一種智能化三維編織混雜纖維復(fù)合材料風(fēng)電葉片及其制備方法
【專利說(shuō)明】一種智能化三維編織混雜纖維復(fù)合材料風(fēng)電葉片及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種風(fēng)力發(fā)電用復(fù)合材料葉片及其制備方法，具體涉及一種智能化三維編織混雜纖維復(fù)合材料風(fēng)電葉片及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著世界性能源危機(jī)的日益加劇以及公眾對(duì)于改善生態(tài)環(huán)境的呼聲不斷高漲，風(fēng)力發(fā)電作為一種清潔的可再生能源在全球范圍內(nèi)迅猛發(fā)展。世界各國(guó)都在不斷對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的研發(fā)展開(kāi)系統(tǒng)工作，不斷推出新材料和技術(shù)。隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)裝機(jī)容量的增加和葉片長(zhǎng)度的增大，對(duì)葉片的制造技術(shù)和材料提出了更高的要求。不斷發(fā)展的技術(shù)和市場(chǎng)開(kāi)發(fā)使得風(fēng)力發(fā)電從復(fù)合材料的邊緣應(yīng)用變成全球復(fù)合材料最廣泛的應(yīng)用之一。風(fēng)力發(fā)電葉片是風(fēng)力發(fā)電的核心技術(shù)，由于對(duì)葉片的外型、精度、表面粗糙度、強(qiáng)度和剛度的要求很高，因此復(fù)合材料葉片的制造技術(shù)成為制約風(fēng)力發(fā)電快速發(fā)展的瓶頸。隨著高級(jí)纖維三維立體編織技術(shù)的不斷革新以及復(fù)合材料智能化和實(shí)時(shí)監(jiān)控化的發(fā)展新方向的出現(xiàn)，這兩項(xiàng)技術(shù)也開(kāi)始在復(fù)合材料風(fēng)電葉片的制備中開(kāi)始應(yīng)用。這兩項(xiàng)技術(shù)在提高風(fēng)電葉片強(qiáng)度、剛度等力學(xué)性能以及葉片自我實(shí)時(shí)監(jiān)控性方面具有重要價(jià)值。
[0003]國(guó)內(nèi)外有關(guān)復(fù)合材料風(fēng)電葉片的應(yīng)用方面有許多典型實(shí)例。首先是在大型化風(fēng)電葉片方面的發(fā)展，Enercon公司的6麗、7麗風(fēng)電機(jī)組已在德國(guó)和比利時(shí)的風(fēng)電場(chǎng)成功運(yùn)行，GE公司的7MW機(jī)組正在研發(fā)過(guò)程中，Vestas的6MW、1MW機(jī)組也在研制過(guò)程中，中國(guó)的5MW風(fēng)電機(jī)組也正在研發(fā)設(shè)計(jì)中。我國(guó)風(fēng)電企業(yè)在大型化風(fēng)電組方面正在努力追趕全球步伐，風(fēng)電葉片需要緊跟市場(chǎng)形勢(shì)，大型化的風(fēng)電葉片是未來(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì)。然后是智能化技術(shù)在復(fù)合材料葉片制造技術(shù)中的開(kāi)拓應(yīng)用。由于目前復(fù)合材料風(fēng)電葉片機(jī)組的尺寸日益增大，在風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，一旦出現(xiàn)葉片所承受外界載荷(溫度、風(fēng)俗、風(fēng)載荷等)超過(guò)設(shè)計(jì)載荷、葉片主體產(chǎn)生裂紋、外界雷擊等可能對(duì)葉片造成損傷的情況時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)就會(huì)發(fā)出預(yù)警信號(hào)，以便對(duì)葉片進(jìn)行及時(shí)的調(diào)整、維護(hù)和保養(yǎng)。其中Kirkldand公司和TPIComposites公司合作，大力發(fā)展碳纖維復(fù)合材料風(fēng)電葉片，并將纖維混編設(shè)計(jì)和智能化技術(shù)應(yīng)用于葉片生產(chǎn)中，證明其可行性。
