一种风电叶片用复合材料主梁帽的制作方法
【专利摘要】本发明公开一种风电叶片用复合材料主梁帽的制作方法，其步骤如下：1）在主梁模具真空口的外端铺双面胶带；2）在双面胶带内侧的主梁模具上由下至上铺放底部导流网、下隔离膜和下脱模布；3）用混编织物、碳纤维织物和/或玻璃纤维织物铺覆于下脱膜布上构成混合纤维预成型体；4）在混合纤维预成型体的上由下至上依次铺上脱模布、上隔离膜和顶部导流网；同时沿其纤维的走向布置流道且预留出注胶口；最后用真空袋从顶部导流网至主梁模具两端整体包覆，留出注胶口；5）将真空袋抽真空；灌注环氧树脂后固化成型。其制作方法简单，易操作；降低风电叶片整体质量及制造成本，提高刚度，风电叶片运行过程中安全可靠，有益于推广应用。
【专利说明】—种风电叶片用复合材料主梁帽的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种主梁帽的制作方法，特别是一种风电叶片用复合材料主梁帽的制作方法；属于大型风电叶片的成型【技术领域】。
【背景技术】
[0002]玻璃纤维和碳纤维是风电叶片用主梁帽中常用的两种纤维增强体，各具有优缺点:碳纤维高强度、高模量，但是延伸率相对较低，通常约0.5%?1.5%，性脆且价格高；而玻璃纤维相对于铝、钢、水泥等材料具有比强度高，延伸率相对较大，约2%?5%，性柔且价格便宜，但抗拉强度和弹性模量均较低。
[0003]上述两种纤维单独应用于大型风电叶片主梁帽存在如下缺陷:I)适用于风电叶片增强的大丝束碳纤维国内生产技术尚不成熟，单纯靠进口成本较高；2)碳纤维预浸料存在树脂适用期短，产品储存和运输成本高；3)碳纤维单丝直径仅为玻璃纤维单丝直径的1/3，碳纤维预成型体内孔隙相对较少，用常规环氧树脂浸溃困难；4)碳纤维具有导电性，导致海上风电叶片易遭受雷击；5)由于玻璃纤维密度较大，导致大型叶片重量增加；6)玻璃纤维刚度较低，风电叶片运行过程中叶尖易触碰塔架；7)碳纤维刚度较大但韧性较差，运行过程中纯碳纤维制作主梁帽预制件的振动频率会与玻纤制作的蒙皮存在差异，易造成碳玻界面间分层。上述缺陷的存在极大限制了碳纤维在风电叶片上应用的同时，也极大地限制了大型风电叶片长度的增加。
【发明内容】
[0004]为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明提供了一种可有效降低风电叶片整体质量和制造成本，提高刚度，避免分层，保证大型风电叶片运行过程中安全可靠，叶尖不触碰塔架的大型风电叶片主梁帽的制作方法。
[0005]为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案:一种大型风电叶片用主梁帽的制作方法，包括步骤如下:
[0006]I)在预制的主梁帽模具长向两端预留的真空口至模具外端处铺设有双面胶带，双面胶带的厚度为2mm?5mm,宽度为IOmm?15mm ；
[0007]2)在步骤I)两端双面胶带内侧的主梁帽模具上表面由下至上依次铺放有底部导流网、下隔离膜和下脱模布；
[0008]3)将含有碳纤维和玻璃纤维的纤维材料铺覆于步骤2)所述下脱膜布的上表面，构成一混合纤维预成型体；该混合纤维预成型体的厚度为IOmm?80mm ；
[0009]4)在步骤3)混合纤维预成型体的表面上由下至上依次铺放上脱模布、上隔离膜和顶部导流网；同时在铺放过程中在该混合纤维预成型体的宽向一侧沿其纤维的走向布置流道且预留出注胶口 ；在两端所述真空口的上方均覆盖有单向导气膜；再用真空袋将所述顶部导流网、所述注胶口、位于两端真空口外侧的所述双面胶带外端和所述主梁模具整体包覆，留出所述注胶口后将其用真空袋密封；[0010]5)将步骤4)密封的真空袋抽成真空状；并通过所述主梁模具的电加热系统将其整体预热至40°C?70°C后向其内灌注环氧树脂，浸透完全后停止灌注；
