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欧宝平台登录:碳纤维复合材料在风电叶片主梁的不同应用方式
更新日期:2022-05-11 13:21:25 来源:欧宝足球直播 作者:欧宝直播足球直播

  目前碳纤维主梁的工艺主要有三种:预浸料工艺、碳布灌注工艺和拉挤碳板工艺。这是基于风电传统工艺和碳纤维工艺特点形成的。

  预浸料工艺是最传统的碳纤维复合材料加工工艺,因此最初制作叶片大梁也使用预浸料。

  因为叶片都很长,因此没有办法采取传统的高温固化。如此制作叶片大梁使用的碳纤维预浸料是一种低温固化预浸料,加工工艺采取的真空袋压的方式,该工艺对手工操作要求较高,而且固化时间也较长。预浸料工艺制备碳纤维大梁,以手工方式铺放,生产复杂形状结构件的理想工艺,工艺及设备也成熟,劳动环境比较差,效率低,成本很高,目前多在样机中使用,无法满足批量化使用的要求。

  碳布灌注工艺是目前多家风机及叶片厂家使用的工艺,普通叶片的玻纤大梁就采取该工艺。该工艺比较成熟。

  该工艺对模具要求不高,模具制作简单,甚至可以利用现有模具,产品质量稳定性高,重复性能好,制品表观质量好,相同铺层厚度薄,强度高。但该工艺对碳布要求较高,且生产效率不高,成本也较高,而且一旦出问题,就会导致整个碳梁报废,因此制约了其推广。

  拉挤工艺是复合材料工艺中效率最高、成本最低的,而且纤维含量高,质量稳定,连续成型易于自动化,适合大批量生产。利用碳纤维拉挤板材制备叶片大梁可以和叶片一起制作,铺层工艺简单,利用该工艺制作叶片的时间只有灌注工艺的一半,但对叶型设计有较高要求。

  利用该工艺制作叶片大梁是维斯塔斯的核心,该公司开发成功后,开始大规模推广。该工艺利用利用制作好的碳纤维拉挤板材,在特定的工装辅助下,进行铺叠就可以了,简化了工艺,缩短了时间。目前维斯塔斯兆瓦级以上风机叶片都使用碳纤维复合材料,极大的推动了碳纤维在风电领域的应用,2016年全球碳纤维用量首次超过航空航天,成为碳纤维用量最大的领域,2017年风电使用的碳纤维2万4千多吨,维斯塔斯一家用量就在2万吨左右。

  碳纤维制作叶片大梁的不同工艺受到了多家公司的研究,而随着风电的快速发展,大叶片的趋势也越来越明显,碳纤维在叶片中应用也成了必然。但三种工艺差异明显,如何选择就是一个问题。下表是某家公司对三种工艺的分析对比。

  但利用拉挤工艺生产碳纤维复合材料板材应用于风电优势明显,是碳纤维产业的重大创新突破,直接推动了碳纤维在工业领域的应用进步。(严说一点)

  在环境问题越发严重的今天,如何利用新型清洁能源来代替传统的石油煤炭资源已经成为社会关注的热点问题,而风电作为清洁能源当中的一种,受到了越来越多的关注。

  风力发电技术自发明之日起至今已近百年,相应的技术能力已较成熟,但仍然面临着相当大的挑战与挫折。风力发电装备的主要部件——叶片,目前多使用玻璃纤维增强复合材料(GFRP)制造,其具有良好的强度与刚性,以及较低的生产成本。但由于对于发电机组发电容量要求的逐渐提高,相应叶片尺寸也要逐步增大,对于材料强度及刚度性能要求也随之产生了更高的标准,为此在叶片制造过程中采用碳纤维已成为不二的选择。

  据研究资料表明,只在大梁处用碳纤维复合材料替换玻璃纤维复合材料,叶片重量减轻12%,并且具有更高的刚性和耐疲劳性,同时带来更低的运输安装成本以及维修成本,还有延长风机使用寿命的成本降低。碳纤维复合材料的成型方法多种多样,对于复合材料板材的生产制造也有多种选择,如预浸料工艺、碳布灌注工艺和拉挤工艺等。

