專(zhuān)利名稱(chēng)：大型復(fù)合材料風(fēng)電葉片及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種風(fēng)電葉片及其制備方法，尤其涉及一種用復(fù)合材料制備的風(fēng)電葉
片及其制備方法。
背景技術(shù)：
隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片設(shè)計(jì)技術(shù)的提高，大型化和輕量化已成為復(fù)合材料風(fēng)電葉片 發(fā)展的重要趨勢(shì)。目前大型復(fù)合材料風(fēng)電葉片主要是以玻璃纖維作為增強(qiáng)材料，然而葉片 大型化發(fā)展對(duì)葉片強(qiáng)度、剛度的要求越來(lái)越高，葉片長(zhǎng)度和自重也越來(lái)越大，以至玻璃纖維 難以承受。根據(jù)對(duì)玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(GFRP，Glass Fiber Reinforced Polymer)葉片 的分析，其強(qiáng)度和剛度所能承受的葉片臨界長(zhǎng)度目前約為60m。基于葉片大型化發(fā)展的要 求，為了能有效增加葉片臨界長(zhǎng)度，保證葉片在極端風(fēng)載下葉尖不碰觸塔架，需要對(duì)葉片進(jìn) 行改進(jìn)，以使得葉片具有足夠的強(qiáng)度和剛度。其中，對(duì)葉片材料進(jìn)行改進(jìn)是一種較為可行的 途徑。 此外，大型復(fù)合材料風(fēng)電葉片的應(yīng)用還面臨一個(gè)技術(shù)問(wèn)題，S卩如何對(duì)厚截面、大尺 寸風(fēng)電葉片構(gòu)件的制備工藝進(jìn)行優(yōu)化，現(xiàn)有的風(fēng)電葉片制備工藝多采用預(yù)浸料濕法成型工 藝，不僅制備周期長(zhǎng)、效率低，而且質(zhì)量穩(wěn)定性較差，此外需要預(yù)浸機(jī)等專(zhuān)用設(shè)備，成本高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種質(zhì)量輕巧、臨界長(zhǎng)度 延長(zhǎng)、力學(xué)性能優(yōu)異的大型復(fù)合材料風(fēng)電葉片，還提供一種工藝簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)、成本低的 該復(fù)合材料風(fēng)電葉片的制備方法。 為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提出的技術(shù)方案為一種大型復(fù)合材料風(fēng)電葉片，所 述風(fēng)電葉片包括吸力面殼體、壓力面殼體和固接于兩殼體之間的剪切腹板，所述吸力面殼 體、壓力面殼體均為蒙皮包覆芯材的夾芯型構(gòu)件，所述芯材包括葉片的主承力梁、葉片的翼 緣加強(qiáng)部和位于主承力梁與翼緣加強(qiáng)部之間的填充材料，其特征在于所述主承力梁和翼 緣加強(qiáng)部均是以碳纖維/玻璃纖維混雜作為增強(qiáng)材料。 碳纖維是一種性能優(yōu)異的高性能增強(qiáng)材料，廣泛應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域。碳纖維 比強(qiáng)度和比模量高，對(duì)于發(fā)展輕質(zhì)、高強(qiáng)及大型復(fù)合材料風(fēng)電葉片是一種理想材料，但其高 昂的價(jià)格極大制約了碳纖維在風(fēng)電葉片領(lǐng)域的應(yīng)用。為了減輕大型化風(fēng)電葉片的質(zhì)量，同 時(shí)滿(mǎn)足葉片的強(qiáng)度與剛度要求，還要克服成本制約的問(wèn)題，上述技術(shù)方案采用了一種新型 的增強(qiáng)材料體系，即將所述碳纖維/玻璃纖維混雜材料引入到風(fēng)電葉片領(lǐng)域，具體是將該 混雜材料用作復(fù)合材料風(fēng)電葉片主承力梁和翼緣加強(qiáng)部的增強(qiáng)材料，由于碳纖維增強(qiáng)復(fù)合 材料(CFRP， CarbonFiber Reinforced Polymer)的比強(qiáng)度(強(qiáng)度/密度)大約是GFRP的 2倍，比模量(模量/密度)約是GFRP的3倍，因此采用碳纖維/玻璃纖維混雜材料制作風(fēng) 電葉片不僅能充分發(fā)揮碳纖維高彈輕質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)，大大提高葉片的剛度和強(qiáng)度，增加葉片的 臨界長(zhǎng)度，而且價(jià)格比采用純碳纖維作為增強(qiáng)材料要大大降低，更有利于碳纖維在風(fēng)電葉片領(lǐng)域的推廣和應(yīng)用。 上述技術(shù)方案的主承力梁增強(qiáng)材料(碳纖維/玻璃纖維混雜)中，所述碳纖維與
