碳纤维拉挤板在风电叶片的应用研究_李文斌.pdf
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1、玻璃纤维2023 年 第 3 期 25应用研究中图法分类号:TQ342+.742 文献标识码:A碳纤维拉挤板在风电叶片的应用研究李文斌,王艳丽,顾育慧,陈文光(明阳智慧能源集团股份公司,天津300300)摘 要:研究了碳纤维拉挤板材在风电叶片上的应用,通过对比碳纤拉挤板材静态力学性能和疲劳力学性能,同时与其他叶片主梁材料进行了关键性能比对,并对碳纤维的成本进行了分析,结果表明:碳纤维拉挤板材的关键力学性能远远优于玻纤拉挤板、玻纤层压板和碳玻混合层压板,另外碳纤维拉挤板材的疲劳性能同样具有明显的优越性,而且还可以通过改进生产工艺等方式降低碳纤维成本,最终确定了碳纤维拉挤板材在风电叶片应用的优势。
2、关键词:碳纤维拉挤板材;风电叶片;静态力学性能;疲劳力学性能;比对;成本StudyonApplicationofCarbonFiberPultrudedPlatesinWindTurbineBladesLiWenbin,WangYanli,GuYuhui,ChenWenguang(MingyangSmartEnergyGroupLimited,Tianjin300300)Abstract:The application of carbon fiber pultruded plates in wind turbine blades was studied.The static and fatig
3、ue mechanical properties of carbon fiber pultruded plates were compared with other blade spar materials,and the cost of carbon fiber was analyzed.The results have shown that the key mechanical properties of carbon fiber pultruded plates are far superior to those of glass fiber pultruded plates,glass
4、 fiber laminates and carbon/glass hybrid laminates,and the fatigue properties of carbon fiber pultruded plates also have obvious advantages.In addition,the cost of carbon fiber can be reduced by improving the production process.Finally,the advantages of using carbon fiber pultruded plates in wind tu
5、rbine blades are confirmed.Key words:carbon fiber pultruded plate;wind turbine blade;static mechanical properties;fatigue mechanical property;comparison;cost0 前言众所周知,碳纤维材料具有高强度高模量的特性,一直受到军工、航天行业的青睐,近些年,随着碳达峰碳中和的战略背景,提倡低碳、节能、环保的生活方式,风电行业迅速崛起,为了能够适应海上风电叶片的要求,碳纤维开始应运在风电叶片上1-3。目前,风电行业都在进军海上装机,而在海上风电叶片往往
6、需要更大尺寸才能满足扫风面积,从而满足风机发电量4,5。大叶片需要更高强度更高模量的材料作为支撑,碳纤维成为叶片梁帽的首选材料。叶片梁帽是叶片的重要支撑部位,通常叶片梁帽会采用高模量玻纤铺设形成主梁,但是在目前大功率、大尺寸的叶片上如果继续采用玻纤铺设将会使叶片越来越重,带给机组的疲劳载荷也越来越大,整机的经济性能也会越来越低6-8,因此行业内收稿日期:2023-02-21修回日期:2023-04-24作者简介:李文斌(1992),男,材料测试工程师。主要从事复合材料力学性能研究。李文斌,等:碳纤维拉挤板在风电叶片的应用研究DOI:10.13354/32-1129/tq.2023.03.007
