明陽(yáng)智慧能源材料研發(fā)工程師張華華：《碳?；炀幙椢镌陲L(fēng)電葉片上的開(kāi)發(fā)及研究》

 

　　以下為演講實(shí)錄：

 

　　各位風(fēng)電同仁大家上午好，很高興有機(jī)會(huì)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(fēng)電葉片上的開(kāi)發(fā)及研究。我主要從以下四方面給大家介紹。碳?；炀幙椢锏难邪l(fā)背景，研發(fā)過(guò)程，研發(fā)成果，應(yīng)用前景。風(fēng)電行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，一是海上風(fēng)資源開(kāi)發(fā)，二是陸上進(jìn)一步超低風(fēng)資源開(kāi)發(fā)，均要求葉片大型化、輕量化。目前葉片主梁常用玻纖時(shí)層合板拉壓模量52GPa，常用碳纖時(shí)層合板拉壓模量120GPa。材料的研發(fā)過(guò)程，首先進(jìn)行材料的選型，計(jì)劃采用是玻纖還是碳纖還是碳?；欤_定了材料大體類(lèi)型之后，可以通過(guò)材料設(shè)計(jì)，然后提出一些關(guān)鍵的材料的一些性能指標(biāo)，找合作供應(yīng)商進(jìn)行合作研發(fā)，在合作的時(shí)候，我們一般會(huì)制定一個(gè)打樣測(cè)試計(jì)劃，然后再進(jìn)行測(cè)試和實(shí)驗(yàn)。不同型號(hào)的產(chǎn)品進(jìn)行選型測(cè)試以及評(píng)估，初步評(píng)估以后再進(jìn)行第三方機(jī)構(gòu)的測(cè)試以及擴(kuò)展工藝實(shí)驗(yàn)。測(cè)試，試驗(yàn)都完成以后，材料基本就可以定型，開(kāi)發(fā)項(xiàng)目的時(shí)候，差不多花了半年時(shí)間，進(jìn)行碳玻混編織物的選型測(cè)試對(duì)比。

 

　　在織物研發(fā)過(guò)程也出現(xiàn)了一些問(wèn)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(cè)試的性能主要從以下幾個(gè)方面，織物性能，關(guān)鍵FRP性能，補(bǔ)充FRP性能，疲勞性能。關(guān)鍵FRP性能測(cè)試了0度拉伸，0度壓縮，90度拉伸，面內(nèi)剪切。補(bǔ)充FRP性能，測(cè)試了90度壓縮和彎曲，層間剪切，雙開(kāi)槽平面剪切。纖維體積含量測(cè)試是關(guān)鍵，針對(duì)碳纖維我們一般采用碳纖維增強(qiáng)塑料樹(shù)脂含量試驗(yàn)方法的硫酸腐蝕法。針對(duì)玻纖采用ISO1172燒蝕法。針對(duì)碳玻混編，這兩種方法直接使用均不再適合。有的文獻(xiàn)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(shù)脂，這個(gè)方法耗時(shí)長(zhǎng)，而且比較危險(xiǎn)，比較復(fù)雜。我們采用階梯升溫?zé)g法，做過(guò)對(duì)比驗(yàn)證，測(cè)試是在400到500攝氏度，以及800到900攝氏度進(jìn)行燒蝕。對(duì)于一個(gè)新材料而言，并不是十分確定它的性能是多少。所以要通過(guò)精細(xì)的控制進(jìn)行制樣，測(cè)試，來(lái)確保測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)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(cè)試更精確，纖維體積含量可以控制。利于測(cè)試的準(zhǔn)確性，具有較小的離散系數(shù)，較快的測(cè)試進(jìn)度。

 

　　下面是力學(xué)性能對(duì)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(jìn)行對(duì)比，共進(jìn)行了代號(hào)A到K的11種混編織物的打樣和測(cè)試。以代號(hào)為ABCD為例去進(jìn)行0°拉伸壓縮模量對(duì)比，代號(hào)為A和B的0°拉伸壓縮模量平均值是80GPa左右，代號(hào)為C和D的0°拉伸壓縮模量平均值是75GPa左右。右下角這個(gè)圖是實(shí)驗(yàn)室做的代號(hào)為K的混編織物的性能，0度拉伸強(qiáng)度是1705Mpa，0度壓縮強(qiáng)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(jì)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(jìn)行了疲勞測(cè)試，拉拉和拉壓疲勞m值均大于14，滿足GL認(rèn)證要求。我們進(jìn)行了一系列的工藝實(shí)驗(yàn)，評(píng)價(jià)它的灌注行為，灌注時(shí)間、進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，孔隙率測(cè)試。模擬主梁灌注效果，不同厚度取樣測(cè)試?yán)w維體積含量FVF。

 

　　研發(fā)成果確認(rèn)了混編織物的型號(hào)及編織工藝，探究了混編織物的纖維體積含量的測(cè)試方法，完成的選型測(cè)試及三方檢測(cè)符合胡克定律等等。碳?；炀幦~片防雷系統(tǒng)，我們進(jìn)行了特殊的等電位設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)一系列模擬實(shí)驗(yàn)，最終進(jìn)行碳玻葉片防雷系統(tǒng)以及通過(guò)雷電電流和電壓測(cè)試。

 

　　碳?；祗w系葉片具有較強(qiáng)的靈活性。全玻纖主梁、碳玻混鋪主梁、碳?；炀幹髁骸S/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(jìn)行重量和成本分析。純碳纖主梁時(shí)，重量25.8t，單支葉片材料成本149萬(wàn)。雙面碳?；熘髁簳r(shí)，重量27.6t，單支葉片材料成本118萬(wàn)。單面碳?；熘髁簳r(shí)，重量29.7t，單支葉片材料成本99萬(wàn)。純玻纖主梁時(shí)，重量30.9t，單支葉片材料成本92萬(wàn)。

 

　　重量對(duì)比，以長(zhǎng)度為70多米的葉片為例，等凈空設(shè)計(jì)條件下應(yīng)用碳?；旒夹g(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(shí)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。

 

　?。òl(fā)言由現(xiàn)場(chǎng)速記整理，未經(jīng)本人審閱）