WO2022134234A1 - 一种连续碳纳米管纤维增强树脂基复合材料、风电叶片及其制备方法 - Google Patents

一种连续碳纳米管纤维增强树脂基复合材料、风电叶片及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种连续碳纳米管纤维增强树脂基复合材料、风电叶片及其制备方法，其中，该连续碳纳米管纤维增强树脂基复合材料包括树脂基体以及掺杂在树脂基体内部的连续碳纳米管纤维，该风电叶片由多块连续碳纳米管纤维增强树脂基复合材料堆叠而成。该风电叶片具有良好的力学性能，且可实时监控碳纳米管纤维复合材料的应变，提升风电叶片和风机产品的竞争性和安全性。

Description

一种连续碳纳米管纤维增强树脂基复合材料、风电叶片及其制备方法 技术领域
本发明涉及风力发电机技术领域，具体涉及一种连续碳纳米管纤维增强树脂基复合材料、风电叶片及其制备方法。
背景技术
风能是一种存量大、安全性高的清洁能源。风力发电需要利用风机顶端的叶片依靠风能驱动旋转来产生升力，通过机舱内的传动链进一步转化为转矩带动发电机发电。在相同情况下，叶轮越大，则能够捕捉的风能越多，因此风机的叶片越做越长，对叶片的设计提出了越来越高的要求。叶片的优化设计是风力发电的核心技术之一。目前大多数叶片的传统结构形式为两片壳体，分为压力面和吸力面，壳体由玻璃钢和芯材组成的夹层板和主承力部件——主梁和尾缘梁组成，主梁贡献了大部分挥舞刚度，而尾缘梁贡献了大部分摆振刚度。两片壳体内部布置腹板支撑保证结构足够的稳定性，并最终由粘接工艺将腹板和壳体组合在一起。叶片越长变形越大，需要更高效的材料提升叶片刚度。
例如，风电叶片传统主梁采用玻璃纤维织物铺设于主梁模具，并通过真空灌注的方式导入树脂并最终固化。而超大叶片单纯采用玻纤已不能满足对刚度的需求，因此需要引入更高模量高强度的添加物。目前有部分风电厂家利用连续碳纤维制作风电叶片主梁来提高叶片刚度，采用的传统连续碳纤维模量一般为230GPa-260GPa，但其力学性能仍无法很好满足风电叶片的需要。
中国专利公开号CN108623999A，公开了一种风力发电机叶片用复合材料及其制备方法，所述复合材料由以下质量百分含量的原料组成：环氧树脂35～60％、玻璃纤维10～30％、碳纳米管2～5％、加工助剂1.4～5.0％、稀释剂4～6％、偶联剂0.2～0.5％，余量为固化剂。但该发明所含碳纳米管为纳米颗粒状，更多是增强纤维和树脂之间的界面，提高拉伸强度、疲劳强度、剪切强度以及抗冲击性能，而复合材料的拉伸模量是由纤维本身的模量主导，因此增加分散项材料对复合材料单向拉 伸模量贡献不大。
另外，风机的设计寿命一般为20-25年，在空中运行中由于恶劣天气等不利因素，常常会出现亚健康运行状态(即形变量过大且无法及时恢复)，若没有及时发现，延误了维修时间，将造成大修或不得不更换叶片的情况，提升维护成本。
因此，本领域急需一种高强度且可以监控使用状态的风电叶片。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种连续碳纳米管纤维增强树脂基复合材料。
本申请之目的还在于提供一种利用上述复合材料制备得到的风电叶片及其制备方法。
为了实现本发明之目的，本申请提供以下技术方案。
在第一方面中，本申请提供一种连续碳纳米管纤维增强树脂基复合材料，所述复合材料包括树脂基体以及掺杂在树脂基体内部的连续碳纳米管纤维。连续碳纳米管纤维具有很高的抗冲强度和拉伸强度，而这两个性能是风电叶片运行时最重要的两个因素，因此将连续碳纳米管纤维掺杂在树脂基体中制得的复合材料，完美契合风电叶片的应用需求。另外，通过研究发现，碳纳米管纤维的力学与电学性能存在一定的耦合作用。在加卸载过程中，纤维的电阻会随着应变量成应力的增加/降低而增大/减小。可知纤维电阻变化与其应变/应力变化维持一致。2％的应变量均产生了8.5～9.3Ω的电阻变化，即上述弹性变形所引起的纤维电阻变化是循环可逆的。因此，可以通过监控复合材料电阻的变化，来监控该复合材料弹性变形的大小。