玻璃纖維的體積比優(yōu)選為7 : 3 9 : i，即碳纖維相對(duì)體積分?jǐn)?shù)(碳纖維體積與碳纖維
體積加玻纖體積之和的比值)為70% 90%。理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，碳纖維相對(duì)體積分?jǐn)?shù) 為70% 90%的碳纖維/玻璃纖維混雜增強(qiáng)主承力梁的強(qiáng)度比純玻璃纖維增強(qiáng)主承力梁 的強(qiáng)度提高40% 60%，模量提高100% 130%，因此無(wú)需使用全碳纖維增強(qiáng)主承力梁就
能夠充分滿(mǎn)足風(fēng)電葉片主承力梁承載的要求。加入相對(duì)體積分?jǐn)?shù)為10% 30%的玻璃纖 維作為主承力梁增強(qiáng)材料，一方面是為降低成本，但更重要的是原因是為了增加主承力梁
的韌性和斷裂應(yīng)變因?yàn)樘祭w維脆性高，CFRP斷裂應(yīng)變小，為了防止主承力梁在極限風(fēng)載 下的脆性斷裂，加入相對(duì)體積分?jǐn)?shù)10% 30%的玻璃纖維能夠有效提高主承力梁的韌性 和斷裂應(yīng)變。此外，玻璃纖維的浸漬性能優(yōu)于碳纖維，玻璃纖維的加入能夠提高樹(shù)脂膠液浸 漬厚截面主承力梁的速度。 上述技術(shù)方案的翼緣加強(qiáng)部增強(qiáng)材料(碳纖維/玻璃纖維混雜)中，所述碳纖維 與玻璃纖維體積比優(yōu)選為l : 9 3 : 7，即碳纖維的相對(duì)體積分?jǐn)?shù)為10% 30%?，F(xiàn)有的 葉片翼緣加強(qiáng)部是以純GFRP取代泡沫夾芯，目的就是為了提高翼緣的剛度，防止葉片在運(yùn) 輸、裝機(jī)和運(yùn)行過(guò)程中葉片翼緣遭到破壞從而影響葉片的整體氣動(dòng)外形和發(fā)電效率。但對(duì) 于超大型葉片而言，純GFRP翼緣的剛度可能難以滿(mǎn)足要求，因此本發(fā)明采用碳纖維/玻璃 纖維混雜的形式來(lái)提高翼緣剛度。我們的研究和實(shí)驗(yàn)表明，碳纖維相對(duì)體積分?jǐn)?shù)為10% 30%的碳纖維/玻璃纖維混雜材料的模量比純GFRP的模量提高30% 60%，由于翼緣并 非主承力部件，模量提高30% 60%足以滿(mǎn)足要求，同時(shí)考慮到成本問(wèn)題，無(wú)需采用全碳 纖維增強(qiáng)的形式。 上述技術(shù)方案中，所述碳纖維可以是各種形態(tài)的碳纖維，但優(yōu)選采用連續(xù)纖維編 織的碳纖維布；所述玻璃纖維可以是各種形態(tài)的玻璃纖維，但優(yōu)選連續(xù)纖維編織的玻璃纖 維布。所述碳纖維/玻璃纖維混雜優(yōu)選是由碳纖維預(yù)成型體和玻璃纖維預(yù)成型體組合而 成，所述碳纖維預(yù)成型體是指多層碳纖維布鋪覆而成的碳纖維布鋪層體，所述玻璃纖維預(yù) 成型體是指多層玻璃纖維布鋪覆而成的玻璃纖維布鋪層體。之所以?xún)?yōu)選連續(xù)纖維編織的二 維纖維布作為增強(qiáng)材料，是因?yàn)槎S纖維布便于鋪放和調(diào)整，且人工成本低，特別適合于在 厚度隨形狀變化的大型復(fù)合材料風(fēng)電葉片中進(jìn)行應(yīng)用。 上述技術(shù)方案中，所述碳纖維/玻璃纖維混雜為上、下夾層夾持中間芯層的三明 治式夾芯混雜。在所述主承力梁和翼緣加強(qiáng)部中，該三明治式夾芯混雜結(jié)構(gòu)因夾層和芯層 材料不同而具有不同的表現(xiàn)形式；在所述主承力梁中，該上、下夾層均為碳纖維預(yù)成型體， 中間芯層為玻璃纖維預(yù)成型體，從而形成上、下碳纖維預(yù)成型體夾層夾持中間玻璃纖維預(yù) 成型體芯層的結(jié)構(gòu)(參見(jiàn)附圖6);而在所述翼緣加強(qiáng)部中，上、下夾層均為玻璃纖維預(yù)成型 體，中間芯層為碳纖維預(yù)成型體，從而形成上、下玻璃纖維預(yù)成型體夾層夾持中間碳纖維預(yù) 成型體芯層的結(jié)構(gòu)(參見(jiàn)附圖7)。