CN112140594A - 碳纤维叶片一体成型方法及产品 - Google Patents

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Abstract

碳纤维叶片一体成型方法，采用VARTM成型工艺制备叶片，其特征在于模具中叶片主梁对应区域铺设主梁夹芯，在主梁夹芯左右两侧铺设自导流对接叠层，在自导流对接叠层外侧铺设梁边夹芯，且在主梁夹芯和自导流对接叠层的底部铺设自导流织物，且自导流织物铺设延伸至梁边夹芯的底部。本发明省去主梁预制工序，用主梁夹芯作为主梁的骨架即保证叶片强度又减小叶片制造难度，降低材料成本，保证主梁夹芯和梁边夹芯所在区域均被充分灌注，并通过自导流对接叠层提高固化后主梁夹芯与梁边夹芯的连接可靠性，从而提高成型叶片的整体强度，保证灌注时可有效排出富集气泡，提高固化效果。本发明还保护一种碳纤维叶片。

Description

碳纤维叶片一体成型方法及产品
技术领域
本发明涉及碳纤维叶片一体成型方法及产品，属于风电叶片制度技术领域。
背景技术
随着风电叶片的长度越来越长，其主梁制造的难度越来越高，包括纤维容易产生皱褶，灌注不良，碳纤维容易皱褶，主梁模具制造模具费用高，人工成本高等缺点。在主梁制作中，拉挤型材包括玻璃纤维或者碳纤维型材，因为其纤维直，模量高，质量容易控制，受到材料厂、叶片厂、风电机组整机厂的高度关注，并投入了很多精力进行研发。采用传统方法使用碳纤维拉挤板材制作主梁或辅梁，成型后吊入壳体，与壳体一起真空灌注成型。多次灌注固化增加了制造过程的质量风险，同时增加了产品的材料成本和人工成本。使用过程中需要多梁边侧面进行清理及多次吊装转运，使制造周期延长；壳体成型时采用传统连续毡容易在局部富集气泡，产生制造缺陷，严重影响叶片质量。
检索到的相关现有专利有：
1. CN200810121767.4-采用超高强聚乙烯纤维复合材料制造风力发电机叶片的方法；
2. CN201811521862.3-一种碳纤维叶片整体成型模具；
3. CN201910366245.9-一种碳纤维复合材料风机叶轮及制造方法；
4. CN201911208414.2-一种高强度叶根的复合材料叶片及其制作方法；
5. CN201911368379.0-风电叶片叶根的预制件叶根部件叶片及其制造方法；
6. CN202010088037.X-用厚窄条拉挤型材与玻璃纤维织物混合制造风电叶片主梁辅梁的方法。
发明内容
本发明提供的碳纤维叶片一体成型方法及产品，省去主梁预制工序，用主梁夹芯作为主梁的骨架即保证叶片强度又减小叶片制造难度，降低材料成本，保证主梁夹芯和梁边夹芯所在区域均被充分灌注，并通过自导流对接叠层提高固化后主梁夹芯与梁边夹芯的连接可靠性，从而提高成型叶片的整体强度，保证灌注时可有效排出富集气泡，提高固化效果。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
碳纤维叶片一体成型方法，采用VARTM成型工艺制备叶片，其特征在于模具中叶片主梁对应区域铺设主梁夹芯，在主梁夹芯左右两侧铺设自导流对接叠层，在自导流对接叠层外侧铺设梁边夹芯，且在主梁夹芯和自导流对接叠层的底部铺设自导流织物，且自导流织物铺设延伸至梁边夹芯的底部。