在第一方面的一种实施方式中，所述复合材料中连续碳纳米管纤维的掺杂量为40％～80％。掺杂比过小，则复合材料刚度过低，达不到设计模量；掺杂比过大，则工艺难以实现。
在第一方面的一种实施方式中，所述连续碳纳米管纤维杨氏模量大于300GPa。
在第一方面的一种实施方式中，所述复合材料中掺杂混杂纤维，所述混杂纤维的掺杂体积百分比为0～20％。添加其它种类纤维，不仅可以增强复合材料的功能性，例如抗冲击性、导电性、导热性，另外，还可以通过添加配比不同模量和强度的纤维，得到特定模量和强度的复合材料。
在第一方面的一种实施方式中，所述混杂纤维包括碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤 维、硼纤维、玄武岩纤维、超高模量聚乙烯纤维的一种或几种，其中，所述碳纤维中单丝数量为12k～50k，所述超高模量聚乙烯纤维的模量为87～172GPa。
在第一方面的一种实施方式中，所述树脂基体包括热固性树脂或热塑性树脂，其中，所述热固性树脂包括环氧树脂、乙烯基树脂、不饱和聚酯树脂、聚氨酯树脂或酚醛树脂中的一种，所述热塑性树脂包括聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯腈-丁二烯-苯乙烯、聚酰胺、聚醚醚酮或聚苯硫醚树脂中的一种。
在第二方面，本申请还提供一种风电叶片，所述风电叶片包括两片壳体以及腹板，所述壳体包括夹层板和主承力部件，所述主承力部件包括主梁和尾缘梁，所述主梁和/或尾缘梁由多块如上所述连续纤维增强树脂基复合材料堆叠而成。
在第二方面的一种实施方式中，所述主梁和/或尾缘梁由1～300块复合材料堆叠而成。
在第三方面，本申请提供一种如上所述风电叶片的制备方法，在主梁和/或尾缘梁的成型过程中引入所述连续碳纳米管纤维。
在第三方面的一种实施方式中，所述成型过程包括真空灌注成型、纤维拉挤成型或预浸料成型中的一种。
在第三方面的一种实施方式中，所述主梁和/或尾缘梁上设有电阻采集仪。由于主梁和/或尾缘梁由上述复合材料制备得到，因此主梁/尾缘梁的弹性形变大小与其电阻变化是耦合的，通过设置电阻采集仪监控主梁/尾缘梁的电阻变化，可以得到其弹性形变量，从而监控叶片运行状态。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
碳纳米管纤维具有比传统碳纤维材料更高的比模量，因此可进一步对叶片进行减重，并同时达到其它功能性作用。基于风电叶片设计的关键承力部件，通过引入新型连续纤维并优化组合，相比玻纤叶片，可以减重20％-40％。在主梁和/或尾缘梁上设有电阻采集仪，监控主梁/尾缘梁的电阻变化，可以得到其应变变化，从而监控叶片运行状态。
附图说明
图1为本发明风电叶片典型截面图；
图2为本发明风电叶片主梁截面图；
图3为实施例1中风电用复合材料截面图。
在附图中，1为风电叶片，2为前缘，31为主梁，32为尾缘梁，4为腹板，5为压力面，6为吸力面，7为尾缘，8为复合材料板材，9为玻璃纤维，10为玄武岩纤维，11为树脂基体，12为连续碳纳米管纤维。
具体实施方式
应当指出，各附图中的各组件可能为了图解说明而被夸大地示出，而不一定是比例正确的。在各附图中，给相同或功能相同的组件配备了相同的附图标记。
在本发明中，除非特别指出，“布置在…上”、“布置在…上方”以及“布置在…之上”并未排除二者之间存在中间物的情况。此外，“布置在…上或上方”仅仅表示两个部件之间的相对位置关系，而在一定情况下、如在颠倒产品方向后，也可以转换为“布置在…下或下方”，反之亦然。
在本发明中，各实施例仅仅旨在说明本发明的方案，而不应被理解为限制性的。
在本发明中，除非特别指出，量词“一个”、“一”并未排除多个元素的场景。
