[发明专利]大型复合材料风电叶片及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种风电叶片及其制备方法，尤其涉及一种用复合材料制备的风电叶片及其制备方法。

背景技术

随着风力发电机叶片设计技术的提高，大型化和轻量化已成为复合材料风电叶片发展的重要趋势。目前大型复合材料风电叶片主要是以玻璃纤维作为增强材料，然而叶片大型化发展对叶片强度、刚度的要求越来越高，叶片长度和自重也越来越大，以至玻璃纤维难以承受。根据对玻璃纤维增强复合材料(GFRP，Glass Fiber Reinforced Polymer)叶片的分析，其强度和刚度所能承受的叶片临界长度目前约为60m。基于叶片大型化发展的要求，为了能有效增加叶片临界长度，保证叶片在极端风载下叶尖不碰触塔架，需要对叶片进行改进，以使得叶片具有足够的强度和刚度。其中，对叶片材料进行改进是一种较为可行的途径。

此外，大型复合材料风电叶片的应用还面临一个技术问题，即如何对厚截面、大尺寸风电叶片构件的制备工艺进行优化，现有的风电叶片制备工艺多采用预浸料湿法成型工艺，不仅制备周期长、效率低，而且质量稳定性较差，此外需要预浸机等专用设备，成本高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种质量轻巧、临界长度延长、力学性能优异的大型复合材料风电叶片，还提供一种工艺简单、适应性强、成本低的该复合材料风电叶片的制备方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为一种大型复合材料风电叶片，所述风电叶片包括吸力面壳体、压力面壳体和固接于两壳体之间的剪切腹板，所述吸力面壳体、压力面壳体均为蒙皮包覆芯材的夹芯型构件，所述芯材包括叶片的主承力梁、叶片的翼缘加强部和位于主承力梁与翼缘加强部之间的填充材料，其特征在于：所述主承力梁和翼缘加强部均是以碳纤维和玻璃纤维混杂作为增强材料。

碳纤维是一种性能优异的高性能增强材料，广泛应用于航空航天等领域。碳纤维比强度和比模量高，对于发展轻质、高强及大型复合材料风电叶片是一种理想材料，但其高昂的价格极大制约了碳纤维在风电叶片领域的应用。为了减轻大型化风电叶片的质量，同时满足叶片的强度与刚度要求，还要克服成本制约的问题，上述技术方案采用了一种新型的增强材料体系，即将所述碳纤维和玻璃纤维混杂材料引入到风电叶片领域，具体是将该混杂材料用作复合材料风电叶片主承力梁和翼缘加强部的增强材料，由于碳纤维增强复合材料(CFRP，Carbon Fiber Reinforced Polymer)的比强度(强度/密度)大约是GFRP的2倍，比模量(模量/密度)约是GFRP的3倍，因此采用碳纤维和玻璃纤维混杂材料制作风电叶片不仅能充分发挥碳纤维高弹轻质的优点，大大提高叶片的刚度和强度，增加叶片的临界长度，而且价格比采用纯碳纤维作为增强材料要大大降低，更有利于碳纤维在风电叶片领域的推广和应用。

上述技术方案的主承力梁增强材料(碳纤维和玻璃纤维混杂)中，所述碳纤维与玻璃纤维的体积比优选为7∶3～9∶1，即碳纤维相对体积分数(碳纤维体积与碳纤维体积加玻纤体积之和的比值)为70％～90％。理论和实验结果表明，碳纤维相对体积分数为70％～90％的碳纤维和玻璃纤维混杂增强主承力梁的强度比纯玻璃纤维增强主承力梁的强度提高40％～60％，模量提高100％～130％，因此无需使用全碳纤维增强主承力梁就能够充分满足风电叶片主承力梁承载的要求。加入相对体积分数为10％～30％的玻璃纤维作为主承力梁增强材料，一方面是为降低成本，但更重要的是原因是为了增加主承力梁的韧性和断裂应变：因为碳纤维脆性高，CFRP断裂应变小，为了防止主承力梁在极限风载下的脆性断裂，加入相对体积分数10％～30％的玻璃纤维能够有效提高主承力梁的韧性和断裂应变。此外，玻璃纤维的浸渍性能优于碳纤维，玻璃纤维的加入能够提高树脂胶液浸渍厚截面主承力梁的速度。

上述技术方案的翼缘加强部增强材料(碳纤维和玻璃纤维混杂)中，所述碳纤维与玻璃纤维体积比优选为1∶9～3∶7，即碳纤维的相对体积分数为10％～30％。现有的叶片翼缘加强部是以纯GFRP取代泡沫夹芯，目的就是为了提高翼缘的刚度，防止叶片在运输、装机和运行过程中叶片翼缘遭到破坏从而影响叶片的整体气动外形和发电效率。但对于超大型叶片而言，纯GFRP翼缘的刚度可能难以满足要求，因此本发明采用碳纤维和玻璃纤维混杂的形式来提高翼缘刚度。我们的研究和实验表明，碳纤维相对体积分数为10％～30％的碳纤维和玻璃纤维混杂材料的模量比纯GFRP的模量提高30％～60％，由于翼缘并非主承力部件，模量提高30％～60％足以满足要求，同时考虑到成本问题，无需采用全碳纤维增强的形式。