优选的，所述的自导流对接叠层包括通过碳纤维拉挤成型的拉挤板材和与拉挤板材大小相应的层间自导流织物，拉挤板材和层间自导流织物交替叠层铺设形成自导流对接叠层，自导流对接叠层的厚度与主梁夹芯厚度相等，且侧面分别与主梁夹芯和梁边夹芯对接贴合。
优选的，所述的拉挤板材的厚度为2-10mm，层数不超到10层，自导流对接叠层中最下层和最上层均为拉挤板材，拉挤板材呈倾斜设置且靠近梁边夹芯一侧的高度高于靠近主梁夹芯一侧的高度，拉挤板材的倾斜角度为10度-35度。
优选的，所述的拉挤板材的横截面为长方形且边角为圆角，最下层的拉挤板材与自导流织物贴合，之间形成导流空隙。
优选的，所述的主梁夹芯和梁边夹芯均为Balsa，PVC或者PET材质，主梁夹芯和梁边夹芯均为多层且沿叶片宽度方向叠层设置，各层梁边夹芯的形状随叶片外观形状的改变而变化，各层梁边夹芯的横截面均为形状不等的四边形。
优选的，自导流织物和层间自导流织物的材质均为玻璃纤维织物，层间自导流织物的厚度不小于拉挤板材的厚度，自导流织物的面密度为150-450g/m2，层间自导流织物的面密度为100-250g/m2。
优选的，成型步骤如下：
一、根据叶片的尺寸准备主梁夹芯、拉挤板材、层间自导流织物、梁边夹芯和自导流织物；
二、开启模具保温程序，在模具内从依次铺设下表面辅材、蒙皮层和递减层，并在递减层上铺设自导流织物；
三、之后进行主梁夹芯、自导流对接叠层和梁边夹芯的铺设，并在铺设完成后再在其上依次铺设递减层、蒙皮层和上表面辅材；
四、在上表面铺材上加盖抽气袋，之后使用真空袋膜和密封胶条将模具密封，抽气袋通过螺旋管和真空管与真空装置连接，组成真空系统；
五、采用VARTM成型工艺依次对模具内进行抽真空、灌注树脂、加热固化；
六、固化成型后在成品温度≤50℃时，脱膜吊出。
优选的，所述的抽气袋长度与拉挤板材相同，宽度为100-300mm，抽气袋上带有观察窗，观察窗所在的位置与挤拉板材位置相对应，且向梁边夹芯一侧延伸20-50mm。
优选的，步骤六中加热固化时模具内真空度不超150mbar，灌注时自导流织物和层间自导流织物的树脂流速不高于0.02m/min，固化温度为35-80℃。
碳纤维叶片，其特征在于采用以上所述的碳纤维叶片一体成型方法制备。
发明的有益效果是：
1.本发明的碳纤维叶一体成型方法，在模具中叶片主梁对应区域铺设主梁夹芯，在主梁夹芯左右两侧铺设自导流对接叠层，在自导流对接叠层外侧铺设梁边夹芯，使叶片的主梁、梁边以及其它连接部件一体成型，省去主梁预制工序，用主梁夹芯作为主梁的骨架即保证叶片强度又减小叶片制造难度，降低材料成本，在主梁夹芯和梁边夹芯之间用自导流对接叠层过渡，提高树脂灌注时的导流效率，保证主梁夹芯和梁边夹芯所在区域均被充分灌注，提高固化效果，并通过自导流对接叠层提高固化后主梁夹芯与梁边夹芯的连接可靠性，从而提高成型叶片的整体强度。
2. 在主梁夹芯和自导流对接叠层的底部铺设自导流织物，且自导流织物铺设延伸至梁边夹芯的底部，通过自导流织物提高灌注时树脂在主梁夹芯、自导流对接叠层和梁边夹芯三个区域流动率，保证灌注时树脂向各区域均匀分散，有效排出富集气泡，提高固化效果。
3. 在拉挤板材之间辅设层间自导流织物，控制树脂充分渗透相邻拉挤板材之间，避免板材之间出现气泡或包胶现象，有效降低灌注缺陷；自导流对接叠层的厚度与主梁夹芯厚度相等，且侧面分别与主梁夹芯和梁边夹芯对接贴合，可有效减少拉挤板材与与夹芯的孔隙，防止树脂富集，减少气泡的发生。