所述三明治式夾芯混雜結(jié)構(gòu)中，上夾層、中間芯層、下夾 層的體積比優(yōu)選為3 : 2 : 3。在主承力梁中，之所以采用碳纖維預(yù)成型體作為上、下夾層， 而玻璃纖維預(yù)成型體作為芯層，其原因在于在彎曲作用力下該夾芯結(jié)構(gòu)的夾層(外層)承 受主要的載荷，根據(jù)CFRP的強(qiáng)度和模量?jī)?yōu)于GFRP的特性可知，上述主承力梁的混雜結(jié)構(gòu)和 受力方式最能夠充分發(fā)揮碳纖維的高性能；而且葉片在風(fēng)載下的受力類(lèi)似于簡(jiǎn)支梁，主要承受彎曲應(yīng)力和風(fēng)載的沖擊力，該主承力梁的混雜方式的抗彎曲性能和抗沖擊性能最優(yōu)。 而在翼緣加強(qiáng)部中，碳纖維/玻璃纖維混雜方式采用玻璃纖維預(yù)成型體作為上、下夾層，碳 纖維預(yù)成型體作為芯層，其原因在于葉片吸力面殼體和壓力面殼體粘接后，在葉片翼緣處 相當(dāng)于兩個(gè)玻璃纖維預(yù)成型體為夾層、碳纖維預(yù)成型體為芯層的夾芯結(jié)構(gòu)相互粘接，粘接 面為玻璃纖維層，這樣粘接后的結(jié)構(gòu)也近似于上述的碳纖維夾層夾持玻璃纖維芯層的夾芯 式結(jié)構(gòu)。 上述技術(shù)方案中，所述三明治式夾芯混雜優(yōu)選通過(guò)縫合線(xiàn)穿剌縫合成一體；所述 縫合線(xiàn)為碳纖維紗、芳綸纖維紗、石英纖維紗、玻璃纖維紗、高硅氧纖維紗中的一種或多種。 用所述縫合線(xiàn)對(duì)碳纖維/玻璃纖維預(yù)成型體進(jìn)行穿剌縫合，能夠顯著提高復(fù)合材料的層間 性能，減弱其各向異性，提高其整體性能，特別是其強(qiáng)度和剛度能夠得到大幅度提高，穿剌 縫合是提高復(fù)合材料整體性能、充分發(fā)揮材料性能的有效途徑。此外，對(duì)于厚截面構(gòu)件而 言，縫合線(xiàn)留下的線(xiàn)孔相當(dāng)于厚度方向上宏觀樹(shù)脂膠液的滲透通道，能夠大大提高制備過(guò) 程中樹(shù)脂膠液在厚度方向上的浸漬速度。 上述技術(shù)方案中，所述碳纖維布優(yōu)選為碳纖維無(wú)緯布、碳纖維平紋布、碳纖維三軸
向布、碳纖維斜紋布、碳纖維鍛紋布中的一種或多種；所述玻璃纖維布優(yōu)選為玻纖單軸向
布、玻纖雙軸向布、玻纖三軸向布、玻纖方格布、玻纖平紋布中的一種或多種。根據(jù)葉片的受
力特點(diǎn)，葉片的受力分布并不是均勻的，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)鋪層設(shè)計(jì)的時(shí)候我們必須保證葉片各
個(gè)點(diǎn)的強(qiáng)度都達(dá)到受力要求，而所述的多種纖維布便于對(duì)葉片整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和鋪放，
且這幾種布的受力各有特點(diǎn)，能實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，滿(mǎn)足葉片設(shè)計(jì)要求，方便實(shí)用。 上述技術(shù)方案中，所述蒙皮增強(qiáng)材料優(yōu)選為玻璃纖維；所述填充材料優(yōu)選Balsa
木和PVC泡沫。所述剪切腹板為腹板蒙皮包覆腹板芯材的夾芯型構(gòu)件，所述腹板蒙皮增強(qiáng)
材料優(yōu)選為玻璃纖維，所述腹板芯材優(yōu)選為PVC泡沫。
本發(fā)明還提供一種上述大型復(fù)合材料風(fēng)電葉片的制備方法，包括以下步驟
(1)采用真空導(dǎo)入模塑工藝(Vacuum Infusion Molding Process)制備剪切腹 板； (2)以碳纖維/玻璃纖維混雜作為增強(qiáng)材料，并采用真空導(dǎo)入模塑工藝預(yù)制主承 力梁； (3)以碳纖維/玻璃纖維混雜作為葉片翼緣加強(qiáng)部的增強(qiáng)材料，并采用真空導(dǎo)入 模塑工藝制備所述的吸力面殼體和壓力面殼體； (4)將上述制得的剪切腹板、吸力面殼體和壓力面殼體粘接，制得大型復(fù)合材料風(fēng) 電葉片。 