明陽智慧能源材料研發(fā)工程師張華華：《碳玻混編織物在風電葉片上的開發(fā)及研究》

 

　　以下為演講實錄：

 

　　各位風電同仁大家上午好，很高興有機會能在這里跟大家分享一下新材料的研發(fā)心得，我的演講題目是碳玻混編織物在風電葉片上的開發(fā)及研究。我主要從以下四方面給大家介紹。碳玻混編織物的研發(fā)背景，研發(fā)過程，研發(fā)成果，應(yīng)用前景。風電行業(yè)發(fā)展趨勢，一是海上風資源開發(fā)，二是陸上進一步超低風資源開發(fā)，均要求葉片大型化、輕量化。目前葉片主梁常用玻纖時層合板拉壓模量52GPa，常用碳纖時層合板拉壓模量120GPa。材料的研發(fā)過程，首先進行材料的選型，計劃采用是玻纖還是碳纖還是碳玻混，確定了材料大體類型之后，可以通過材料設(shè)計，然后提出一些關(guān)鍵的材料的一些性能指標，找合作供應(yīng)商進行合作研發(fā)，在合作的時候，我們一般會制定一個打樣測試計劃，然后再進行測試和實驗。不同型號的產(chǎn)品進行選型測試以及評估，初步評估以后再進行第三方機構(gòu)的測試以及擴展工藝實驗。測試，試驗都完成以后，材料基本就可以定型，開發(fā)項目的時候，差不多花了半年時間，進行碳玻混編織物的選型測試對比。

 

　　在織物研發(fā)過程也出現(xiàn)了一些問題，這里面介紹五種情況，第一種一側(cè)輕微掉碳紗，玻纖紗比碳纖紗多，緯紗間隙大，碳紗、玻紗超寬。我們測試的性能主要從以下幾個方面，織物性能，關(guān)鍵FRP性能，補充FRP性能，疲勞性能。關(guān)鍵FRP性能測試了0度拉伸，0度壓縮，90度拉伸，面內(nèi)剪切。補充FRP性能，測試了90度壓縮和彎曲，層間剪切，雙開槽平面剪切。纖維體積含量測試是關(guān)鍵，針對碳纖維我們一般采用碳纖維增強塑料樹脂含量試驗方法的硫酸腐蝕法。針對玻纖采用ISO1172燒蝕法。針對碳玻混編，這兩種方法直接使用均不再適合。有的文獻采用的方法是硫酸腐蝕和燒蝕法相結(jié)合的方法，95%的濃硫酸，腐蝕掉4%的碳紗，2.7%的玻紗，100%樹脂，這個方法耗時長，而且比較危險，比較復(fù)雜。我們采用階梯升溫燒蝕法，做過對比驗證，測試是在400到500攝氏度，以及800到900攝氏度進行燒蝕。對于一個新材料而言，并不是十分確定它的性能是多少。所以要通過精細的控制進行制樣，測試，來確保測試數(shù)據(jù)的準確性。常規(guī)灌注方式有三種，普通的灌注，壓板法灌注，以及RTM模具灌注。推薦采用RTM磨具灌注，這樣式樣更平整，厚度測試更精確，纖維體積含量可以控制。利于測試的準確性，具有較小的離散系數(shù)，較快的測試進度。

 

　　下面是力學(xué)性能對比，改變碳纖紗線密度、編織針數(shù)、編織方式、碳紗廠家，織物的克重進行對比，共進行了代號A到K的11種混編織物的打樣和測試。以代號為ABCD為例去進行0°拉伸壓縮模量對比，代號為A和B的0°拉伸壓縮模量平均值是80GPa左右，代號為C和D的0°拉伸壓縮模量平均值是75GPa左右。右下角這個圖是實驗室做的代號為K的混編織物的性能，0度拉伸強度是1705Mpa，0度壓縮強度1003Mpa。0度拉伸模量是85.1GPa，0度壓縮模量84.9GPa。

 

　　根據(jù)設(shè)計要求混編織物面密度小于1000g/m2，零度拉壓模量要求不小于85GPa，我們也進行了疲勞測試，拉拉和拉壓疲勞m值均大于14，滿足GL認證要求。我們進行了一系列的工藝實驗，評價它的灌注行為，灌注時間、進行無損檢測，孔隙率測試。模擬主梁灌注效果，不同厚度取樣測試纖維體積含量FVF。

 

　　研發(fā)成果確認了混編織物的型號及編織工藝，探究了混編織物的纖維體積含量的測試方法，完成的選型測試及三方檢測符合胡克定律等等。碳玻混編葉片防雷系統(tǒng)，我們進行了特殊的等電位設(shè)計，經(jīng)過一系列模擬實驗，最終進行碳玻葉片防雷系統(tǒng)以及通過雷電電流和電壓測試。

 

　　碳玻混體系葉片具有較強的靈活性。全玻纖主梁、碳玻混鋪主梁、碳玻混編主梁、PS/SS單面碳玻混主梁、全碳纖主梁等。以一款80-90m的葉片為例，進行重量和成本分析。純碳纖主梁時，重量25.8t，單支葉片材料成本149萬。雙面碳玻混主梁時，重量27.6t，單支葉片材料成本118萬。單面碳玻混主梁時，重量29.7t，單支葉片材料成本99萬。純玻纖主梁時，重量30.9t，單支葉片材料成本92萬。

 

　　重量對比，以長度為70多米的葉片為例，等凈空設(shè)計條件下應(yīng)用碳玻混技術(shù)優(yōu)化的減重效果很明顯。應(yīng)用前景，碳波混編織物的高模量可以實現(xiàn)葉片質(zhì)量和靜力矩的顯著下降，更低慣性力矩，我的分享就到這里，謝謝大家。

 

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