4.抽气袋上带有观察窗，观察窗所在的位置与挤拉板材位置相对应，且向主梁夹芯一侧延伸20-50mm，通过观察窗观察灌注过程，控制注胶管启闭、树脂流速及流向，有效保证富集气泡的排出，并有效降低因树脂包流造成的干纱，发白等质量缺陷，提高风叶成型质量。
附图说明
图1为碳纤维叶片一体成型方法中模具内的铺设示意图。
具体实施方式
下面结合图1对本发明的实施例做详细说明。
碳纤维叶片一体成型方法，采用VARTM成型工艺制备叶片，其特征在于模具中叶片主梁对应区域铺设主梁夹芯1，在主梁夹芯1左右两侧铺设自导流对接叠层2，在自导流对接叠层2外侧铺设梁边夹芯3，且在主梁夹芯1和自导流对接叠层2的底部铺设自导流织物4，且自导流织物4铺设延伸至梁边夹芯3的底部。
以上所述的碳纤维叶一体成型方法，在模具100中叶片主梁对应区域铺设主梁夹芯1，在主梁夹芯1左右两侧铺设自导流对接叠层2，在自导流对接叠层2外侧铺设梁边夹芯3，使叶片的主梁、梁边以及其它连接部件一体成型，省去主梁预制工序，用主梁夹芯1作为主梁的骨架即保证叶片强度又减小叶片制造难度，降低材料成本。在主梁夹芯1和梁边夹芯3之间用自导流对接叠层3过渡，提高树脂灌注时的导流效率，保证主梁夹芯1和梁边夹芯3所在区域均被充分灌注，提高固化效果，并通过自导流对接叠层提高固化后主梁夹芯与梁边夹芯的连接可靠性，从而提高成型叶片的整体强度。在主梁夹芯1和自导流对接叠层2的底部铺设自导流织物4，且自导流织物4铺设延伸至梁边夹芯的底部，通过自导流织物4提高灌注时树脂在主梁夹芯1、自导流对接叠层2和梁边夹芯3三个区域流动率，保证灌注时树脂向各区域均匀分散，有效排出富集气泡，提高固化效果。
其中，所述的自导流对接叠层2包括通过碳纤维拉挤成型的拉挤板材21和与拉挤板材21大小相应的层间自导流织物22，拉挤板材21和层间自导流织物22交替叠层铺设形成自导流对接叠层2，自导流对接叠层2的厚度与主梁夹芯1厚度相等，且侧面分别与主梁夹芯1和梁边夹芯3对接贴合。在拉挤板材21之间辅设层间自导流织物22，控制树脂充分渗透相邻拉挤板材21之间，避免板材之间出现气泡或包胶现象，有效降低灌注缺陷；自导流对接叠层的厚度与主梁夹芯厚度相等，且侧面分别与主梁夹芯和梁边夹芯对接贴合，可有效减少拉挤板材与与夹芯的孔隙，防止树脂富集，减少气泡的发生。
其中，所述的拉挤板材21的厚度为2-10mm，层数不超到10层，自导流对接叠层2中最下层和最上层均为拉挤板材21，拉挤板材21呈倾斜设置且靠近梁边夹芯一侧的高度高于靠近主梁夹芯一侧的高度，拉挤板材的倾斜角度为10度-35度。自导流对接叠层2的表层均为拉挤板材21，使层间自导流织物22均设置在相邻表的拉挤板材21之间，即提高自导流对接叠层2的强度，又保证灌注时的树脂导流效果。拉挤板材21呈一定倾斜角度，即可满足叶片外观的流线性变化需求，又使层间自导流织物22也呈倾斜设置，灌注时层间自导流织物22导流的树脂可流至主梁夹芯1，提高主梁夹芯1区域的树脂灌注效果。
其中，所述的拉挤板材的横截面为长方形且边角为圆角，最下层的拉挤板材21与自导流织物4不贴合，之间形成导流空隙。自导流织物4为柔软层辅设后呈与模具壁相同的弯曲状，而拉挤板材为硬性板状，铺设后底层的拉挤板材21与弯曲的自导流织物4之间形成导流空隙，通过自导流织物4的导流在灌注树脂时可使导流空隙内的空气充分排气，并最底层的拉挤板材21下形成一定厚度的树脂层，保证最低拉挤板材的固化连接效果，从而提高叶片的质量。