[0004]鑒于目前大型化和智能化復(fù)合材料風(fēng)電葉片的發(fā)展，以及對(duì)于風(fēng)電葉片力學(xué)特性要求的不斷提升，關(guān)注于目前我國(guó)國(guó)內(nèi)大型風(fēng)電葉片生產(chǎn)工藝僅停留在纖維纏繞層面上，基于國(guó)外進(jìn)口的連續(xù)化大型三維立體編織設(shè)備，本發(fā)明采用混雜纖維三維立體編織技術(shù)制備大型復(fù)合材料風(fēng)電葉片，在制備過(guò)程中創(chuàng)造性的運(yùn)用多種三維結(jié)構(gòu)組合編織技術(shù)，并在關(guān)鍵部位的三維結(jié)構(gòu)中嵌入光纖模塊，使葉片具備智能自監(jiān)控功能，并且達(dá)到嵌入模塊與三維立體結(jié)構(gòu)的無(wú)縫結(jié)合。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種智能化三維編織混雜纖維復(fù)合材料風(fēng)電葉片及其制備方法，通過(guò)混雜纖維的多種三維結(jié)構(gòu)組合編織技術(shù)和智能化光纖模塊的無(wú)縫嵌入，以達(dá)到復(fù)合材料風(fēng)電葉片的大型化、可靈活設(shè)計(jì)性以及智能化的功能。
[0006]為了解決以上技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的技術(shù)方案為:
[0007]一種智能化三維編織混雜纖維復(fù)合材料風(fēng)電葉片，包括葉片主體、葉片加強(qiáng)部分以及光纖模塊組件，其中，所述葉片加強(qiáng)部分設(shè)置于葉片主體的邊緣處，所述光纖模塊組件嵌合在葉片本體的內(nèi)部；所述葉片主體包括三維立體編織結(jié)構(gòu)、沿三維立體編織結(jié)構(gòu)厚度方向的二次縫合結(jié)構(gòu)以及浸漬固化在三維立體編織結(jié)構(gòu)和二次縫合結(jié)構(gòu)上的樹(shù)脂層。
[0008]一種智能化三維編織混雜纖維復(fù)合材料風(fēng)電葉片的制備方法，包括如下步驟:
[0009](I)根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)工況設(shè)計(jì)風(fēng)電葉片的主體模具，并根據(jù)力學(xué)特性要求確定光纖模塊嵌入部位的具體排布方案；
[0010](2)根據(jù)力學(xué)要求選擇所需高性能纖維制備混雜紗線，利用混雜纖維紗線進(jìn)行風(fēng)電葉片纖維預(yù)制體的多部位組合立體編織，得到三維立體編織結(jié)構(gòu)；在力學(xué)要求較高的特定部位采用針對(duì)性的纖維多向編織結(jié)構(gòu)；
[0011](3)在三維立體編織結(jié)構(gòu)中嵌入光纖模塊；光纖模塊與三維立體編織結(jié)構(gòu)之間采用紗線鎖定牢固，做到無(wú)縫結(jié)合狀態(tài)；所述的光纖模塊在預(yù)制體結(jié)構(gòu)中的嵌入，以實(shí)現(xiàn)葉片智能化監(jiān)控要求。
[0012](4)對(duì)上述風(fēng)電葉片三維立體編織結(jié)構(gòu)進(jìn)行混雜纖維厚度方向二次縫合強(qiáng)化處理，提高整體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度；
[0013](5)以熱固性樹(shù)脂膠液為基體，采用真空導(dǎo)入與熱固化結(jié)合的工藝完成樹(shù)脂與三維立體編織結(jié)構(gòu)和二次縫合結(jié)構(gòu)的浸漬以及固化成型工序。
[0014]優(yōu)選的，所述風(fēng)電葉片的主體模具長(zhǎng)度為l-15m，寬度為0.3_3m。
[0015]優(yōu)選的，所述混雜紗線由碳纖維、芳綸纖維、超高分子量聚乙烯纖維、玄武巖纖維中的一種或幾種制成。