  其中,拉挤成型工艺是一种连续生产固定截面纤维增强复合材料的成型方法,该技术始于1948年的美国,并在全世界得以发展推广。拉挤型材广泛应用于电气设备、耐腐蚀部件、建筑工程、运输行业及军事等领域,目前正处在高速发展的阶段。拉挤成型从理论上可以生产出任意长度的制品,典型的拉挤线m/min,快速成型速率可以达到4m/min以上,并且可以同时生产多件产品,从而极大地提高了成型效率,适用于大批量生产;此外,生产过程可以完全实现自动化控制,产品截面形状实现系列化与标准化,显著降低了复合材料制品质量的离散性,性能稳定;纤维含量高,最高可达80%,由于成型时纤维在张力作用下充分展直,纤维性能可以得到充分发挥,纵向力学性能突出,原材料利用率也可达到95%以上。

  拉挤成型的一般步骤有纤维供给─纤维导向─树脂浸渍─预成型─拉挤成型─牵引─切割─拉挤成型制品,其加热成型部分一般分为预热区、凝胶区和固化区,如上图所示。现有的拉挤树脂包括不饱和聚酯树脂、乙烯基树脂、环氧树脂等。

  FC FXR/FXC-550是一种拉挤工艺用环氧树脂,常应用于复合材料拉挤工艺。FXR/FXC-550有着高环保安全特性(无溶剂固化体系),具有高力学性能、高耐温性能、适用期长和优异的拉挤速度;根据制品形状,可达 100-500mm/min;对玻璃纤维和碳纤维具有良好的浸润性,有着良好的储存稳定性,储存时间长达1年。

  拉挤成型作为一种高效生产固定截面复合材料的先进生产工艺,对于设备以及工艺参数的设定及调控极其严格,任何一处小的改动或者毫微的失误都会造成极其严重的后果。因此下面仅对产品结构,材料选择以及生产工艺方面做一些简单的介绍,一些数据和配比仅供参考。

  碳梁由复合材料板主体、左侧保护层、上脱模布、右侧保护层、下脱模布等组成。复合材料板主体的纤维为碳纤维,纤维体积含量为50%~80%;复合材料板材左、右侧保护层的增强材料为玻璃纤维,数量为每侧至少1根。

  材料的树脂选用高性能环氧树脂,固化剂优选为液体酸酐固化剂,促进剂优选为叔胺类促进剂,脱模剂优选为环氧型脱模剂。树脂配比为环氧树脂:固化剂:促进剂:脱模剂=100:(80~110):(0.5~2.0):(0.5~2.5)。

  上、下脱模布材质为尼龙或聚酯。脱模布一方面可以在产品包装及转运过程中保护碳梁不因划伤、刮擦而受损,另外在使用时,揭除脱模布后碳梁形成的粗糙表面可以增加产品粘接强度,免除碳梁的打磨工序,节省工时及成本。

  (1-纱架,2-集纱板,3-分层纱板,4-浸胶槽,5-混胶,6-挤胶辊,7-脱模布,8-预成型模, 9-成型模具,10-牵引装置,11-切断装置,12-收卷装置)

  准备长度为900mm的拉挤成型模具,并固定在拉挤机模具固定架上。将规定数量的48K或24K碳纤维安装在纱架上,并依次通过浸胶槽、预成型模、成型模具,并引入牵引机。

  成型模具三区温度按要求设定并升温,等成型模具温度均衡后,将配好的树脂加入浸胶槽,纤维分2~4层浸胶,拉挤速度设定为0.2~0.5m/min,碳纤维浸胶后通过挤胶辊、预成型模等四道逐级挤胶,充分降低入模前浸胶碳纱的含胶量,和上、下脱模布随纤维一起进入成型模具。

  成型后的板材经风箱冷却降温后,进入牵引机和收卷机,成为复合材料板材成品。(南通富凯)返回搜狐,查看更多

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