其中，所述的主梁夹芯1和梁边夹芯3均为Balsa，PVC或者PET材质，主梁夹芯1和梁边夹芯3均为多层且沿叶片宽度方向叠层设置，各层梁边夹芯3的形状随叶片外观形状的改变而变化，各层梁边夹芯的横截面均为形状不等的四边形。多层主梁夹芯1与多层梁边夹芯3均沿叶片宽度方向叠层，主梁夹芯1、自导流对接叠层2和梁边夹芯3也是沿叶片宽度方向叠层铺设的，固化后均在叶片宽度方向互相固化连接，便于一体成型。从附图可以看出各层梁边夹芯3的横截面呈不规则的四边形，形成叶片所需的流线形状，而且通过各层梁边夹芯3不同角度外壁的接触可增加树脂在相邻梁边夹芯3之间的灌注面积，从而提高相邻梁边夹芯3的固化连接强度。
其中，自导流织物4和层间自导流织物22的材质均为玻璃纤维织物，层间自导流织物22的厚度不小于拉挤板材21的厚度，自导流织物4的面密度为150-450g/m2，层间自导流织物22的面密度为100-250g/m2。自导流织物4的面密度大于层间导流织物22的面密度，使自导流织物4的树脂导流量更大，灌注时可保证树脂导充分流至主梁夹芯1、自导流对接叠层2和梁边夹芯3三个区域，层间自导流织物22的面密度小可充分满足相邻拉挤板材21之间的树脂导流需求。
其中，成型步骤如下：
一、根据叶片的尺寸准备主梁夹芯1、拉挤板材21、层间自导流织物22、梁边夹芯3和自导流织物4；
二、开启模具保温程序，在模具内从依次铺设下表面辅材5、蒙皮层6和递减层7，并在递减层7上铺设自导流织物4；
三、之后进行主梁夹芯、自导流对接叠层2和梁边夹芯3的铺设，并在铺设完成后再在其上依次铺设递减层7、蒙皮层6和上表面辅材8；
四、在上表面铺材8上加盖抽气袋9，之后使用真空袋膜和密封胶条将模具密封，抽气袋9通过螺旋管和真空管与真空装置连接，组成真空系统；
五、采用VARTM成型工艺依次对模具内进行抽真空、灌注树脂、加热固化；
六、固化成型后在成品温度≤50℃时，脱膜吊出。
所述的抽气袋9长度与拉挤板材21相同，宽度为100-300mm，抽气袋9上带有观察窗，观察窗所在的位置与挤拉板材21位置相对应，且向梁边夹芯3一侧延伸20-50mm。通过观察窗观察灌注过程，控制注胶管启闭、树脂流速及流向，有效保证富集气泡的排出，并有效降低因树脂包流造成的干纱，发白等质量缺陷，提高风叶成型质量。
其中，步骤六中加热固化时模具内真空度不超150mbar，保证拉挤材21抽真空后不被挤压变形，灌注时自导流织物4和层间自导流织物22的树脂流速不高于0.02m/min，控制灌注速度，从而控制导流速度，保证树脂灌注的均匀性和充分性，有效排出气泡，提高固化效果，固化温度为35-80℃。
本发明还保护一种碳纤维叶片，其特征在于采用以上所述的碳纤维叶片一体成型方法制备。
以上结合附图对本发明的实施例的技术方案进行完整描述，需要说明的是所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.碳纤维叶片一体成型方法，采用VARTM成型工艺制备叶片，其特征在于模具中叶片主梁对应区域铺设主梁夹芯（1），在主梁夹芯（1）左右两侧铺设自导流对接叠层（2），在自导流对接叠层（2）外侧铺设梁边夹芯（3），且在主梁夹芯（1）和自导流对接叠层（2）的底部铺设自导流织物（4），且自导流织物（4）铺设延伸至梁边夹芯（3）的底部。
