CN102975374A - 风机叶片用碳纤维复合材料主梁帽的制造方法及制造装置 - Google Patents

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本发明涉及风机叶片用碳纤维复合材料主梁帽的制造方法及制造装置，该制造装置由成型模具底板，带气嘴的气囊结构装置，和上盖板及连接部件等组成，采用该制造装置进行主梁帽的制备，通过在真空吸附工艺固化过程中采用气囊施压方式，大幅度提高了主梁帽的纤维紧密度和纤维体积含量，同时，进一步促进了树脂体系对碳纤维织物中丝束内部的完全浸渍透，从而获得高质量的碳纤维织物增强树脂基复合材料主梁帽，此外本发明制造主梁帽的装置与方法相结合，还具有简捷方便可靠、成本适中的特点。

Description

风机叶片用碳纤维复合材料主梁帽的制造方法及制造装置
技术领域
本发明涉及一种风机叶片用碳纤维复合材料主梁帽制造方法及装置，属于风机叶片技术领域。
背景技术
复合材料风机叶片是风力发电系统的关键部件，直接影响着整个系统的性能。目前，大型风力发电机叶片大多数采用分部成型而后组装的方式制造，其复合材料叶片典型工艺制造过程为：先在专用模具上成型主梁帽、剪切腹板及其他中小部件，然后将成型加工好的主梁帽和增强织物、轻质芯材等分别放置在两个壳体成型阴模(主模具)上经树脂复合成叶片外壳体，接着在主模具上把成型加工好的两个叶片外壳体、剪切腹板及其它部件胶接组装在一起，合模加压加热固化后制成整体叶片。其中层压到叶片壳体内表面上的主梁帽是叶片主要的承力部件，通常沿着风机叶片的纵向长度延伸，其设计和制造质量水平十分重要，其典型结构形式见图1所示。
近年来，随着风力发电机向大功率和/或低速风场方向发展，风机叶片长度不断增长，碳纤维复合材料风机叶片已是必然选择。目前已有技术中，碳纤维在复合材料风机叶片上的应用主要是在主梁帽结构件上，如US5617807(A)、CN 101749173A、CN 101539116A、US 2010104447(A1)、CN 102465826等。
目前，玻璃纤维增强树脂基复合材料主梁帽的成型工艺主要包括真空吸附工艺(vacuum resin infusion)和预浸料工艺(prepreg molding)。其中，大多数叶片制造商普遍采用真空吸附工艺，VESTAS和GAMESA等少数厂家则采用热熔法预浸料工艺。
由于碳纤维比玻璃纤维更细、表面积更大，很难有效浸渍，对液体成型工艺要求较高，已有技术中，碳纤维复合材料主梁帽一般采用成本较高(如低温储存和运输等)的预浸料工艺来制造，如CN 101526070A等。尽管CN101749173A中简单提及了碳纤维复合材料主梁帽可以采用预浸料工艺或树脂注入工艺制造，US 2010104447(A1)在阐述碳纤维-玻璃纤维混杂增强的主梁帽时也简要提及到了包括碳纤维/玻璃纤维混杂织物，但上述专利均未提及具体的技术方案和解决效果。基于寻求预浸料的替代方法之目的，一些单位开展了碳纤维复合材料主梁帽液体成型技术的相关研究：3TEX公司开发了一种碳纤维/玻璃纤维三维混杂结构的UniGirderTM单轴向织物，尝试用于风电叶片主梁的设计，结果表明该织物具有树脂灌注速度快，不易产生干斑等特性；GEC(全球能源概念公司)和TPI公司也联合探索开展并初步评估了采用碳纤维缝编单向织物和碳纤维/玻璃纤维混杂三轴向织物及其灌注工艺制备主梁帽的相关研究。上述研究结果表明，虽然采用特殊的碳纤维缝编织物，采用传统的真空吸附/灌注工艺，树脂容易灌注，但紧密度较差，其复合材料的纤维体积分数(Vf)小于45％，性能受到限制，尤其是压缩强度较差。