在此还应当指出，在本发明的实施例中，为清楚、简单起见，可能示出了仅仅一部分部件或组件，但是本领域的普通技术人员能够理解，在本发明的教导下，可根据具体场景需要添加所需的部件或组件。
在此还应当指出，在本发明的范围内，“相同”、“相等”、“等于”等措辞并不意味着二者数值绝对相等，而是允许一定的合理误差，也就是说，所述措辞也涵盖了“基本上相同”、“基本上相等”、“基本上等于”。以此类推，在本发明中，表方向的术语“垂直于”、“平行于”等等同样涵盖了“基本上垂直于”、“基本上平行于”的含义。
另外，本发明的各方法的步骤的编号并未限定所述方法步骤的执行顺序。除非特别指出，各方法步骤可以以不同顺序执行。
除非另作定义，在本说明书和权利要求书中使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本文中列举的所有的从最低值到最高值之间的数值，是指当最低值和最高值之间相差两个单位以上时，最低值与最高值之间以一个单位为增量得到的所有数值。
以下将描述本发明的具体实施方式，需要指出的是，在这些实施方式的具体描述过程中，为了进行简明扼要的描述，本说明书不可能对实际的实施方式的所有特征均作详尽的描述。在不偏离本发明的精神和范围的情况下，本领域技术人员可以 对本发明的实施方式进行修改和替换，所得实施方式也在本发明的保护范围之内。
传统的风电叶片存在着力学性能和导电性能不足的缺陷，力学性能如刚度等，从而使得风电叶片的应用受到一定的限制。本申请之目的在于提供一种风电叶片用连续纤维增强树脂基复合材料。该材料涉及一种或几种连续纤维，其中包含由纳米材料碳纳米管组装成的宏观连续碳纳米管纤维。该纳米纤维的引入，可大大提升纤维增强树脂基复合材料的力学和电学性能，为风电叶片结构设计提供更加优越的力学和功能性材料，提升风电叶片和风机产品的竞争性。
本发明的目的是提高风电叶片主承力结构的材料性能，在风电主梁或尾缘梁的成型过程中，引入新型连续碳纳米管纤维，使成型后的复合材料力学和电学性能有所提高。成型过程包括真空灌注、纤维拉挤以及预浸料成型。为实现上述目的，一种风电叶片用连续纤维增强树脂基复合材料，其包含由纳米材料碳纳米管组装成的纤维。
所述的复合材料，除连续碳纳米管纤维之外，可以包含或不包含混杂纤维，该混杂纤维包括碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、硼纤维、玄武岩纤维、超高模量聚乙烯纤维的一种或几种。
复合材料中，树脂基体包含热固性环氧树脂、乙烯基树脂、不饱和聚酯树脂、聚氨酯树脂、酚醛树脂，以及热塑性树脂。热塑性聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯腈-丁二烯-苯乙烯、聚酰胺、聚醚醚酮、聚苯硫醚树脂。
本发明的优点是：碳纳米管纤维具有比传统碳纤维材料更高的比模量，因此可进一步对叶片进行减重，并同时达到其它功能性作用。基于风电叶片设计的关键承力部件，通过引入新型连续纤维并优化组合，相比玻纤叶片，可以减重20％-40％。在主梁和尾缘梁采用碳纳米管纤维，可以与防雷系统集成，作为导电的媒介，将电流从叶尖引入叶根并连通到整机并接地。
实施例
下面将对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
连续碳纳米管纤维增强树脂基复合材料的制备：
取市购的深圳烯湾科技有限公司的连续碳纳米管纤维12悬挂于纱架上，同时 玻璃纤维9、硼纤维10也分别悬挂于纱架的不同滚轴上，施加适当的牵伸力使纤维伸直并带有一定张力，连续碳纳米管纤维12与玻璃纤维9、玄武岩纤维10以及环氧树脂混合均匀，通过特定截面形状的模具，拉挤成型得到由连续纤维增强树脂基复合材料制成的板材，该板材结构如图3所示，其以环氧树脂为树脂基体11，内部均匀掺杂连续碳纳米管纤维12、玻璃纤维9以及玄武岩纤维10，在本实施例中，连续碳纳米管纤维12、玻璃纤维9、玄武岩纤维10以及树脂基体11之间的体积比为50:5:5:40。