2.根据权利要求1所述的碳纤维叶片一体成型方法，其特征在于所述的自导流对接叠层（2）包括通过碳纤维拉挤成型的拉挤板材（21）和与拉挤板材（21）大小相应的层间自导流织物（22），拉挤板材（21）和层间自导流织物（22）交替叠层铺设形成自导流对接叠层（2），自导流对接叠层（2）的厚度与主梁夹芯（1）厚度相等，且侧面分别与主梁夹芯（1）和梁边夹芯（3）对接贴合。
3.根据权利要求2所述的碳纤维叶片一体成型方法，其特征在于所述的拉挤板材（21）的厚度为2-10mm，层数不超到10层，自导流对接叠层（2）中最下层和最上层均为拉挤板材（21），拉挤板材（21）呈倾斜设置且靠近梁边夹芯（3）一侧的高度高于靠近主梁夹芯（3）一侧的高度，拉挤板材的倾斜角度为10度-35度。
4.根据权利要求3所述的碳纤维叶片一体成型方法，其特征在于所述的拉挤板材的横截面为长方形且边角为圆角，最下层的拉挤板材（21）与自导流织物（4）不贴合，之间形成导流空隙。
5.根据权利要求2所述的碳纤维叶片一体成型方法，其特征在于所述的主梁夹芯（1）和梁边夹芯（3）均为Balsa，PVC或者PET材质，主梁夹芯（1）和梁边夹芯（3）均为多层且沿叶片宽度方向叠层设置，各层梁边夹芯（3）的形状随叶片外观形状的改变而变化，各层梁边夹芯（3）的横截面均为形状不等的四边形。
6.根据权利要求5所述的碳纤维叶片一体成型方法，其特征在于自导流织物（4）和层间自导流织物（22）的材质均为玻璃纤维织物，层间自导流织物（22）的厚度不小于拉挤板材（21）的厚度，自导流织物（4）的面密度为150-450g/m2，层间自导流织物（22）的面密度为100-250g/m2。
7.根据权利要求2所述的碳纤维叶片一体成型方法，其特征在于成型步骤如下：
一、根据叶片的尺寸准备主梁夹芯（1）、拉挤板材（21）、层间自导流织物（22）、梁边夹芯（3）和自导流织物（4）；
二、开启模具保温程序，在模具内从依次铺设下表面辅材（5）、蒙皮层（6）和递减层（7），并在递减层（7）上铺设自导流织物（4）；
三、之后进行主梁夹芯、自导流对接叠层（2）和梁边夹芯（3）的铺设，并在铺设完成后再在其上依次铺设递减层（7）、蒙皮层（6）和上表面辅材（8）；
四、在上表面铺材（8）上加盖抽气袋（9），之后使用真空袋膜和密封胶条将模具密封，抽气袋（9）通过螺旋管和真空管与真空装置连接，组成真空系统；
五、采用VARTM成型工艺依次对模具内进行抽真空、灌注树脂、加热固化；
六、固化成型后在成品温度≤50℃时，脱膜吊出。
8.根据权利要求7所述的碳纤维叶片一体成型方法，其特征在于所述的抽气袋（9）长度与拉挤板材（21）相同，宽度为100-300mm，抽气袋（9）上带有观察窗，观察窗所在的位置与挤拉板材（21）位置相对应，且向梁边夹芯（3）一侧延伸20-50mm。
9.根据权利要求7所述的碳纤维叶片一体成型方法，其特征在于步骤六中加热固化时模具内真空度不超150mbar，灌注时自导流织物（4）和层间自导流织物（22）的树脂流速不高于0.02m/min，固化温度为35-80℃。
10.碳纤维叶片，其特征在于采用权利要求1至9任一项所述的碳纤维叶片一体成型方法制备。
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