而传统预浸料工艺制备的复合材料则有近60％的纤维体积分数，性能明显较优。因此，现实中，与玻璃纤维织物增强树脂基复合材料主梁帽及其真空吸附工艺的成熟性和广泛应用相比较，碳纤维织物增强树脂基复合材料主梁帽及其真空吸附工艺还仍是一个有待解决的难题，还没能真正得到应用和推广。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种风机叶片用碳纤维复合材料主梁帽的制造方法，该方法不仅有效提高复合材料主梁帽中纤维紧密度和碳纤维体积含量，同时还有效促进和改善了树脂对碳纤维的浸渍效果，在提高碳纤维织物增强复合材料主梁帽的主要力学性能的同时，使产品综合性能更为优越。
本发明的另外一个目的在于提供一种风机叶片用碳纤维复合材料主梁帽的制造装置。
本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：
风机叶片用碳纤维复合材料主梁帽的制造装置，包括成型模具底板、带有气嘴的气囊结构装置、上盖板及连接部件，其中成型模具底板通过连接部件与上盖板连接，形成一个封闭结构，成型模具底板上开有树脂进胶口和抽气口，上盖板上开有通孔，气囊结构装置上的气嘴穿过所述通孔，将上盖板与气囊结构装置连接固定，在成型模具底板与气囊结构装置之间形成型腔，用于主梁帽的成型。
在上述风机叶片用碳纤维复合材料主梁帽的制造装置中，连接部件为紧固螺栓、紧固螺钉或卡兰。
在上述风机叶片用碳纤维复合材料主梁帽的制造装置中，成型模具底板包括单面模具型面、型面支撑结构、模具加热系统和保温系统，其中型面支撑结构、模具加热系统和保温系统均位于单面模具型面的底部，树脂进胶口和抽气口设置在单面模具型面上。
风机叶片用碳纤维复合材料主梁帽的制造方法，采用上述制造装置进行主梁帽的制造，具体包括如下步骤：
(1)在成型模具底板上铺放制备主梁帽的碳纤维织物，之后将树脂进胶管放入树脂进胶口内，将抽气管放入抽气口内，之后铺放工艺辅助材料，最后用密封条进行密封；
(2)将树脂通过树脂进胶管注入到碳纤维织物上，在真空压力条件下，使树脂完全浸渍碳纤维织物；
(3)合上带有气嘴的气囊结构装置和上盖板，使气嘴穿过上盖板上的通孔，将气囊结构装置和上盖板进行固定，之后采用连接部件将上盖板与成型模具底板连接，向气嘴内注入惰性气体直至达到要求压力；
(4)开启成型模具底板底部的模具加热系统和保温系统，进行加热固化；
(5)固化完成后，通过气嘴卸压，揭开上盖板自然降温，之后脱模去除工艺辅助材料，得到碳纤维复合材料主梁帽。
在上述风机叶片用碳纤维复合材料主梁帽的制造方法中，步骤(1)中铺放的工艺辅助材料包括脱模布、导流网和真空袋薄膜。
在上述风机叶片用碳纤维复合材料主梁帽的制造方法中，步骤(1)中向气嘴内注入的惰性气体为氮气或氩气。
在上述风机叶片用碳纤维复合材料主梁帽的制造方法中，步骤(2)中通过树脂进胶管注入到碳纤维织物上的树脂为乙烯基树脂、聚酯树脂、环氧树脂或聚氨酯树脂。
在上述风机叶片用碳纤维复合材料主梁帽的制造方法中，碳纤维织物为碳纤维缝编织物、碳纤维经编织物、碳纤维/玻璃纤维混编织物或碳纤维机织物。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)本发明创新性的设计了由成型模具底板、带有气嘴的气囊结构装置和上盖板组成的主梁帽制造装置，并采用该制造装置进行主梁帽的制备，通过在真空吸附工艺固化过程中采用气囊施压方式，大幅度提高了主梁帽的纤维紧密度和纤维体积含量，同时，进一步促进了树脂体系对碳纤维织物中丝束内部的完全浸渍透，从而获得高质量的碳纤维织物增强树脂基复合材料主梁帽。
