一种复合材料风机叶片及其制备方法与应用
阅读说明：本技术 一种复合材料风机叶片及其制备方法与应用 (Composite material fan blade and preparation method and application thereof ) 是由 张孟庭 石贝贝 于 2021-06-03 设计创作，主要内容包括：本申请涉及风力叶片领域,具体公开了一种复合材料风机叶片及其制备方法与应用。一种复合材料风机叶片,包括壳体、主梁、腹板、后缘梁、叶根预制件,还包含以下质量混合比的组分：HYVER树脂30-40%；纤维原料45-55%；芯材0-20%；环氧结构胶0-10%。本申请采用HYVER 树脂作为结构层,所制备之复合材料具备优异力学性能,因此在符合叶片设计要求前提下,可以减少铺层数,进而达到减重目的,由于本申请采用HYVER 树脂作为结构层,HYVER树脂成本可明显低于现有主流材料,力学性能却高于现有主流材料,有利于降低成本和提高风机叶片的强度,且HYVER 树脂灌注效率高,因此整体具有良好的应用性。(The application relates to the field of wind blades, and particularly discloses a composite material fan blade and a preparation method and application thereof. A composite material fan blade comprises a shell, a main beam, a web plate, a rear edge beam and a blade root prefabricated part, and further comprises the following components in mass mixing ratio: 30-40% of HYVER resin; 45-55% of fiber raw material; 0-20% of core material; 0-10% of epoxy structural adhesive. This application adopts HYVER resin as the structural layer, the combined material who prepares possesses excellent mechanical properties, consequently accord with under the blade design requirement prerequisite, can reduce the number of layings, and then reach and subtract heavy purpose, because this application adopts HYVER resin as the structural layer, HYVER resin cost can obviously be less than current mainstream material, mechanical properties is higher than current mainstream material yet, be favorable to reduce cost and the intensity that improves fan blade, and HYVER resin perfusion efficiency is high, consequently whole has good application.)
技术领域
本申请涉及风力叶片领域，更具体地说，它涉及一种复合材料风机叶片及其制备方法与应用。
背景技术