[0011]6)再将步骤5)浸透环氧树脂的混合纤维预成型体加热升温至70°C?120°C预固化2h?8h后，停止加温，自然冷却，表面温度低于40°C后脱模；成型为所述复合材料主梁帽。
[0012]上述步骤3)中的纤维材料为碳纤维和玻璃纤维混合后编织成的混编织物，或单独编织的碳纤维织物和单独编织的玻璃纤维织物；所述混合纤维预成型体为混编织物铺层结构或单独编织的碳纤维织物和单独编织的玻璃纤维织物以层间交替方式铺覆成型或以上、下边为玻璃纤维织物、中间夹设碳纤维织物的夹芯式铺覆成型。
[0013]上述的碳纤维织物、玻璃纤维织物、混编织物均为单轴向连续织物；其中，碳纤维单轴向织物的面密度为200g/m2?800g/m2，厚度为0.2mm?0.7mm ;玻璃纤维单轴向织物的面密度为300g/m2?1400g/m2,厚度为0.2mm?1.0mm。
[0014]上述的混编织物中包括碳纤维和玻璃纤维；其中，碳纤维占总体积分数为30%?70%，余下为玻璃纤维；所用的碳纤维为12K?50K的碳纤维线丝束；所用的玻璃纤维为无碱玻璃纤维纱；碳纤维和玻璃纤维的混编织物、碳纤维织物均采用热熔纱线捆绑定型；所述该热熔纱的面密度为5g/m2?10g/m2。
[0015]上述用单独编织的碳纤维织物和单独编织的玻璃纤维织物以层间交替方式铺覆的混合纤维预成型体，其最大厚度为IOmm?80mm ;最佳为20mm?50mm ;铺层的具体步骤为:A)在步骤2)的下脱模布上铺I层玻璃纤维织物；B)在步骤A)的玻璃纤维织物层上铺碳纤维织物；然后重复步骤A)、步骤B)15?50次；其中，步骤B)中所用的碳纤维织物可以是I层也可以为2层；以此类推，最后再铺I层玻璃纤维织物。
[0016]上述用单独编织的碳纤维织物和单独编织的玻璃纤维织物以夹芯层方式铺覆的混合纤维预成型体，具体步骤为:先在步骤2)中铺的下脱模布上铺放一厚度为2mm?20mm的由玻璃纤维织物构成的玻璃纤维预成型体，再在玻璃纤维预成型体上铺放一厚度为5mm?30mm的由碳纤维织物构成的碳纤维预成型体,最后在该碳纤维预成型体上再铺放一厚度为2mm?20mm的玻璃纤维预成型体。
[0017]上述步骤4)中所用单向导气膜的一侧为透气不透胶，将该侧朝向上述的真空口铺放。
[0018]上述步骤5)中，抽真空后的真空袋内负压值为-0.098MPa?-0.085MPa ;所用的环氧树脂为在40?70°C下2小时内粘度低于800mPa.s的环氧树脂。
[0019]由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果如下:1)将碳纤维和玻璃纤维混合成型材制作的风电叶片主梁帽，比采用纯玻璃纤维增强降低重量3%?50%，比采用纯碳纤维降低成本15%?65% ;含碳纤维相对体积分数为30%?70%的碳/玻混合纤维增强主梁帽的强度比纯玻璃纤维增强主梁帽的强度提高2%?40%，模量提高50%?130%，因此大于50m长的大型风电叶片无需使用全碳纤维增强主梁帽就能够满足风电叶片的承载要求。2)在主梁帽的增强材料中加入玻璃纤维，明显增加了该风电叶片用主梁帽的韧性和断裂应变性能。解决了现有技术中因为碳纤维本身脆性高，碳纤维复合材料断裂应变小的缺陷，有效提高了主梁帽的韧性和断裂应变。3)玻璃纤维的浸溃性能优于碳纤维，玻璃纤维的加入能够提高树脂胶液浸溃厚截面主梁帽的速度。4)本发明碳/玻混合纤维复合材料主梁帽的制作方法简单，易操作；提高刚度，避免分层，可保证大型风电叶片运行过程中安全可靠。5)由玻/碳混合纤维增强复合材料制备的风电叶片用主梁帽能有效增加风电叶片的临界长度，同时还可减少海上风电叶片遭遇雷击的风险，更有利于碳纤维在风电叶片领域的推广和应用。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1为本发明风电叶片纵向截面示意图。
[0021]图2为图1B向结构示意图。
[0022]图3为图2A-A向结构示意图。
