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风电叶片用单向复合材料的性能评估与未来趋势探讨——贾智源/材料实验室主任

上传日期:2016-04-29  播放次数:2963
观视频介绍
以下内容为现场速记:
14贾智源
中材科技风电叶片股份有限公司贾智源/材料实验室主任
  各位同事下午好,感谢组委会给的这个机会去谈一下个人对风电叶片单向复合材料的认识,首先跟大家抱歉一下,虽然是一个题目,我会讲两个内容,前面讲一下单向复合材料后面介绍一下比较有意义的无损检测结果。
  我主要分三个部分讲,单向复合材料对风电叶片的重要性; 以提高模量为重心的发展方向;过么正在进行中的材料技术升级。
  单向复合材料熟悉的人不陌生,单向复合材料是风电叶片主承力结构的重要组成,主要用于风电叶片的主梁帽的部分,设计要求是刚性,压缩强度,横向性能,疲劳;常用的工艺真空导入成型或浸料转型;常用原材料:单轴向织物或预浸料,树脂。
  风电叶片大型化提高了对结构减重的技术需求。重量带来的风险,固有频率与叶片旋转频率接近,易发生共振;主梁帽层间失效风险增加。对叶根抗疲劳能力提出更高的要求,导致运输、安装困难,系统整体成本提高。单向复合材料是结构减重的主力,56m 3MW叶片采用碳纤维单向复合材料结构减重显著。叶片所减少的重量几乎就是单向复合材料结构(主梁帽)所减少的重量。单向复合材料需要兼顾刚性与疲劳性能, 虽然叶片变长了,但是我希望不要变的那么重。
  我强调单向复合材料重要性,它是叶片材料减重的阻力,叶片所减少的重量几乎就是单向复合材料结构所减少的重量。单向性能在叶片设计最重要两个方面,一个是刚性,另外是一个疲劳,刚性跟使用纤维有关,疲劳性能得益于有没有良好的拉伸能力。从大的趋势来讲,以提高模量为重心,但是这个不是我们最终目的,我们最终目的实现在结构减重的同时,也实现成本的降低。
  以提高模量为重心的发展方向,为了风电叶片的结构减重需求,需要发展模量更高的单向复合材料。2015年6月,挪威GL的高级首席工程师Dayton Griffin在CompositeWorld中发表。文章“Wind turbine blades: Back to the future?”中提出,在保证足够刚度的前提下叶片减重的方法有三种:1)增加普通E玻纤的纤维重量含量;2)使用高模量玻纤;3)使用碳纤维或其他替代品。使用高模量纤维主要是高模量玻纤与碳纤维,鲜见其他种类的纤维。
  高模量玻纤由于价格低廉,供应充足,高模量玻纤(比普通E玻纤模量提升10%-
  15%)在大型叶片中得到越来越多的应用。优点:不改变现有生产工艺,成本增加较少。缺点:模量增加幅度有限。
  下面是碳纤维成本高的让我们业内难以接受,碳纤维在大型风电叶片中应用可以实现不少于20%的叶片减重。但由于成本高,供应不稳定,应用推广困难。预浸料技术模量提升200%到300%,优点技术成熟,已经得到应用验证,缺点对制造工艺要求高,成本高。真空导入技术,较预浸料技术略低,优点是不改变现有生活工艺,工艺成本增加较少,缺点是成本高,对编织技术要求高。拉挤技术模量提升200%到350%,优点碳纤维含量较高,抗压性能得到保障。缺点就是工艺变化大,叶片结构需重新设计。
  普通E玻纤提高0度纤维含量,改变织物结构,增加面重降低维纱含量,单向符合材料模量提升5%到15%,优点不改变现有生产工艺,成本增加小,缺点模量提高幅度有限,并增加疲劳风险。使用拉挤工艺,单向复合材料模量提升5%到15%,优点纤维分布均匀,抗压能力高,缺点,工艺大调整,结构需要重新设计。如何兼顾工艺稳定性和材料的疲劳性能要求是技术难点。
  国内正在进行材料升级方向,第一个是高模量玻纤的国产化基本完成。我们进行了一些分析,对于常见的四种高模玻纤单向织物,其中D为泰山玻纤的HMG高模玻纤。(1)高模玻纤原纱粗纱浸胶纱的拉伸力学性能相近。(2)RTM工艺下,等厚层合板的0度拉伸性能相近。但在真空导入工艺下,由于纤维体积含量的不同,高模玻纤层合板表现出不同的0度拉伸性能,尤其强度差别较大。
  第二个S级玻纤为有可能在叶片上得到应用,S级提高了幅度也是比较小,但是不失为未来一个选择性。真空袋压碳纤维预浸料成型主梁帽已经形成批量,使用碳纤维预浸料制作叶片,需要增加铺放工装和人员,对铺层要求比较严格。真空导入成型碳纤维主梁帽技术已经成熟,技术在45.2m叶片得到验证,减重效果与预浸料技术相当。碳玻混杂技术提供更多的选择机会。填补了玻纤到碳纤(40~120GPa)模量的空白,给叶片设计人员提供了更多
  的选择;合理的减重和主机协同优化,有助于实现风电机组的成本最优。拉挤成型技术被认为是一种有望大幅度降低叶片成本的技术。自动化程度高,产品纤维含量高,力学性能高,纤维方向一致性高,缺陷少,可联系生活,占用空间小,垃圾工艺优势。
  开发中的可用于提高纤维含量的低粘度树脂,在沿纤维方向的拉伸性能上,采用PU的单向复合材料层合板的。模量比EP提高了6.8%,强度基本相当;在沿纤维方向的压缩性能上,采用PU的单向复合材料层合板,模量提高了18.9%,而强度提高了27.1%;在垂直于纤维方向的拉伸性能上,采用PU的单向复合材料层合板的强度提高了62.6%。
  单向复合材料模量在增加,但是性价比呈现不断下降的趋势; 若可以提高纤维含量,将有助于成本的降低和性价比的提高。
  这就是我的报告。谢谢大家!
 
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