将多块复合材料板材8堆叠(图中以7块作为示例)，形成如图2所示的主梁31。
风电叶片的制备：
将制备得到的主梁31与夹层板、尾缘梁32共同灌注形成两片壳体，其中，夹层板由玻璃钢和芯材组成，尾缘梁32采用现有的玻纤灌注材料，两片壳体首尾对接形成风电叶片1，该风电叶片1包括前缘2、压力面5、吸力面6以及尾缘7，同时，在两个主梁31之间固定有一块腹板4，具体结构如图1所示。
实施例2
连续纤维增强树脂基复合材料的制备：
将市购于深圳烯湾科技有限公司的连续碳纳米管纤维与玻璃纤维混合编织为单层混杂织物，然后将多层混杂织物均匀地依次铺放于主梁模具中，真空环境下导入树脂基体，并固化成型，从而预制成混杂纤维尾缘梁。在本实施例中，连续碳纳米管纤维、玻璃纤维、以及树脂基体之间的体积比为60:10:30。
实施例3
连续纤维增强树脂基复合材料的制备：
将市购于深圳烯湾科技有限公司的连续碳纳米管纤维均匀铺放于树脂基体薄膜上，制成碳纤维预浸料。然后将多层碳纤维预浸料依次铺放于主梁模具中，加热使其固化成型，以制得预制主梁。在本实施例中，连续碳纳米管纤维以及树脂基体之间的体积比为80:20。
将多块复合材料板材堆叠，形成主梁和尾缘梁。
实施例4
连续纤维增强树脂基复合材料的制备：
将市购于深圳烯湾科技有限公司的连续碳纳米管纤维，施加适当的牵伸力使纤 维伸直并带有一定张力，与芳纶纤维、玄武岩纤维以及聚苯乙烯树脂混合均匀，通过特定截面形状的模具，拉挤成型得到由连续纤维增强树脂基复合材料制成的板材，在本实施例中，连续碳纳米管纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维以及树脂基体之间的质量比为40：10:10:40。
将多块复合材料板材堆叠，形成主梁和尾缘梁。
实施例5
取100kg连续碳纳米管纤维，悬挂于纱架上，同时将玄武岩纤维、100GPa的乙烯纤维也分别悬挂于纱架的不同滚轴上，施加适当的牵伸力使纤维伸直并带有一定张力，连续碳纳米管纤维与玄武岩纤维、乙烯纤维以及环氧树脂混合均匀，通过特定截面形状的模具，拉挤成型得到由连续纤维增强树脂基复合材料制成的板材，在本实施例中，连续碳纳米管纤维、玄武岩纤维、乙烯纤维以及树脂基体之间的体积比为50:10:10:30。
将多块复合材料板材堆叠，形成主梁和尾缘梁。
实施例6
连续纤维增强树脂基复合材料的制备：
将市购于深圳烯湾科技有限公司的连续碳纳米管纤维与玻璃纤维混合编织为单层混杂织物，然后将多层混杂织物均匀地依次铺放于主梁模具中，真空环境下导入聚苯乙烯，并固化成型，从而预制成混杂纤维尾缘梁。在本实施例中，连续碳纳米管纤维、玻璃纤维、以及聚苯乙烯之间的体积比为70:1:29。
对比例1
取碳纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维以及环氧树脂混合均匀得到由复合材料制成的板材，其中，碳纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维以及树脂基体之间的质量比为40:10:10:40。
对比例2
连续纤维增强树脂基复合材料的制备：
首先将碳纳米管粉末与环氧树脂均匀混合，碳纳米管与环氧树脂的质量百分比为2％。再取碳纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维以及掺杂碳纳米管粉末的环氧树脂混合均匀得到由复合材料制成的板材，其中，碳纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维以及树脂基体之间的质量比为40:10:10:40。
性能测试
将实施例1～6以及对比例1、2制备得到的复合材料进行模量测试，测试方法根据GB/T 3354-2014《定向纤维增强聚合物基复合材料拉伸性能试验方法》，或ASTM D3039-14(Standard test method for tensile properties of polymer matrix composite materials)进行。