[0023]图4为实例I混编织物预成型的铺层结构示意图。
[0024]图5为实例2碳纤维织物和玻璃纤维织物层间交叉的铺覆结构示意图。
[0025]图6为实例3碳纤维织物和玻璃纤维织物夹芯层方式的铺覆结构示意图。
【具体实施方式】
[0026]本发明的风电叶片用复合材料主梁帽的制作方法，以50m风电叶片用主梁帽为例，对长48m、宽500mm碳纤维和玻璃纤维混合纤维增强复合材料主梁帽的灌注成型实例，包括步骤如下:
[0027]I)在预制的主梁模具长向两端预留的真空口至模具外端处铺覆双面胶带，其厚度为2mm?5mm,宽度为10mm?15mm ；
[0028]2)在步骤I)两端双面胶带内侧的主梁模具上表面由下至上依次铺放有底部导流网、下隔离膜和下脱模布；
[0029]3)选用包括由碳纤维和玻璃纤维混合编织成的混编织物、单独编织的碳纤维织物和玻璃纤维织物以层间交替铺覆或夹芯层方式中任一种铺覆于步骤2)所述的下脱膜布上表面，构成一混合纤维预成型体；
[0030]4)在步骤3)混合纤维预成型体的表面上由下至上依次铺放上脱模布、上隔离膜和顶部导流网；同时在铺放过程中在该混合纤维预成型体的宽向一侧沿其纤维的走向布置流道且预留出注胶口 ；用真空袋铺覆于顶部导流网、注胶口和两端的双面胶带上方且将其所述主梁模具上表面密封；所述真空口的上方覆盖有单向导气膜，其单向导气膜的透气不透胶侧朝向真空口，并密封到真空膜袋膜内；
[0031]5)由步骤4)真空袋的真空口抽真空，将模具的电加热系统开启预热至40°C?70°C后，由所述注胶口处向真空袋内用环氧树脂进行真空辅助灌注，直至所述混合纤维预成型体表面颜色均匀或硬度下降，浸透完全后停止灌注；
[0032]6)将步骤5)灌注后的混合纤维预成型体，将模具的电加热系统升至70°C?120°C下预固化2h?8h后，停止加温，自然冷却，表面温度低于40°C后脱模；成型为所述复合材料主梁帽。
[0033]其中，步骤2)和步骤4)所用的底部导流网和顶部导流网的形状及大小与中间夹设的混合纤维预成型体形状配合设置；底部导流网和顶部导流网的厚度相同，均为0.2mm?2mm，底部导流网和顶部导流网各铺设至少一层，也可铺设二层；所用的底部导流网和顶部导流网在70°C?150°C下不变形。[0034]步骤3)中由碳纤维和玻璃纤维构成的混合纤维预成型体中碳纤维的体积占总纤维体积的30%~70%，余下为玻璃纤维。该配比的获得是用常规的试样选取方式，通过不同体积比的碳纤维和玻璃纤维混合后形成的厚度为1_~3_的混合纤维预成型体制作的复合材料试样，对其进行力学性能的测试，将上述混合纤维增强复合材料的力学性能值与单独玻璃纤维增强复合材料的力学性能值进行对比，获得混合纤维中碳纤维占总纤维体积的最佳体积分数为30%~70%。
[0035]上述碳纤维和玻璃纤维的不同体积比可通过下述公式(I)计算获得。
[0036]以采用纯玻璃纤维制作长度为48m、最大厚度为40mm的50m长风电叶片用主梁帽为例，根据材料力学的理论计算用碳纤维和玻璃纤维混合后制作该主梁帽，其中碳纤维所占的混合体积分数值，分别取30%、40%、50%、60%、70%五种配比，将其代入公式(I)内，计算得到与其取值对应的主梁帽最大厚度值如表1所示。
[0037]表1不同碳纤维体积分数下，可设计的碳/玻混合纤维主梁帽的最大厚度
[0038]
【权利要求】