风机叶片，是风力发电机的核心部件之一，风机叶片对材料要求很高，不仅需要具有较轻的重量，还需要具有较高的强度、抗腐蚀、耐疲劳性能，在风力发电机中叶片的设计直接影响风能的转换效率。
现有叶片制造工艺已非常成熟，各树脂系统在性能上也十分稳定，虽然如此，树脂特性还是存在着无法克服困难，如最主流材料环氧树脂(epoxy)，就存在材料成本高、生产效率低、黏度高等问题；不饱和聚酯树脂(UPR)、乙烯基酯树脂(VER)存在VOC(Volatileorganic compound,有机挥发物)问题，在生产制造过程及后端制品造成环保问题，且操作时间短难以应用于大型制件、产品收缩大、产品力学较差；聚氨酯树脂(PU)其原料毒性高、材料高吸湿、产品批次差大、产品稳定度低、对设备要求高、设备成本投入高、辅材都属特规品市面上不易取得及辅材成本高等问题。
针对上述中的相关技术，发明人认为现有风机叶片的生产成本高，生产效率低，且风机叶片的强度较低，整体应用效果有待提升。
发明内容
为了提高风机叶片的强度、提升生产效率、并节约风机叶片的生产成本，本申请提供一种复合材料风机叶片及其制备方法与应用。
第一方面，本申请提供一种复合材料风机叶片，采用如下的技术方案：
一种复合材料风机叶片，包括主梁、腹板、后缘梁、叶根预制件，其特征在于，还包含以下质量混合比的组分：
HYVER树脂 30-40％；
纤维原料 45-55％；
芯材 0-20％；
环氧结构胶 0-10％。
通过采用上述技术方案，由于采用HYVER树脂取代现有主流材料(如环氧树脂(epoxy)、不饱和聚酯树脂(UPR)、乙烯基酯树脂(VER)、聚氨酯树脂(PU))，可以提供优异力学性能，因此在符合叶片设计要求前提下，可以减少铺层数，进而达到减重目的，并提高生产效率。而HYVER树脂的成本可明显低于现有主流材料，力学性能却高于现有主流材料，有利于降低成本和提高风机叶片的强度，因此整体具有良好的应用性。
优选的，所述纤维原料选用玻璃纤维和碳纤维的任意一种。
通过采用上述技术方案，玻璃纤维和碳纤维均能够为风机叶片提供良好的结构支撑，使风机叶片自身保持良好的强度。
优选的，所述纤维原料选用为玻璃纤维。
通过采用上述技术方案，选用玻璃纤维制备复合材料风机叶片除了可以提供优异性能外，玻璃纤维同时具备成本低、规格完整及供货稳定等优势，因此除特用规格会使用碳纤维作为纤维补强材外，复合材料风机叶片优先选用玻璃纤维。
优选的，所述芯材选用为PVC泡沫芯材、PET泡沫芯材和巴沙木芯材中的任意一种或多种混合物。
通过采用上述技术方案，PVC泡沫芯材、PET泡沫芯材和巴沙木芯材能够降低风机叶片质量，使叶片在满足强度的同时增大受风面积，进而提高风机叶片整体的应用性。
优选的，所述芯材由PVC泡沫芯材和巴沙木芯材混合而得。
通过采用上述技术方案，PVC泡沫芯材和巴沙木芯材的结合能够具有优良的比刚度和比强度，能够防止风机叶片发生局部屈服，并可以有效降低风机叶片的单位体积成本，进而提高风机叶片整体的结构强度和应用性。
优选的，所述复合材料风机叶片，包括主梁、腹板、后缘梁、叶根预制件，还包含以下质量混合比的组分：
HYVER树脂 30-40％；
纤维原料 45-55％；
PVC泡沫芯材 0-10％；
巴沙木芯材 0-10％；
环氧结构胶 0-10％。
通过采用上述技术方案，上述比例的PVC泡沫芯材和巴沙木芯材用于风机叶片，可以起到增加结构刚度的优异作用，有利于防止局部失稳，进而提高整个叶片的抗载荷能力。
优选的，所述复合材料风机叶片，包括主梁、腹板、后缘梁、叶根预制件，还包含以下质量混合比的组分：
HYVER树脂 35％；
纤维原料 50％；
PVC泡沫芯材 3％；
巴沙木芯材 7％；
环氧结构胶 5％。
通过采用上述技术方案，上述比例原料配合得到的风机叶片，整体强度优异。
第二方面，本申请提供一种复合材料风机叶片的制备方法，采用如下的技术方案：一种复合材料风机叶片的制备方法，包括以下步骤：
(1)将纤维原料放入叶片叶壳模具中，然后将主梁、后缘梁和叶根预制件放入叶片叶壳模具中，后放置芯材，得到层合结构；