7、玻璃纤维2023 年 第 3 期 26应用研究李文斌,等:碳纤维拉挤板在风电叶片的应用研究开始采用拉挤板材作为叶片主梁的材料,能有效地降低叶片的质量。在大叶片、大功率机组应运的背景下,碳纤维拉挤板材与普通玻纤材料相比,成本较高,但也成为了大叶片主梁的首选材料。本文着重采用碳纤维拉挤板材力学性能与其他复合材料的力学性能进行比较,得出碳纤维拉挤板材料的优越性,并分析碳纤维的成本,与此同时能满足大叶片设计要求,验证胡克定律。1 实验部分1.1 原材料碳板,GX400纱线(550E+555H 树脂、68%碳纤维体积分数),安徽铸脊新材料科技有限公司;康达玻纤拉挤板材,WS4000纱线(KD3136A/
8、B树脂,65%玻纤纤维体积分数),上海康达新材有限公司;碳玻混织物,HC-950,成如旦新材料有限公司;玻纤,E8-UD1250,恒石纤维基业有限公司。1.2 设备仪器电子万能试验机,Instron5965,英斯特朗(上海)试验设备贸易有限公司;动静疲劳试验机,Landmark 370.10,美特斯工业系统(中国)有限公司;雕刻机,三维雕刻,济南数控工大。1.3 实验方法本实验测试的力学性能有0拉伸性能,0压缩性能,90拉伸性能,90压缩性能,V型槽剪切性能,层间剪切性能、0弯曲性能以及动态疲劳性能,对应的检测方法见表1所示。表1 测试所用检测方法测试参数参照标准0 拉伸性能ISO 527-5
9、:2021塑料-拉伸性能的测定-第 5 部分:单向纤维增强塑料复合材料的试验条件0 压缩性能ISO14126-1999+Corl:2001纤维增强塑料复合材料 平面方向压缩性的测定90 拉伸性能ISO 527-5:2021塑料-拉伸性能的测定-第 5 部分:单向纤维增强塑料复合材料的试验条件90 压缩性能ISO14126-1999+Corl:2001纤维增强塑料复合材料 平面方向压缩性的测定V 型槽剪切性能层间剪切性能0 弯曲性能ASTM D7078/D7078M-20V 型槽轨道剪切方法测复合材料剪切性能测试标准ISO 14130:1997纤维增强塑料复合材料层间剪切强度的短梁法测定ISO1
10、4125:1998纤维增强塑料复合材料-弯曲性能的测定拉拉/拉压疲劳性能ISO 13003:2003纤维增强塑料循环载荷条件下疲劳性能的测定1.4 试验件制备(1)碳纤维拉挤板材划分将碳纤维拉挤板材定位及划分,碳纱的纱线方向定义为0方向(1),垂直于碳纱线方向定义为90方向(2),如图1所示。1/X/02/Y/903/Z图1 碳纤维拉挤板剖面示意图(2)试验件裁剪由于碳纤维拉挤板材厚度为5 mm,在测试0拉伸试样、0压缩试样,90弯曲试样时需要采用数控雕刻机铣切成标准厚度2 mm再进行裁剪试样,其他力学性能测试的试样可以直接采用数控雕刻机进行裁剪,裁剪尺寸见表2。(3)试验件打磨处理,状态调节
11、。表2 试样的裁剪方式及尺寸测试项目试样裁剪示意图试样尺寸0 拉伸性能(25015)mm0 压缩性能(14015)mm0 弯曲性能性能(25015)mm层间剪切性能(5025)mm90 压缩性能(11010)mm90 拉伸性能(12025)mmV 型槽剪切性能(7656)mm拉拉/拉压疲劳性能(20015)mm玻璃纤维2023 年 第 3 期 27应用研究2 实验结果和分析2.1 碳纤维拉挤板材静态力学性能测试结果及分析碳纤维拉挤板材静态力学测试结果见表3所示。表3 碳纤维拉挤板材静态力学性能测试结果测试性能测试项目测试值0 拉伸性能0 拉伸强度(char)/MPa1651.100 拉伸模量(
12、mean)/GPa158.530 拉伸应变(char)/%1.040 拉伸泊松比/mean0.310 压缩性能0 压缩强度(char)/MPa12400 压缩模量(mean)/GPa147.780 压缩应变(char)/%0.890 弯曲性能0 弯曲强度(mean)/MPa16100 弯曲模量(mean)/GPa155.670 弯曲应变(mean)/%0.7490 拉伸性能90 拉伸强度(mean)/MPa61.890 拉伸模量(mean)/GPa8.8490 拉伸应变(mean)/%0.7790 压缩性能90 压缩强度(char)/MPa160.5790 压缩模量(mean)/GPa9.59
13、90 压缩应变(mean)/%2.45V 型槽剪切性能剪切强度(mean)/MPa73.29剪切模量(mean)/GPa5.93剪切应变(mean)/%5.00层间剪切性能剪切强度(mean)/MPa58.66玻璃化转变温度Tg(mean)/116.1注:1.char为特征值,2.mean为平均值。其计算公式为:,本试验测试数据数量为10。式中:Rk特征值;X平均值;Cv标准偏差;n测试数据数量。碳纤维拉挤板材0拉伸强度、应变,0压缩强度、应变为特征值,根据GL2010版的计算方式计算。其余性能为平均值。(1)碳纤维拉挤板材静态力学性能主要指标为0拉伸性能和0压缩性能及0弯曲性能,从表3可以看
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