明阳智慧能源材料研发工程师张华华:《碳玻混编织物在风电叶片上的开发及研究》

2019-04-11 东方风力发电网 点击:122
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   2019年4月11—12日,第五届中国国际风电复合材料高峰论坛(CWPC2019)于中国重庆隆重召开。在大会专题一:科技创新 成就未来——“创新材料、革新技术”中,明阳智慧能源集团股份公司材料研发工程师张华华女士发表了题为《碳玻混编织物在风电叶片上的开发及研究》的精彩演讲。

 

  以下为演讲实录:



 

  各位风电同仁大家上午好,很高兴有机会能在这里跟大家分享一下新材料的研发心得,我的演讲题目是碳玻混编织物在风电叶片上的开发及研究。我主要从以下四方面给大家介绍。碳玻混编织物的研发背景,研发过程,研发成果,应用前景。风电行业发展趋势,一是海上风资源开发,二是陆上进一步超低风资源开发,均要求叶片大型化、轻量化。目前叶片主梁常用玻纤时层合板拉压模量52GPa,常用碳纤时层合板拉压模量120GPa。材料的研发过程,首先进行材料的选型,计划采用是玻纤还是碳纤还是碳玻混,确定了材料大体类型之后,可以通过材料设计,然后提出一些关键的材料的一些性能指标,找合作供应商进行合作研发,在合作的时候,我们一般会制定一个打样测试计划,然后再进行测试和实验。不同型号的产品进行选型测试以及评估,初步评估以后再进行第三方机构的测试以及扩展工艺实验。测试,试验都完成以后,材料基本就可以定型,开发项目的时候,差不多花了半年时间,进行碳玻混编织物的选型测试对比。

 

  在织物研发过程也出现了一些问题,这里面介绍五种情况,第一种一侧轻微掉碳纱,玻纤纱比碳纤纱多,纬纱间隙大,碳纱、玻纱超宽。我们测试的性能主要从以下几个方面,织物性能,关键FRP性能,补充FRP性能,疲劳性能。关键FRP性能测试了0度拉伸,0度压缩,90度拉伸,面内剪切。补充FRP性能,测试了90度压缩和弯曲,层间剪切,双开槽平面剪切。纤维体积含量测试是关键,针对碳纤维我们一般采用碳纤维增强塑料树脂含量试验方法的硫酸腐蚀法。针对玻纤采用ISO1172烧蚀法。针对碳玻混编,这两种方法直接使用均不再适合。有的文献采用的方法是硫酸腐蚀和烧蚀法相结合的方法,95%的浓硫酸,腐蚀掉4%的碳纱,2.7%的玻纱,100%树脂,这个方法耗时长,而且比较危险,比较复杂。我们采用阶梯升温烧蚀法,做过对比验证,测试是在400到500摄氏度,以及800到900摄氏度进行烧蚀。对于一个新材料而言,并不是十分确定它的性能是多少。所以要通过精细的控制进行制样,测试,来确保测试数据的准确性。常规灌注方式有三种,普通的灌注,压板法灌注,以及RTM模具灌注。推荐采用RTM磨具灌注,这样式样更平整,厚度测试更精确,纤维体积含量可以控制。利于测试的准确性,具有较小的离散系数,较快的测试进度。

 

  下面是力学性能对比,改变碳纤纱线密度、编织针数、编织方式、碳纱厂家,织物的克重进行对比,共进行了代号A到K的11种混编织物的打样和测试。以代号为ABCD为例去进行0°拉伸压缩模量对比,代号为A和B的0°拉伸压缩模量平均值是80GPa左右,代号为C和D的0°拉伸压缩模量平均值是75GPa左右。右下角这个图是实验室做的代号为K的混编织物的性能,0度拉伸强度是1705Mpa,0度压缩强度1003Mpa。0度拉伸模量是85.1GPa,0度压缩模量84.9GPa。

 

  根据设计要求混编织物面密度小于1000g/m2,零度拉压模量要求不小于85GPa,我们也进行了疲劳测试,拉拉和拉压疲劳m值均大于14,满足GL认证要求。我们进行了一系列的工艺实验,评价它的灌注行为,灌注时间、进行无损检测,孔隙率测试。模拟主梁灌注效果,不同厚度取样测试纤维体积含量FVF。

 

  研发成果确认了混编织物的型号及编织工艺,探究了混编织物的纤维体积含量的测试方法,完成的选型测试及三方检测符合胡克定律等等。碳玻混编叶片防雷系统,我们进行了特殊的等电位设计,经过一系列模拟实验,最终进行碳玻叶片防雷系统以及通过雷电电流和电压测试。

 

  碳玻混体系叶片具有较强的灵活性。全玻纤主梁、碳玻混铺主梁、碳玻混编主梁、PS/SS单面碳玻混主梁、全碳纤主梁等。以一款80-90m的叶片为例,进行重量和成本分析。纯碳纤主梁时,重量25.8t,单支叶片材料成本149万。双面碳玻混主梁时,重量27.6t,单支叶片材料成本118万。单面碳玻混主梁时,重量29.7t,单支叶片材料成本99万。纯玻纤主梁时,重量30.9t,单支叶片材料成本92万。

 

  重量对比,以长度为70多米的叶片为例,等净空设计条件下应用碳玻混技术优化的减重效果很明显。应用前景,碳波混编织物的高模量可以实现叶片质量和静力矩的显著下降,更低惯性力矩,我的分享就到这里,谢谢大家。

 

  (发言由现场速记整理,未经本人审阅)



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