(2)紧接着导入真空灌注工艺所需耗材，开启真空泵抽出层合结构中的空气，在达到完全真空后，立即将HYVER树脂注入层合结构，使层合结构被HYVER树脂充分润湿含浸，然后进行加热固化，得到半片叶片；
(3)将两个半片叶片与腹板用环氧结构胶粘合在一起形成复合材料风机叶片。
通过采用上述技术方案，在符合叶片设计要求前提下，减少铺层数，进而达到减重的目的；而HYVER树脂具备低黏度及高浸润性，灌注效率高，进而能够提高风机叶片整体的生产效率；选用预制备两个半片叶片及腹板进行胶合，非使用一体成型工艺，可以透过将各部件分段制造，提升生产效率，且可以提高模具的驾动率，有助于大批量生产。
优选的，复合材料风机叶片的制备方法，包括以下步骤：
(1)将纤维原料放入叶片叶壳模具中，然后将主梁、后缘梁和叶根预制件放入叶片叶壳模具中，后放置芯材，得到层合结构；
(2)紧接着导入真空灌注工艺所需耗材，开启真空泵抽出层合结构中的空气，在达到完全真空后，抽真空时间为50-80min，真空度20-30mbar，立即将HYVER树脂注入层合结构，使层合结构被HYVER树脂充分润湿含浸，灌注时间为90-120min，然后进行加热固化，加热温度为50-70℃，加热时间3-5h，得到半片叶片；
(3)将两个半片叶片与腹板用环氧结构胶粘合在一起形成复合材料风机叶片。
通过采用上述技术方案，操作过程中控制上述真空度，能够使层合结构被HYVER树脂快速充分润湿含浸，且不会损坏层合结构，并在加热固化时，上述温度和时间，能够发挥出良好的固化效果，使得到的风机叶片品质优异稳定。
第三方面，本申请提供一种复合材料风机叶片的应用方法，采用如下的技术方案：一种复合材料风机叶片的应用，所述复合材料风机叶片可用于风能系统。
通过采用上述技术方案，复合材料风机叶片可用于为风能系统关键材料之一，可提供减重、耐蚀、耐候、耐疲劳性等材料特性，同时制造成形流程兼具复杂外型及后加工简易等工艺条件。
综上所述，本申请具有以下有益效果：
1、由于本申请采用HYVER树脂作为结构层，所制备之复合材料具备优异力学性能，因此在符合叶片设计要求前提下，可以减少铺层数，进而达到减重目的；
2、由于本申请采用HYVER树脂作为结构层，HYVER树脂具备低黏度及高浸润性，进而提升灌注速率，可提升20％灌注效率；
3、由于采用HYVER树脂取代现有主流材料(如环氧树脂(epoxy)、聚氨酯树脂(PU))，材料成本可达15-30％降幅。
具体实施方式
以下结合实施例对本申请作进一步详细说明。
实施例
实施例1
一种复合材料风机叶片，其各组分及其相应的质量百分比如表1所示，且由以下步骤制备获得：
(1)将纤维原料放入叶片叶壳模具中，然后将主梁、后缘梁和叶根预制件放入叶片叶壳模具中，后放置芯材，得到层合结构；
(2)紧接着导入真空灌注工艺所需耗材，开启真空泵抽出层合结构中的空气，在达到完全真空后，抽真空时间为65min，真空度30mbar，立即将HYVER树脂注入层合结构，使层合结构被HYVER树脂充分润湿含浸，灌注时间为105min，然后进行加热固化，加热温度为60℃，加热时间4h，得到半片叶片；
(3)将两个半片叶片与腹板用环氧结构胶粘合在一起形成复合材料风机叶片。
注：上述步骤中的纤维原料选用玻璃纤维；芯材选用为PVC泡沫芯材和巴沙木芯材中的混合物；且得到的复合材料风机叶片为68.8米业型。
实施例2
一种复合材料风机叶片，与实施例1的不同之处在于，其由以下步骤制备获得：
(1)将纤维原料放入叶片叶壳模具中，然后将主梁、后缘梁和叶根预制件放入叶片叶壳模具中，后放置芯材，得到层合结构；
(2)紧接着导入真空灌注工艺所需耗材，开启真空泵抽出层合结构中的空气，在达到完全真空后，抽真空时间为50min，真空度25mbar，立即将HYVER树脂注入层合结构，使层合结构被HYVER树脂充分润湿含浸，灌注时间为120min，然后进行加热固化，加热温度为50℃，加热时间5h，得到半片叶片；