上述的真空導(dǎo)入模塑工藝(又稱(chēng)真空灌注工藝)是一種先進(jìn)的復(fù)合材料低成本液 體模塑成型技術(shù)，具有低成本、環(huán)保和適合于大尺寸復(fù)合材料構(gòu)件整體成型等優(yōu)點(diǎn)，其工藝 原理是在單面剛性模具上以柔性真空袋膜包覆、密封增強(qiáng)材料預(yù)成型體，真空負(fù)壓下排除 模腔中的氣體，利用樹(shù)脂的流動(dòng)、滲透實(shí)現(xiàn)樹(shù)脂對(duì)纖維及其織物的浸漬，并固化成型得到復(fù) 合材料構(gòu)件。將該真空導(dǎo)入模塑工藝應(yīng)用于本發(fā)明復(fù)合材料風(fēng)電葉片組件的制備，其優(yōu)勢(shì) 更能夠充分發(fā)揮出來(lái)。 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于充分利用碳纖維和玻璃纖維性能的互補(bǔ)，制 備出碳纖維/玻璃纖維混雜的復(fù)合材料風(fēng)電葉片，既有效回避了純碳纖維復(fù)合材料風(fēng)電葉片高成本的問(wèn)題，又解決了玻璃纖維復(fù)合材料風(fēng)電葉片臨界長(zhǎng)度局限的問(wèn)題，對(duì)提高復(fù)合 材料風(fēng)電葉片臨界長(zhǎng)度和發(fā)展大型化復(fù)合材料風(fēng)電葉片具有重要意義。作為本發(fā)明的進(jìn)一 步改進(jìn)，本發(fā)明采用穿剌縫合法處理葉片殼體主承力梁的增強(qiáng)材料預(yù)成型體，增加預(yù)成型 體厚度方向的滲透率，有效解決了碳纖維浸潤(rùn)性能較差、厚截面構(gòu)件難于浸潤(rùn)的問(wèn)題，同時(shí) 結(jié)合真空導(dǎo)入模塑工藝一次整體成型制備碳纖維/玻璃纖維混雜主承力梁，通過(guò)真空導(dǎo)入 模塑工藝整體成型的葉片殼體，整體性好，同時(shí)還可以減少材料的浪費(fèi)和苯乙烯氣體的排 放，有利于降低成本和保護(hù)環(huán)境。 采用上述技術(shù)方案制備的碳纖維/玻璃纖維混雜復(fù)合材料葉片，相比于純玻璃 纖維復(fù)合材料葉片，葉片的重量能夠降低20% 40%，葉片的臨界長(zhǎng)度能夠提高40% 60%。在相同厚度和相同鋪層狀態(tài)下，相比于純玻璃纖維復(fù)合材料葉片，碳纖維/玻璃纖維 混雜增強(qiáng)復(fù)合材料葉片的抗風(fēng)載彎曲模量能夠提高100% 120%，葉尖最大變形能夠降 低120% 130%。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例復(fù)合材料風(fēng)電葉片的主視圖； 圖2為圖1中A-A處的剖面放大圖； 圖3為本發(fā)明實(shí)施例中制備剪切腹板的工藝流程圖； 圖4為本發(fā)明實(shí)施例中預(yù)制主承力梁的工藝流程圖； 圖5為本發(fā)明實(shí)施例中成型吸力面殼體和壓力面殼體的工藝流程圖； 圖6為本發(fā)明實(shí)施例中主承力梁增強(qiáng)材料的三層夾芯式結(jié)構(gòu)示意圖； 圖7為本發(fā)明實(shí)施例中翼緣增強(qiáng)體增強(qiáng)材料的三層夾芯式結(jié)構(gòu)示意圖； 其中A表示碳纖維預(yù)成型體，B表示玻璃纖維預(yù)成型體。 圖例說(shuō)明 1、吸力面殼體 2、壓力面殼體 3、剪切腹板 31、腹板蒙皮 4、蒙皮 5、主承力梁 6、翼緣加強(qiáng)部 7、填充材料
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖及具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)地說(shuō)明。
實(shí)施例 —種如圖1和圖2所示的本發(fā)明大型復(fù)合材料風(fēng)電葉片，包括吸力面殼體1、壓力 面殼體2和固接于兩殼體之間的剪切腹板3，吸力面殼體1、壓力面殼體2均為蒙皮4包覆 芯材的夾芯型復(fù)合材料構(gòu)件，吸力面殼體1、壓力面殼體2的基體均為環(huán)氧樹(shù)脂體系，蒙皮4 的增強(qiáng)材料選用玻璃纖維，芯材包括葉片的主承力梁5、位于葉片翼緣處起加強(qiáng)作用的翼緣 加強(qiáng)部6和填充于主承力梁5與翼緣加強(qiáng)部6之間的填充材料7，填充材料7中包括Balsa 木和PVC泡沫。主承力梁5和翼緣加強(qiáng)部6均是以碳纖維/玻璃纖維混雜作為增強(qiáng)材料。 剪切腹板3同樣為腹板蒙皮31包覆腹板芯材的夾芯型結(jié)構(gòu)，腹板芯材選用PVC泡沫。