[0016]優(yōu)選的，所述三維立體編織結(jié)構(gòu)的主體部分采用三維四向或三維五向編織結(jié)構(gòu)，所述三維立體編織結(jié)構(gòu)的邊緣加強(qiáng)部分采用三維五向或三維六向編織結(jié)構(gòu)，所述三維立體編織結(jié)構(gòu)中嵌入光纖模塊的部位采用三維六向或三維七向編織結(jié)構(gòu)。
[0017]優(yōu)選的，所述三維立體編織結(jié)構(gòu)的主體部分混雜紗線由碳纖維和芳綸纖維制成，邊緣加強(qiáng)部分混雜纖維由碳纖維、玄武巖纖維與芳綸纖維三種制成，所述三維立體編織結(jié)構(gòu)中嵌入光纖模塊的部位混雜紗線由聚乙烯纖維與芳綸纖維兩種制成。
[0018]優(yōu)選的，所述三維立體編織結(jié)構(gòu)的主體部分混雜紗線由碳纖維與超高分子量聚乙烯纖維制成，邊緣加強(qiáng)部分混雜纖維由碳纖維與芳綸纖維兩種制成，所述三維立體編織結(jié)構(gòu)中嵌入光纖模塊的部位混雜紗線由碳纖維與玄武巖纖維兩種制成。
[0019]優(yōu)選的，所述三維立體編織結(jié)構(gòu)的主體部分混雜紗線由芳綸纖維、玄武巖纖維與碳纖維制成，所述三維立體編織結(jié)構(gòu)的邊緣加強(qiáng)部分混雜纖維由玄武巖纖維與芳綸纖維兩種制成，所述三維立體編織結(jié)構(gòu)中嵌入光纖模塊的部位混雜紗線由碳纖維與芳綸纖維兩種制成。
[0020]優(yōu)選的，所述厚度方向二次縫合過(guò)程中所用的混雜纖維由碳纖維、芳綸纖維、超高分子量聚乙烯纖維以及玄武巖纖維中的一種或多種組合而成。
[0021]優(yōu)選的，所述厚度方向整體縫合所用混雜纖維的重量為三維立體編織結(jié)構(gòu)重量的5-40% ο
[0022]優(yōu)選的，所述步驟(5)中，真空導(dǎo)入的真空度為0.06-0.1MPa，所述熱固化的溫度為80-120°C，熱固化時(shí)間為3-6小時(shí)。
[0023]優(yōu)選的，浸漬樹(shù)脂后的風(fēng)電葉片的含膠量為30-60%。
[0024]優(yōu)選的，所述真空度為0.08MPa，浸漬樹(shù)脂后的風(fēng)電葉片于80°C固化3小時(shí)后成型，含膠量為36%。
[0025]優(yōu)選的，浸漬樹(shù)脂后的風(fēng)電葉片于80°C固化4小時(shí)后成型，含膠量為40%。
[0026]優(yōu)選的，所述真空度為0.06MPa。浸漬樹(shù)脂后的葉片于80°C固化5小時(shí)后成型，含膠量為35%。
[0027]本發(fā)明與現(xiàn)有復(fù)合材料風(fēng)電葉片制備技術(shù)相比具有以下主要優(yōu)點(diǎn):
[0028](I)摒棄傳統(tǒng)的纖維纏繞工藝，采用三維立體編織技術(shù)制備大型風(fēng)電葉片，所用的編織纖維為多種高性能纖維的組合，發(fā)揮各種纖維的綜合特性，并且在編織過(guò)程中在不同部位采用多種三維立體編織結(jié)構(gòu)組合，有效提高特定部位力學(xué)剛度和強(qiáng)度。
[0029](2)在三維立體編織葉片預(yù)制體的過(guò)程中，在特定部位嵌入智能化光纖模塊，并且做到三維立體結(jié)構(gòu)與光纖模塊的無(wú)縫結(jié)合，不存在界面力學(xué)性能差的問(wèn)題，類似均質(zhì)材料。實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料三維立體編織風(fēng)電葉片的智能化自我監(jiān)控功能。
[0030](3)采用混雜纖維二次縫合技術(shù)，對(duì)三維立體編織復(fù)合材料葉片預(yù)制體實(shí)現(xiàn)厚度方向的力學(xué)性能強(qiáng)化，通過(guò)混雜纖維的二次縫合消除層間強(qiáng)度薄弱的問(wèn)題，進(jìn)一步提高葉片結(jié)構(gòu)完整性和光纖模塊嵌入的穩(wěn)定性。
【附圖說(shuō)明】
[0031]圖1為本發(fā)明風(fēng)電葉片的主體模具的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032]圖2為本發(fā)明的三維立體編織結(jié)構(gòu)示意圖；
[0033]圖3為本發(fā)明二次縫合結(jié)構(gòu)示意圖。
[0034]其中，1、葉片主體，2、葉片加強(qiáng)部分，3、光纖模塊，4、三維立體編織結(jié)構(gòu)的主體部分，5