(3)将两个半片叶片与腹板用环氧结构胶粘合在一起形成复合材料风机叶片。
实施例3
一种复合材料风机叶片，与实施例1的不同之处在于，其由以下步骤制备获得：
(1)将纤维原料放入叶片叶壳模具中，然后将主梁、后缘梁和叶根预制件放入叶片叶壳模具中，后放置芯材，得到层合结构；
(2)紧接着导入真空灌注工艺所需耗材，开启真空泵抽出层合结构中的空气，在达到完全真空后，抽真空时间为80min，真空度20mbar，立即将HYVER树脂注入层合结构，使层合结构被HYVER树脂充分润湿含浸，灌注时间为90min，然后进行加热固化，加热温度为70℃，加热时间3h，得到半片叶片；
(3)将两个半片叶片与腹板用环氧结构胶粘合在一起形成复合材料风机叶片。
实施例4-5
一种复合材料风机叶片，与实施例1的不同之处在于，其各组分及其相应的质量百分比如表1所示。
表1 实施例1中各组分及其质量百分比
实施例6
一种复合材料风机叶片，与实施例1的不同之处在于，上述步骤中的纤维原料选用碳纤维，购自美国卓尔泰克50K zoltex 50k碳丝碳纤维碳。
实施例7
一种复合材料风机叶片，与实施例1的不同之处在于，上述步骤中的芯材选用为PVC泡沫芯材和PET泡沫芯材的混合物，其混合质量比为1：1，PET泡沫芯材购自为思瑞安AIREX T92芯材。
实施例8
一种复合材料风机叶片，与实施例1的不同之处在于，上述步骤中的芯材选用为PET泡沫芯材和巴沙木芯材的混合物，其混合质量比为1：1。
实施例9
一种复合材料风机叶片，与实施例1的不同之处在于，上述步骤中的芯材选用为PVC泡沫芯材。
实施例10
一种复合材料风机叶片，与实施例1的不同之处在于，上述步骤中的芯材选用为巴沙木芯材。
对比例
对比例1
一种复合材料风机叶片，与实施例1的不同之处在于，上述步骤中的HYVER树脂等质量替换为环氧树脂(epoxy)。
对比例2
一种复合材料风机叶片，与实施例1的不同之处在于，上述步骤中的HYVER树脂等质量替换为聚氨酯树脂(PU)。
性能检测试验试验样品：采用实施例1-10中获得的复合材料风机叶片作为试验样品1-10，采用对比例1-2中获得的复合材料风机叶片作为对照样品1-2。
评断方法：根据叶片制造过程之总工时及所使用之材料费(包括主体树脂、纤维原料、PVC泡沫芯材、巴沙木芯材、环氧结构胶)，进行成本结构分析，比对现有主流材料环氧树脂(epoxy)所制造叶片之工艺(对照样品1)，比对结果包括成本降幅度及生产效率提升，分析结果如表2所述。
试验结果：
表2 试验样品1-10和对照样品1-2的测试结果
结合实施例1和对比例1-2并结合表2可以看出，使用HYVER树脂取代主流树脂，可以有效降低成本。环氧树脂(epoxy)黏度大于HYVER树脂且反应性较低，因此层合结构被环氧树脂(epoxy)充分润湿含浸，灌注时间相较HYVER须延长10-30％；且后段进行加热固化之时间相较HYVER须延长10-30％。聚氨酯树脂(PU)除现实树脂成本较高外，聚氨酯树脂原料受水分影响巨大，因此所有纤维原料及芯材都无法使用现有市售常规品，须定制生产，因此在批量应用上及生产成本上都是一大难题；HYVER树脂材料具优异耐水性质，不易受水的影响，因此能直接选用大部分现有规格之纤维原料及芯材，使用聚氨酯树脂(PU)须提高30％以上材料费支出。
结合实施例1和实施例2-5、7-10并结合表2可以看出，成本降低主要来自主树脂之替换，针对辅材进行调整于成本影响有限。
结合实施例1和实施例6并结合表2可以看出，纵使碳纤维能提升产品特性，但以成本结构来看，玻璃纤维同时具备成本低、规格完整及供货稳定等优势，因此除特用规格会使用碳纤维作为纤维补强材外，复合材料风机叶片优先选用玻璃纤维。
本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。
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