在碳纖維/玻璃纖維混雜中，其主要由碳纖維預(yù)成型體和玻璃纖維預(yù)成型體組合而成，碳纖維預(yù)成型體是多層碳纖維布鋪覆而成的碳纖維布鋪層體，玻璃纖維預(yù)成型體是 多層玻璃纖維布鋪覆而成的玻璃纖維布鋪層體，其中的碳纖維布選用碳纖維無(wú)緯布，玻璃 纖維布選用玻纖單軸向布。如圖6和圖7所示，碳纖維/玻璃纖維混雜為上、下夾層夾持中 間芯層的三明治式夾芯混雜。如圖6所示，在主承力梁5的碳纖維/玻璃纖維混雜中，上、 下夾層均為碳纖維預(yù)成型體A，中間芯層為玻璃纖維預(yù)成型體B，上夾層、中間芯層、下夾層 的纖維體積比為3 : 2 : 3。如圖7所示，在翼緣加強(qiáng)部6的碳纖維/玻璃纖維混雜中，上、 下夾層均為玻璃纖維預(yù)成型體B，中間芯層為碳纖維預(yù)成型體A，上夾層、中間芯層、下夾層 的纖維體積比同樣為3 :2:3。該三明治式夾芯混雜結(jié)構(gòu)通過(guò)縫合線(xiàn)芳綸纖維紗穿剌縫 合成一體。 本實(shí)施例中復(fù)合材料風(fēng)電葉片的制備過(guò)程具體包括以下步驟
1、制備剪切腹板 剪切腹板3的制備工藝流程如圖3所示，具體的制備方法依次包括以下幾個(gè)工 序 1. 1剪切腹板成型模具預(yù)處理 清理模具，修補(bǔ)平整，然后在剪切腹板成型模具表面噴涂脫模劑。
1. 2裁剪和鋪放腹板蒙皮增強(qiáng)材料和腹板芯材 選擇面密度1200g/m2的三軸向編織玻纖布和面密度800g/m2的雙軸向編織玻纖布 作為腹板蒙皮31 (分上蒙皮和下蒙皮)的增強(qiáng)材料，腹板芯材為密度60kg/m3的PVC泡沫。 首先將裁剪好的腹板下蒙皮增強(qiáng)材料鋪放在腹板成型模具上，然后在鋪放好的腹板下蒙皮 增強(qiáng)材料表面鋪放裁剪好的腹板芯材，最后在鋪放好的腹板芯材表面鋪放腹板上蒙皮增強(qiáng) 材料，得到剪切腹板夾芯型結(jié)構(gòu)預(yù)成型體。
1. 3裁剪和鋪覆脫模布 所用脫模布為上海瀝高科技有限公司生產(chǎn)的R85PA66型脫模布，面密度85g/tf。將
裁剪好的脫模布鋪放在步驟1. 2中得到的剪切腹板夾芯型結(jié)構(gòu)預(yù)成型體表面，并使之完全
覆蓋該預(yù)成型體。 1.4鋪設(shè)輔助材料體系 在上述脫模布上表面鋪設(shè)導(dǎo)流布、導(dǎo)流管和導(dǎo)氣管等真空導(dǎo)入模塑工藝輔助材 料，并設(shè)置好模腔中的注膠口和真空抽氣口 。
1. 5真空袋膜密封 采用雙層真空袋膜密封上述的預(yù)成型體及輔助材料體系，所用的真空袋膜為法國(guó) Aerorac公司生產(chǎn)的Vacfilm400Y26100型真空袋膜。首先用第一層真空袋膜在模具上密封 整個(gè)預(yù)成型體和輔助材料體系，密閉注膠口并將抽氣口與真空泵連接，然后抽真空并檢測(cè) 密封模腔的氣密性(要求真空度《-0.098Mpa且能夠保持真空負(fù)壓30min);第一層真空袋 膜封裝氣密性達(dá)到要求后，用第二層的真空袋膜密封整個(gè)第一層袋膜系統(tǒng)，并抽真空繼續(xù) 檢查氣密性，直至氣密性達(dá)到要求(要求能夠持續(xù)保持真空負(fù)壓)。
1. 6樹(shù)脂體系充模浸漬預(yù)成型體 所用樹(shù)脂體系為Huntsman公司提供的葉片專(zhuān)用環(huán)氧樹(shù)脂1564和固化劑3486體 系；開(kāi)啟注膠口將攪拌均勻并且經(jīng)過(guò)脫泡處理的樹(shù)脂體系利用真空負(fù)壓注入成型模腔中浸 漬上述的預(yù)成型體，待樹(shù)脂體系完全浸漬預(yù)成型體后關(guān)閉注膠口 ，并持續(xù)抽真空保持成型模腔內(nèi)的真空度。 1. 7固化成型及后處理 固化過(guò)程中必須保持成型模腔內(nèi)的真空度直至固化完全，固化完成后進(jìn)行脫模、
修整和清理等后處理得到剪切腹板構(gòu)件。 2、預(yù)制主承力梁 預(yù)制主承力梁5的工藝流程如圖4所示，具體的制備方法依次包括以下幾個(gè)工 序 2. 1主承力梁成型模具預(yù)處理 清理模具，修補(bǔ)平整，然后在主承力梁成型模具表面噴涂脫模劑。