结果如下表所示：
组别 杨氏模量(GPa)
实施例1 176
实施例2 208
实施例3 265
实施例4 154
实施例5 186
实施例6 233
对比例1 114
对比例2 118
从测试结果中我们可以看出：碳纳米管连续纤维增强的复合材料的拉伸模量高于市面上采用碳纤维增强的复合材料，并且高于采用碳纳米管粉末增强的碳纤维复合材料模量。
在风机运行过程中，可以通过附近的测风塔或风机顶部的风速仪或激光雷达测量风速，由此计算理论的叶片应变，再利用具有导电性和力电耦合特性的碳纳米管纤维复合材料运行过程中产生的电阻变化计算出应变水平，将理论应变和运行应变进行比较，若偏差过大，则预示主承力结构发生损伤，可及时派人进行勘察和维护。
上述对实施例的描述是为了便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本申请。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其它实施例中而不必付出创造性的劳动。因此，本申请不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本申请披露的内容，在不脱离本申请范围和精神的情况下做出的改进和修改都本申请的范围之内。

Claims (11)

  1. 一种连续碳纳米管纤维增强树脂基复合材料，其特征在于，所述复合材料包括树脂基体以及掺杂在树脂基体内部的连续碳纳米管纤维。
  2. 如权利要求1所述的连续碳纳米管纤维增强树脂基复合材料，其特征在于，所述复合材料中连续碳纳米管纤维的掺杂量为40％～80％。
  3. 如权利要求1所述的连续碳纳米管纤维增强树脂基复合材料，其特征在于，所述连续碳纳米管纤维的杨氏模量大于300GPa。
  4. 如权利要求1所述的连续碳纳米管纤维增强树脂基复合材料，其特征在于，所述复合材料中掺杂混杂纤维，所述混杂纤维的掺杂体积百分比为0～20％。
  5. 如权利要求4所述的连续碳纳米管纤维增强树脂基复合材料，其特征在于，所述混杂纤维包括碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、硼纤维、玄武岩纤维、超高模量聚乙烯纤维的一种或几种，其中，所述碳纤维中单丝数量为12k～50k，所述超高模量聚乙烯纤维的模量为87～172GPa。
  6. 如权利要求1所述的连续碳纳米管纤维增强树脂基复合材料，其特征在于，所述树脂基体包括热固性树脂或热塑性树脂，其中，所述热固性树脂包括环氧树脂、乙烯基树脂、不饱和聚酯树脂、聚氨酯树脂或酚醛树脂中的一种，所述热塑性树脂包括聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯腈-丁二烯-苯乙烯、聚酰胺、聚醚醚酮或聚苯硫醚树脂中的一种。
  7. 一种风电叶片，所述风电叶片包括两片壳体以及腹板，所述壳体包括夹层板和主承力部件，所述主承力部件包括主梁和尾缘梁，其特征在于，所述主梁和/或尾缘梁由多块如权利要求1～6任一所述连续纤维增强树脂基复合材料堆叠而成。
  8. 如权利要求7所述的风电叶片，其特征在于，所述主梁和/或尾缘梁由1～300块复合材料堆叠而成。
  9. 如权利要求7所述的风电叶片，其特征在于，所述主梁和/或尾缘梁上设有电阻采集仪。
  10. 一种如权利要求7～9任一所述风电叶片的制备方法，其特征在于，在主梁和/或尾缘梁的成型过程中引入所述连续碳纳米管纤维。
  11. 如权利要求10所述的风电叶片的制备方法，其特征在于，所述成型过程包括真空灌注成型、纤维拉挤成型或预浸料成型中的一种。
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