(2)本发明制造主梁帽的装置与方法相结合，具有简捷方便可靠、成本适中的特点，不仅有效提高复合材料主梁帽中纤维紧密度和碳纤维体积含量，同时还有效促进和改善了树脂对碳纤维的浸渍效果，在提高碳纤维织物增强复合材料主梁帽的主要力学性能的同时，使产品综合性能更为优越。
(3)本发明从树脂体系在碳纤维丝束之间的渗透和树脂体系在碳纤维丝束内部的浸渍等两方面出发，从而最大限度地保证碳纤维主梁帽的树脂浸渍工艺的质量和效果；
(4)本发明主梁帽制备工艺质量高，实施性好，工艺简单、操作方便，可以提供高质量的风机叶片用碳纤维主梁帽，具有较强的实用性。
附图说明
图1为本发明碳纤维复合材料主梁帽及其在叶片中的结构示意图；
图2为本发明碳纤维织物增强复合材料主梁帽的制造装置示意图；
图3为采用本发明主梁帽制造装置的工艺实施示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：
碳纤维复合材料主梁帽是碳纤维复合材料风机叶片中一类最重要的支撑结构，其制造质量及结构性能直接影响到叶片的安全性、经济性和可靠性。如图1所示为本发明碳纤维复合材料主梁帽及其在叶片中的结构示意图；其中图1A为本发明碳纤维复合材料主梁帽示意图，图1B为本发明碳纤维复合材料主梁帽在叶片中的结构示意图。
如图2所示为本发明碳纤维织物增强复合材料主梁帽的制造装置示意图，由图可知碳纤维复合材料主梁帽的制造装置包括成型模具底板7、带有气嘴16的气囊结构装置15、上盖板17及连接部件18，其中成型模具底板7通过连接部件18与上盖板17连接，形成一个封闭结构，成型模具底板7包括单面模具型面、型面支撑结构、模具加热系统和保温系统，其中型面支撑结构位于单面模具型面的底部起支撑作用，模具加热系统和保温系统也位于单面模具型面的底部(图2中未给出型面支撑结构、模具加热系统和保温系统的图示)，树脂进胶口9和抽气口10设置在单面模具型面上。
上盖板17上开有通孔，气囊结构装置15上的气嘴16穿过该通孔，并将上盖板17与气囊结构装置15连接固定，在成型模具底板7与气囊结构装置15之间形成型腔19，用于主梁帽的成型。连接部件18可以选择紧固螺栓、紧固螺钉或卡兰。
采用上述制造装置进行碳纤维复合材料主梁帽的制备，具体步骤如下：
(1)如图3所示为采用本发明主梁帽制造装置的工艺实施示意图，首先将成型模具底板7清理干净，然后涂上脱模剂，按照设计规格、尺寸和层数等要求裁剪铺放碳纤维织物8，碳纤维织物8可以为碳纤维缝编织物、碳纤维经编织物、碳纤维/玻璃纤维混编织物或碳纤维机织物。之后将树脂进胶管放入成型模具底板7的树脂进胶口9内，将抽气管放入成型模具底板7的抽气口10内，之后在碳纤维织物8、树脂进胶管和抽气管上整体铺放工艺辅助材料，工艺辅助材料及铺放顺序依次为脱模布11、导流网13和真空袋薄膜14(由下向上)。此外导流网13和脱模布11也可以铺放在碳纤维织物层下面。最后用密封条12对真空袋薄膜14进行密封，形成密闭系统；
(2)将树脂通过树脂进胶管注入到碳纤维织物8上，在真空压力条件下，使树脂完全浸渍碳纤维织物8。树脂可以为乙烯基树脂、聚酯树脂、环氧树脂或聚氨酯树脂。
(3)合上带有气嘴16的气囊结构装置15和上盖板17，使气嘴16穿过上盖板17上的通孔，将气囊结构装置15和上盖板17进行固定，之后采用连接部件18将上盖板17与成型模具底板7连接锁紧，向气嘴16内注入惰性气体直至达到要求压力，注入的惰性气体可以为氮气或氩气。
(4)保持压力的情况下，开启成型模具底板7底部的模具加热系统和保温系统，进行加热固化。
(5)固化完成后，通过气嘴16卸压，揭开上盖板17自然降温，之后脱模去除工艺辅助材料，如有必要进行加工后即得到碳纤维复合材料主梁帽。