2. 2裁剪和鋪放主承力梁增強(qiáng)材料 如圖6所示，選用碳纖維布和玻璃纖維布作為增強(qiáng)材料，首先將裁剪好的部分碳 纖維布(12KT300碳纖維無(wú)緯布，平均面密度800g/m2)鋪放在成型模具上，鋪放厚度占增強(qiáng) 材料設(shè)計(jì)厚度H的3/8，再將玻璃纖維布(面密度1250g/m2帶50g氈的玻纖單軸向布)鋪 放在前述碳纖維布上，鋪放厚度占增強(qiáng)材料設(shè)計(jì)厚度H的1/4，剩余3/8的厚度全部鋪放前 述的碳纖維布。 2. 3穿剌縫合主承力梁預(yù)成型體 采用縫合線(xiàn)對(duì)步驟2. 2中鋪放完畢后的疊層進(jìn)行縫合處理得到主承力梁預(yù)成型 體，所用縫合線(xiàn)為美國(guó)杜邦公司產(chǎn)的芳綸纖維紗，牌號(hào)為Kevlar-29(3200旦)，縫合密度為 50mmX 50mm，縫合線(xiàn)跡為鎖式縫合線(xiàn)跡。
2. 4裁剪和鋪覆脫模布 將裁剪好的脫模布(上海瀝高科技有限公司生產(chǎn)的R85PA66型脫模布，面密度為 85g/m2)鋪放在縫合后的主承力梁預(yù)成型體上表面，并使之完全覆蓋預(yù)成型體。
2. 5鋪設(shè)輔助材料體系 在脫模布上表面鋪設(shè)導(dǎo)流布、導(dǎo)流管和導(dǎo)氣管等真空導(dǎo)入模塑工藝輔助材料，并 在模腔中設(shè)置注膠口和真空抽氣口 。
2. 6真空袋膜密封 采用雙層真空袋膜密封預(yù)成型體及輔助材料體系，所用真空袋膜為法國(guó)Aerorac 公司生產(chǎn)的Vacfilm400Y26100型真空袋膜。首先用第一層真空袋膜在模具上密封整個(gè)主 承力梁預(yù)成型體和輔助材料體系，密閉注膠口并將抽氣口與真空泵連接，然后抽真空并檢 測(cè)密封模腔的氣密性(要求真空度《-0.098Mpa并能夠保持真空負(fù)壓30min);第一層真空 袋膜封裝氣密性達(dá)到要求后，用第二層的真空袋膜密封整個(gè)第一層袋膜系統(tǒng)，并抽真空繼 續(xù)檢查氣密性，直至氣密性達(dá)到要求(要求能夠持續(xù)保持真空負(fù)壓)。
2. 7樹(shù)脂體系充模浸漬主承力梁預(yù)成型體所用樹(shù)脂體系為Huntsman公司提供的葉片專(zhuān)用環(huán)氧樹(shù)脂1564和固化劑3486體
系；開(kāi)啟注膠口將攪拌均勻并且經(jīng)過(guò)脫泡處理的樹(shù)脂體系利用真空負(fù)壓注入成型模腔中浸
漬主承力梁預(yù)成型體，待樹(shù)脂體系完全浸漬該預(yù)成型體后關(guān)閉注膠口 ，并持續(xù)抽真空保持
成型模腔內(nèi)的真空度。 2. 8固化成型及后處理 固化過(guò)程中必須保持成型模腔內(nèi)的真空度直至固化完全，固化完成后進(jìn)行脫模、
8CN 101705922 A
修整、清理等后處理得到主承力梁5預(yù)制件。
3、成型吸力面殼體和壓力面殼體 吸力面殼體1和壓力面殼體2的整體成型工藝流程如圖5所示，吸力面殼體1的 具體制備方法包括以下工序(壓力面殼體2參照吸力面殼體1的制備工藝)
3. 1殼體成型模具預(yù)處理 清理模具，修補(bǔ)平整，然后噴涂脫模劑，再?lài)娡磕z衣。
3. 2裁剪和準(zhǔn)備殼體蒙皮增強(qiáng)材料及芯材 根據(jù)設(shè)計(jì)要求裁剪吸力面殼體1的蒙皮4增強(qiáng)材料、翼緣加強(qiáng)部6增強(qiáng)材料和填 充材料7，同時(shí)修整處理上述步驟中預(yù)制的主承力梁5預(yù)制件。蒙皮4增強(qiáng)材料選用面密 度1200g/m2的玻纖三軸向編織布、面密度800g/m2的玻纖雙軸向編織布和面密度1250g/m2 帶50g氈的玻纖單軸向編織布(殼體蒙皮4包括上蒙皮和下蒙皮)；所用填充材料7包括 密度150kg/m3的Balsa木和密度60kg/m3的PVC泡沫；翼緣加強(qiáng)部6處的增強(qiáng)材料為碳纖 維/玻璃纖維混雜，所用碳纖維為碳纖維無(wú)緯布(12KT300碳纖維無(wú)緯布，平均面密度800g/ m2)，所用玻璃纖維為面密度1250g/m2帶50g氈的玻纖單軸向布，碳纖維和玻璃纖維的混雜 體積比為1 : 3。 3. 3鋪放蒙皮增強(qiáng)材料及芯材 首先在吸力面殼體1的成型模具上鋪放吸力面殼體1下蒙皮增強(qiáng)材料，然后在下 蒙皮增強(qiáng)材料表面相應(yīng)位置鋪放主承力梁5預(yù)制件、填充材料7 (步驟3. 2中準(zhǔn)備的Balsa 木和PVC泡沫)和翼緣加強(qiáng)部6處的增強(qiáng)材料(步驟3. 2中準(zhǔn)備的碳纖維/玻璃纖維混 雜增強(qiáng)材料)；最后在前述鋪放好的芯材之上鋪放吸力面殼體1上蒙皮增強(qiáng)材料，得到夾 芯型結(jié)構(gòu)的吸力面殼體1預(yù)成型體。其中，翼緣加強(qiáng)部6的碳纖維/玻璃纖維混雜鋪放方 式如圖7所示，首先將裁剪好的部分玻纖單軸向布鋪放在成型模具上，鋪放厚度占該處增 強(qiáng)材料設(shè)計(jì)厚度H的3/8，再將碳纖維無(wú)緯布鋪放在前述玻纖單軸向布上，鋪放厚度占增強(qiáng) 材料設(shè)計(jì)厚度H的1/4，剩余3/8的厚度全部鋪放前述的玻纖單軸向布上，得到的翼緣加 強(qiáng)預(yù)成型體需要進(jìn)行穿剌縫合處理，所用縫合線(xiàn)為美國(guó)杜邦公司產(chǎn)的芳綸纖維紗，牌號(hào)為 Kevlar-29(3200旦)，縫合密度為50mmX 50mm，縫合線(xiàn)跡為鎖式縫合線(xiàn)跡。