1.一种风电叶片用复合材料主梁帽的制作方法，包括步骤如下: I)在预制的主梁帽模具长向两端预留的真空口至模具外端处铺设有双面胶带，双面胶带的厚度为2mm~5mm,宽度为IOmm~15mm ； 2)在步骤I)两端双面胶带内侧的主梁帽模具上表面由下至上依次铺放有底部导流网、下隔离膜和下脱模布； 3)将含有碳纤维和玻璃纤维的纤维材料铺覆于步骤2)所述下脱膜布的上表面，构成一混合纤维预成型体，该混合纤维预成型体的厚度为IOmm~80mm ； 4)在步骤3)混合纤维预成型体的表面上由下至上依次铺放上脱模布、上隔离膜和顶部导流网；同时在铺放过程中在该混合纤维预成型体的宽向一侧沿其纤维的走向布置流道且预留出注胶口 ；在两端所述真空口的上方均覆盖有单向导气膜；再用真空袋将所述顶部导流网、所述注胶口、位于两端真空口外侧的所述双面胶带外端和所述主梁模具整体包覆，留出所述注胶口后将其用真空袋密封； 5)将步骤4)密封的真空袋抽成真空状；并通过所述主梁模具的电加热系统将其整体预热至40°C~70°C后向其内灌注环氧树脂，浸透完全后停止灌注； 6)再将步骤5)浸透环氧树脂的混合纤维预成型体加热升温至70°C~120°C预固化2h~8h后，停止加温，自然冷却，表面温度低于40°C后脱模；成型为所述复合材料主梁帽。
2.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于:步骤3)所述混合纤维预成型体为由包括所述碳纤维和所述玻璃纤维混合后编织成的混编织物、或由单独编织的碳纤维织物和单独编织的玻璃纤维织物以层间形式交替铺覆、或上、下层为所述玻璃纤维织物，其中间夹设所述碳纤维织物的夹芯层形式铺覆中的任一种方式成型。`
3.根据权利要求2所述的制作方法，其特征在于:所述混编织物中的碳纤维含量占总体积分数的30%~70%，余下为所述玻璃纤维；其中，所述碳纤维为12K~50K的碳纤维线丝束；所述玻璃纤维为无碱玻璃纤维纱；混编织物和碳纤维织物丝束间均用热熔纱线捆绑定型。
4.根据权利要求3所述的制作方法，其特征在于:所述混编织物、所述碳纤维织物和所述玻璃纤维织物均为单轴向连续织物；其中，碳纤维单轴向连续织物的面密度为200g/m2~800g/m2，厚度为0.2mm~0.7mm ;玻璃纤维单轴向连续织物的面密度为300g/m2~1400g/m2,厚度为0.2mm~1.0mm ;所述热熔纱的面密度为5g/m2~10g/m2。
5.根据权利要求4所述的制作方法，其特征在于:步骤3)所述层间交替铺覆的混合纤维预成型体，其厚度为20mm~50mm ;铺层的具体步骤为:A)在步骤2)所述下脱模布上铺I层由所述玻璃纤维单轴向连续织物构成的玻璃纤维预成型体；B)在步骤A)的玻璃纤维单轴向连续织物层上铺由所述碳纤维单轴向连续织物构成的碳纤维预成型体；然后重复步骤A)、步骤B) 15~50次；其中，步骤B)中的碳纤维预成型体为I层或2层；以此类推，最后一层的铺层为所述玻璃纤维预成型体。
6.根据权利要求4所述的制作方法，其特征在于:步骤3)所述夹芯层方式铺覆成型的混合纤维预成型体，其具体步骤为:a)在步骤2)所述下脱模布上铺放一厚度为2mm~20mm由所述玻璃纤维单轴向连续织物构成的玻璃纤维预成型体山)再在步骤a)的玻璃纤维预成型体上铺放一厚度为5mm~30mm由所述碳纤维单轴向连续织物构成的碳纤维预成型体；c)再在步骤b)的所述碳纤维预成型体上再铺放一厚度为2mm~20mm的所述玻璃纤维预成型体。
7.根据权利要求1一 6任一项所述的制作方法，其特征在于:步骤4)所述单向导气膜的一侧为透气不透胶面，将该透气不透胶面朝向所述真空口铺放。
8.根据权利要求7所述的制作方法，其特征在于:步骤5)抽真空后的所述真空袋内负压值为-0.098MPa ~-0.085MPa。
9.根据权利要求8所述的制作方法，其特征在于:步骤5)所述的环氧树脂为在40~70°C下2小时内粘度低于800mPa.s的环氧树脂。
10.根据权利要求9所述的制作方法，其特征在于:步骤3)构成的所述混合纤维预成型体的厚度为 20mm~50mm。
【文档编号】B29C70/44GK103817955SQ201410074006
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2014年2月28日 优先权日:2014年2月28日
【发明者】薛忠民, 黄再满, 陈淳, 贾智源, 王海珍, 宋秋香 申请人:中材科技风电叶片股份有限公司