖。
如圖2所示為本發(fā)明碳纖維織物增強(qiáng)復(fù)合材料主梁帽的制造裝置示意圖，由圖可知碳纖維復(fù)合材料主梁帽的制造裝置包括成型模具底板7、帶有氣嘴16的氣囊結(jié)構(gòu)裝置 15、上蓋板17及連接部件18，其中成型模具底板7通過(guò)連接部件18與上蓋板17連接，形成一個(gè)封閉結(jié)構(gòu)，成型模具底板7包括單面模具型面、型面支撐結(jié)構(gòu)、模具加熱系統(tǒng)和保溫系統(tǒng)，其中型面支撐結(jié)構(gòu)位于單面模具型面的底部起支撐作用，模具加熱系統(tǒng)和保溫系統(tǒng)也位于單面模具型面的底部(圖2中未給出型面支撐結(jié)構(gòu)、模具加熱系統(tǒng)和保溫系統(tǒng)的圖示)，樹(shù)脂進(jìn)膠口 9和抽氣口 10設(shè)置在單面模具型面上。
上蓋板17上開(kāi)有通孔，氣囊結(jié)構(gòu)裝置15上的氣嘴16穿過(guò)該通孔，并將上蓋板17 與氣囊結(jié)構(gòu)裝置15連接固定，在成型模具底板7與氣囊結(jié)構(gòu)裝置15之間形成型腔19，用于主梁帽的成型。連接部件18可以選擇緊固螺栓、緊固螺釘或卡蘭。
采用上述制造裝置進(jìn)行碳纖維復(fù)合材料主梁帽的制備，具體步驟如下
(I)如圖3所示為采用本發(fā)明主梁帽制造裝置的工藝實(shí)施示意圖，首先將成型模具底板7清理干凈，然后涂上脫模劑，按照設(shè)計(jì)規(guī)格、尺寸和層數(shù)等要求裁剪鋪放碳纖維織物8，碳纖維織物8可以為碳纖維縫編織物、碳纖維經(jīng)編織物、碳纖維/玻璃纖維混編織物或碳纖維機(jī)織物。之后將樹(shù)脂進(jìn)膠管放入成型模具底板7的樹(shù)脂進(jìn)膠口 9內(nèi)，將抽氣管放入成型模具底板7的抽氣口 10內(nèi)，之后在碳纖維織物8、樹(shù)脂進(jìn)膠管和抽氣管上整體鋪放工藝輔助材料，工藝輔助材料及鋪放順序依次為脫模布11、導(dǎo)流網(wǎng)13和真空袋薄膜14 (由下向上)。此外導(dǎo)流網(wǎng)13和脫模布11也可以鋪放在碳纖維織物層下面。最后用密封條12 對(duì)真空袋薄膜14進(jìn)行密封，形成密閉系統(tǒng)；
(2)將樹(shù)脂通過(guò)樹(shù)脂進(jìn)膠管注入到碳纖維織物8上，在真空壓力條件下，使樹(shù)脂完全浸潰碳纖維織物8。樹(shù)脂可以為乙烯基樹(shù)脂、聚酯樹(shù)脂、環(huán)氧樹(shù)脂或聚氨酯樹(shù)脂。
(3)合上帶有氣嘴16的氣囊結(jié)構(gòu)裝置15和上蓋板17，使氣嘴16穿過(guò)上蓋板17 上的通孔，將氣囊結(jié)構(gòu)裝置15和上蓋板17進(jìn)行固定，之后采用連接部件18將上蓋板17與成型模具底板7連接鎖緊，向氣嘴16內(nèi)注入惰性氣體直至達(dá)到要求壓力，注入的惰性氣體可以為氮?dú)饣驓鍤狻?br> (4)保持壓力的情況下，開(kāi)啟成型模具底板7底部的模具加熱系統(tǒng)和保溫系統(tǒng)，進(jìn)行加熱固化。
(5)固化完成后，通過(guò)氣嘴16卸壓，揭開(kāi)上蓋板17自然降溫，之后脫模去除工藝輔助材料，如有必要進(jìn)行加工后即得到碳纖維復(fù)合材料主梁帽。
本發(fā)明從樹(shù)脂體系在碳纖維絲束之間的滲透和樹(shù)脂體系在碳纖維絲束內(nèi)部的浸潰等兩方面出發(fā)，從而最大限度地保證碳纖維主梁帽的樹(shù)脂浸潰工藝的質(zhì)量和效果。具體而言就是，在選擇樹(shù)脂滲透性能優(yōu)異的碳纖維縫編織物等作為增強(qiáng)材料，有效解決碳纖維織物中絲束之間的樹(shù)脂浸透的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步通過(guò)在真空吸附工藝固化過(guò)程中采用氣囊施壓方式，大幅度提高了主梁帽的纖維緊密度和纖維體積含量，同時(shí)，進(jìn)一步促進(jìn)了樹(shù)脂體系對(duì)碳纖維織物中絲束內(nèi)部的完全浸潰透，從而獲得高質(zhì)量的碳纖維織物增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料主梁帽。
以上所述，僅為本發(fā)明最佳的具體實(shí)施方式
，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此， 任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換， 都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
本發(fā)明說(shuō)明書(shū)中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員的公知技術(shù)。
權(quán)利要求