3. 4裁剪和鋪覆脫模布 將裁剪好的脫模布(上海瀝高科技有限公司生產(chǎn)的R85PA66型脫模布，面密度為 85g/m2)鋪放在步驟3. 3得到的吸力面殼體1預(yù)成型體上表面，并使之完全覆蓋該預(yù)成型 體。 3. 5鋪設(shè)輔助材料體系 在上述脫模布上表面鋪設(shè)導(dǎo)流布、導(dǎo)流管和導(dǎo)氣管等真空導(dǎo)入模塑工藝輔助材 料，并在模腔中設(shè)置注膠口和真空抽氣口 。
3. 6真空袋膜密封 在吸力面殼體成型模具上采用雙層真空袋膜密封吸力面殼體1預(yù)成型體及輔 助材料體系，所用真空袋膜為法國(guó)Aerorac公司生產(chǎn)的Vacfilm400Y26100型真空袋膜。 首先用第一層真空袋膜在該模具上密封整個(gè)吸力面殼體1預(yù)成型體和輔助材料體系，密 閉注膠口并將抽氣口與真空泵連接，然后抽真空并檢測(cè)密封模腔的氣密性(要求真空度 《-0. 098Mpa并能夠保持真空負(fù)壓30min);第一層真空袋膜封裝氣密性達(dá)到要求后，用第
9二層的真空袋膜密封整個(gè)第一層袋膜系統(tǒng)，并抽真空繼續(xù)檢查氣密性，直至氣密性達(dá)到要
求(要求能夠持續(xù)保持真空負(fù)壓)。 3. 7樹(shù)脂體系充模浸漬吸力面殼體預(yù)成型體 所用樹(shù)脂體系為Huntsman公司提供的葉片專(zhuān)用環(huán)氧樹(shù)脂1564和固化劑3486體
系；開(kāi)啟注膠口將攪拌均勻并且經(jīng)過(guò)脫泡處理的樹(shù)脂體系利用真空負(fù)壓注入成型模腔中浸
漬吸力面殼體1預(yù)成型體，待樹(shù)脂完全浸漬該預(yù)成型體后關(guān)閉注膠口，并持續(xù)抽真空保持
成型模腔內(nèi)的真空度。 3. 8固化成型及后處理 固化過(guò)程中必須保持成型模腔內(nèi)的真空度直至固化完全，固化完成后進(jìn)行脫模、 修整及清理等后處理得到整體成型的吸力面殼體1。
再按照以上工序成型壓力面殼體2。 在上述的工藝過(guò)程中，剪切腹板3和主承力梁5預(yù)制件的制備過(guò)程可同時(shí)進(jìn)行，吸 力面殼體1和壓力面殼體2的成型制備過(guò)程也可同時(shí)進(jìn)行。
4、整體粘結(jié) 將上述步驟中制備得到的吸力面殼體1、壓力面殼體2和剪切腹板3粘接，所用的 粘接結(jié)構(gòu)膠為Huntsman公司提供的結(jié)構(gòu)膠XD4734/XD4735體系，結(jié)構(gòu)膠固化完成后進(jìn)行清 理修整等后處理即得到本發(fā)明的碳纖維/玻璃纖維混雜復(fù)合增強(qiáng)材料的風(fēng)電葉片。
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權(quán)利要求
一種大型復(fù)合材料風(fēng)電葉片，所述復(fù)合材料風(fēng)電葉片包括吸力面殼體(1)、壓力面殼體(2)和固接于兩殼體之間的剪切腹板(3)，所述吸力面殼體(1)、壓力面殼體(2)均為蒙皮(4)包覆芯材的夾芯型結(jié)構(gòu)件，所述芯材包括葉片主承力梁(5)、葉片的翼緣加強(qiáng)部(6)和位于主承力梁(5)與翼緣加強(qiáng)部(6)之間的填充材料(7)，其特征在于所述主承力梁(5)和翼緣加強(qiáng)部(6)均是以碳纖維/玻璃纖維混雜作為增強(qiáng)材料。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的大型復(fù)合材料風(fēng)電葉片，其特征在于所述主承力梁(5)的 碳纖維/玻璃纖維混雜中，碳纖維與玻璃纖維的體積比為7 : 3 9 : l;所述翼緣加強(qiáng)部 (6)的碳纖維/玻璃纖維混雜中，碳纖維與玻璃纖維的體積比為1 : 9 3 : 7。