本发明从树脂体系在碳纤维丝束之间的渗透和树脂体系在碳纤维丝束内部的浸渍等两方面出发，从而最大限度地保证碳纤维主梁帽的树脂浸渍工艺的质量和效果。具体而言就是，在选择树脂渗透性能优异的碳纤维缝编织物等作为增强材料，有效解决碳纤维织物中丝束之间的树脂浸透的基础上，进一步通过在真空吸附工艺固化过程中采用气囊施压方式，大幅度提高了主梁帽的纤维紧密度和纤维体积含量，同时，进一步促进了树脂体系对碳纤维织物中丝束内部的完全浸渍透，从而获得高质量的碳纤维织物增强树脂基复合材料主梁帽。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.风机叶片用碳纤维复合材料主梁帽的制造装置，其特征在于：包括成型模具底板(7)、带有气嘴(16)的气囊结构装置(15)、上盖板(17)及连接部件(18)，其中成型模具底板(7)通过连接部件(18)与上盖板(17)连接，形成一个封闭结构，成型模具底板(7)上开有树脂进胶口(9)和抽气口(10)，上盖板(17)上开有通孔，气囊结构装置(15)上的气嘴(16)穿过所述通孔，将上盖板(17)与气囊结构装置(15)连接固定，在成型模具底板(7)与气囊结构装置(15)之间形成型腔(19)，用于主梁帽的成型。
2.根据权利要求1所述的风机叶片用碳纤维复合材料主梁帽的制造装置，其特征在于：所述连接部件(18)为紧固螺栓、紧固螺钉或卡兰。
3.根据权利要求1所述的风机叶片用碳纤维复合材料主梁帽的制造装置，其特征在于：所述成型模具底板(7)包括单面模具型面、型面支撑结构、模具加热系统和保温系统，其中型面支撑结构、模具加热系统和保温系统均位于单面模具型面的底部，树脂进胶口(9)和抽气口(10)设置在单面模具型面上。
4.风机叶片用碳纤维复合材料主梁帽的制造方法，其特征在于：采用权利要求1所述的制造装置进行主梁帽的制造，具体包括如下步骤：
(1)在成型模具底板(7)上铺放制备主梁帽的碳纤维织物(8)，之后将树脂进胶管放入树脂进胶口(9)内，将抽气管放入抽气口(10)内，之后铺放工艺辅助材料，最后用密封条(12)进行密封；
(2)将树脂通过树脂进胶管注入到碳纤维织物(8)上，在真空压力条件下，使树脂完全浸渍碳纤维织物(8)；
(3)合上带有气嘴(16)的气囊结构装置(15)和上盖板(17)，使气嘴(16)穿过上盖板(17)上的通孔，将气囊结构装置(15)和上盖板(17)进行固定，之后采用连接部件(18)将上盖板(17)与成型模具底板(7)连接，向气嘴(16)内注入惰性气体直至达到要求压力；
(4)开启成型模具底板(7)底部的模具加热系统和保温系统，进行加热固化。
(5)固化完成后，通过气嘴(16)卸压，揭开上盖板(17)自然降温，之后脱模去除工艺辅助材料，得到碳纤维复合材料主梁帽。
5.根据权利要求4所述的风机叶片用碳纤维复合材料主梁帽的制造方法，其特征在于：所述步骤(1)中铺放的工艺辅助材料包括脱模布(11)、导流网(13)和真空袋薄膜(14)。
6.根据权利要求4所述的风机叶片用碳纤维复合材料主梁帽的制造方法，其特征在于：所述步骤(1)中向气嘴(16)内注入的惰性气体为氮气或氩气。
7.根据权利要求4所述的风机叶片用碳纤维复合材料主梁帽的制造方法，其特征在于：所述步骤(2)中通过树脂进胶管注入到碳纤维织物(8)上的树脂为乙烯基树脂、聚酯树脂、环氧树脂或聚氨酯树脂。
8.根据权利要求4所述的风机叶片用碳纤维复合材料主梁帽的制造方法，其特征在于：所述碳纤维织物(8)为碳纤维缝编织物、碳纤维经编织物、碳纤维/玻璃纤维混编织物或碳纤维机织物。
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