1.風(fēng)機(jī)葉片用碳纖維復(fù)合材料主梁帽的制造裝置，其特征在于包括成型模具底板(7)、帶有氣嘴(16)的氣囊結(jié)構(gòu)裝置(15)、上蓋板(17)及連接部件(18)，其中成型模具底板(7)通過(guò)連接部件(18)與上蓋板(17)連接，形成一個(gè)封閉結(jié)構(gòu)，成型模具底板(7)上開(kāi)有樹(shù)脂進(jìn)膠口(9)和抽氣口(10)，上蓋板(17)上開(kāi)有通孔，氣囊結(jié)構(gòu)裝置(15)上的氣嘴(16)穿過(guò)所述通孔，將上蓋板(17)與氣囊結(jié)構(gòu)裝置(15)連接固定，在成型模具底板(7)與氣囊結(jié)構(gòu)裝置(15)之間形成型腔(19)，用于主梁帽的成型。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的風(fēng)機(jī)葉片用碳纖維復(fù)合材料主梁帽的制造裝置，其特征在于所述連接部件(18)為緊固螺栓、緊固螺釘或卡蘭。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的風(fēng)機(jī)葉片用碳纖維復(fù)合材料主梁帽的制造裝置，其特征在于所述成型模具底板(7)包括單面模具型面、型面支撐結(jié)構(gòu)、模具加熱系統(tǒng)和保溫系統(tǒng)，其中型面支撐結(jié)構(gòu)、模具加熱系統(tǒng)和保溫系統(tǒng)均位于單面模具型面的底部，樹(shù)脂進(jìn)膠口(9)和抽氣口(10)設(shè)置在單面模具型面上。
4.風(fēng)機(jī)葉片用碳纖維復(fù)合材料主梁帽的制造方法，其特征在于采用權(quán)利要求I所述的制造裝置進(jìn)行主梁帽的制造，具體包括如下步驟 (1)在成型模具底板(7)上鋪放制備主梁帽的碳纖維織物(8)，之后將樹(shù)脂進(jìn)膠管放入樹(shù)脂進(jìn)膠口(9)內(nèi)，將抽氣管放入抽氣口(10)內(nèi)，之后鋪放工藝輔助材料，最后用密封條(12)進(jìn)行密封； (2)將樹(shù)脂通過(guò)樹(shù)脂進(jìn)膠管注入到碳纖維織物(8)上，在真空壓力條件下，使樹(shù)脂完全浸潰碳纖維織物(8)； (3)合上帶有氣嘴(16)的氣囊結(jié)構(gòu)裝置(15)和上蓋板(17)，使氣嘴(16)穿過(guò)上蓋板(17)上的通孔，將氣囊結(jié)構(gòu)裝置(15)和上蓋板(17)進(jìn)行固定，之后采用連接部件(18)將上蓋板(17)與成型模具底板(7)連接，向氣嘴(16)內(nèi)注入惰性氣體直至達(dá)到要求壓力； (4)開(kāi)啟成型模具底板(7)底部的模具加熱系統(tǒng)和保溫系統(tǒng)，進(jìn)行加熱固化。
(5)固化完成后，通過(guò)氣嘴(16)卸壓，揭開(kāi)上蓋板(17)自然降溫，之后脫模去除工藝輔助材料，得到碳纖維復(fù)合材料主梁帽。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的風(fēng)機(jī)葉片用碳纖維復(fù)合材料主梁帽的制造方法，其特征在于所述步驟(I)中鋪放的工藝輔助材料包括脫模布(11)、導(dǎo)流網(wǎng)(13)和真空袋薄膜(14)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的風(fēng)機(jī)葉片用碳纖維復(fù)合材料主梁帽的制造方法，其特征在于所述步驟⑴中向氣嘴(16)內(nèi)注入的惰性氣體為氮?dú)饣驓鍤狻?br> 7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的風(fēng)機(jī)葉片用碳纖維復(fù)合材料主梁帽的制造方法，其特征在于所述步驟(2)中通過(guò)樹(shù)脂進(jìn)膠管注入到碳纖維織物(8)上的樹(shù)脂為乙烯基樹(shù)脂、聚酯樹(shù)月旨、環(huán)氧樹(shù)脂或聚氨酯樹(shù)脂。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的風(fēng)機(jī)葉片用碳纖維復(fù)合材料主梁帽的制造方法，其特征在于所述碳纖維織物(8)為碳纖維縫編織物、碳纖維經(jīng)編織物、碳纖維/玻璃纖維混編織物或碳纖維機(jī)織物。
全文摘要
本發(fā)明涉及風(fēng)機(jī)葉片用碳纖維復(fù)合材料主梁帽的制造方法及制造裝置，該制造裝置由成型模具底板，帶氣嘴的氣囊結(jié)構(gòu)裝置，和上蓋板及連接部件等組成，采用該制造裝置進(jìn)行主梁帽的制備，通過(guò)在真空吸附工藝固化過(guò)程中采用氣囊施壓方式，大幅度提高了主梁帽的纖維緊密度和纖維體積含量，同時(shí)，進(jìn)一步促進(jìn)了樹(shù)脂體系對(duì)碳纖維織物中絲束內(nèi)部的完全浸漬透，從而獲得高質(zhì)量的碳纖維織物增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料主梁帽，此外本發(fā)明制造主梁帽的裝置與方法相結(jié)合，還具有簡(jiǎn)捷方便可靠、成本適中的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)B29C70/34GK102975374SQ201210378148
公開(kāi)日2013年3月20日 申請(qǐng)日期2012年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月29日
發(fā)明者顏鴻斌, 李迪克, 高陽(yáng), 王健 申請(qǐng)人:航天材料及工藝研究所, 中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院