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的大型復(fù)合材料風(fēng)電葉片，其特征在于所述碳纖維/玻 璃纖維混雜是由碳纖維預(yù)成型體和玻璃纖維預(yù)成型體組合而成，所述碳纖維預(yù)成型體是指 多層碳纖維布鋪覆而成的碳纖維布鋪層體，所述玻璃纖維預(yù)成型體是指多層玻璃纖維布鋪 覆而成的玻璃纖維布鋪層體。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的大型復(fù)合材料風(fēng)電葉片，其特征在于所述碳纖維/玻璃纖 維混雜為上、下夾層夾持中間芯層的三明治式夾芯混雜；在所述主承力梁(5)中，該上、下 夾層均為碳纖維預(yù)成型體，中間芯層為玻璃纖維預(yù)成型體；在所述翼緣加強(qiáng)部(6)中，上、 下夾層均為玻璃纖維預(yù)成型體，中間芯層為碳纖維預(yù)成型體。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的大型復(fù)合材料風(fēng)電葉片，其特征在于所述三明治式夾芯混 雜結(jié)構(gòu)中，上夾層、中間芯層、下夾層的體積比為3 :2:3。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的大型復(fù)合材料風(fēng)電葉片，其特征在于所述三明治式夾芯混 雜通過(guò)縫合線(xiàn)穿剌縫合成一體；所述縫合線(xiàn)為碳纖維紗、芳綸纖維紗、石英纖維紗、玻璃纖 維紗、高硅氧纖維紗中的一種或多種。
7. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的大型復(fù)合材料風(fēng)電葉片，其特征在于所述碳纖維布為碳纖 維無(wú)緯布、碳纖維平紋布、碳纖維三軸向布、碳纖維斜紋布、碳纖維鍛紋布中的一種或多種； 所述玻璃纖維布為玻纖單軸向布、玻纖雙軸向布、玻纖三軸向布、玻纖方格布、玻纖平紋布 中的一種或多種。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的大型復(fù)合材料風(fēng)電葉片，其特征在于所述剪切腹板(3) 為腹板蒙皮(31)包覆腹板芯材的夾芯型構(gòu)件；所述腹板蒙皮(31)和蒙皮(4)的增強(qiáng)材料 均為玻璃纖維；所述腹板芯材為PVC泡沫；所述填充材料(7)為Balsa木和PVC泡沫。
9. 一種如權(quán)利要求1 8中任一項(xiàng)所述的大型復(fù)合材料風(fēng)電葉片的制備方法，包括以 下步驟(1) 采用真空導(dǎo)入模塑工藝制備剪切腹板；(2) 以碳纖維/玻璃纖維混雜作為增強(qiáng)材料，并采用真空導(dǎo)入模塑工藝預(yù)制主承力梁；(3) 以碳纖維/玻璃纖維混雜作為葉片翼緣加強(qiáng)部的增強(qiáng)材料，并采用真空導(dǎo)入模塑 工藝制備所述的吸力面殼體和壓力面殼體；(4) 將上述制得的剪切腹板、吸力面殼體和壓力面殼體粘結(jié)，制得風(fēng)電葉片。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種大型復(fù)合材料風(fēng)電葉片，該復(fù)合材料風(fēng)電葉片包括吸力面殼體(1)、壓力面殼體(2)和固接于兩殼體之間的剪切腹板(3)，吸力面殼體(1)、壓力面殼體(2)均為蒙皮(4)包覆芯材的夾芯型結(jié)構(gòu)件，芯材包括葉片主承力梁(5)、葉片的翼緣加強(qiáng)部(6)和位于主承力梁(5)與翼緣加強(qiáng)部(6)之間的填充材料(7)，主承力梁(5)和翼緣加強(qiáng)部(6)均是以碳纖維/玻璃纖維混雜作為增強(qiáng)材料。本發(fā)明的大型復(fù)合材料風(fēng)電葉片具有質(zhì)量輕巧、臨界長(zhǎng)度延長(zhǎng)、力學(xué)性能優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)F03D11/00GK101705922SQ20091022705
公開(kāi)日2010年5月12日 申請(qǐng)日期2009年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月30日
發(fā)明者馮學(xué)斌, 周娟, 梁自祿, 梁鵬程, 陳海生, 靳交通 申請(qǐng)人:株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司