风力机叶片的结构设计、制造与验证技术概述

China Aerodynamics Research Development Center 1 风力机叶片的结构设计、制造与 验证技术概述 第八部分 China Aerodynamics Research Development Center 2 目 录 一、前言 二、风力机叶片结构设计概述 三、风力机叶片结构材料 四、风力机叶片成型工艺概述 五、风力机叶片结构的性能验证概述 六、结束语 China Aerodynamics Research Development Center 3 一、前 言 “ 一流企业出标准 ， 二流企业搞设计 ， 三流企 业搞生产 ” 这个观点已是众所周知 ， 然而我们知道 我们的风电标准是以借鉴国外标准为主 ， 缺少研究 支撑 ， 未形成真正自主的标准； 50多家叶片企业技 术基本都是引进的 ， 现在在探索性做些自主设计的 ， 所采用的软件也主要是国外的；我国的风电叶片制 造企业基本是 “ 加工厂 ” 级的 。 China Aerodynamics Research Development Center 4 所以 ， 尽管我国的风电装机容量增速很快 ， 风 电设备产能很高 ， 但我们万万不能盲目乐观 ， 我们 要做强 、 做大 、 做长我们的风电产业 ， 真正使绿色 的风能很好地造福人民 、 改善我国的能源结构 、 解 决环境污染问题等我们风电届的同仁们需倍加努力 ， 认真研究自主设计技术开发的规律 ， 处理好基础研 究 、 应用研究 、 技术开发 、 生产应用等各环节的关 系 ， 力争在较短的时间内建立起我国风电产业发展 所急需的自主的技术支撑体系 。 一、前 言 China Aerodynamics Research Development Center 5 这里着力谈一下风力机叶片的结构设计、制造与 验证技术。 风力发电设备的自主设计、制造包括叶片结构的 自主设计和制造。那么叶片结构的自主设计、制造与 验证需要哪些技术呢？支撑叶片结构设计的基础数据 包括哪些？叶片结构性能的验证平台有何价值？叶片 实际运行过程中载荷谱的采集有无必要？我们在叶片 结构自主设计方面已具备哪些能力？未来我们还需做 哪些工作？ 以下分结构设计、结构材料、成型工艺、性能验 证等四个方面逐一进行介绍。 一、前 言 China Aerodynamics Research Development Center 6 2.1 叶片结构设计结果的表述方法 2.2 确定叶片结构方案的根本原则 2.3 叶片结构设计的条件 2.4 叶片结构设计的步骤 二、风力机叶片结构设计概述 China Aerodynamics Research Development Center 7 2.1、叶片结构设计结果的表述方法 一般我们可以把叶片设计分为气动设计、结构设计、 工艺设计和防雷电设计等。 从叶片制造商的角度看，叶片气动设计的最终结果就 是给出叶片的外形数据，具体通常是给出沿叶片展向若干 剖面的翼形数据、扭转角、扭心坐标等。依此，叶片制造 商即基本具备了开叶片上下蒙皮模具的条件。 从叶片结构设计人员的角度看，叶片气动设计除须给 出足以准确描述叶片外形的足够的叶剖面的翼形数据、扭 转角、扭心坐标之外，还应给出气动载荷数据。 China Aerodynamics Research Development Center 8 2.1、叶片结构设计结果的表述方法 从风力机总体设计的角度看，叶片的气动设计须给 出风力机的整体性能预测数据，包括风能利用系数，扭矩 系数，风轮轴向推力系数，叶尖速比，风能利用系数与尖 速比的关系曲线，不同风速风轮扭矩与风轮转速的关系曲 线，输出功率与风速的关系曲线，年输出能量与年平均风 速的关系曲线，变桨控制要求等等。 可见叶片的气动设计结果对不同的人来讲其关心的 内容是有差异的。 China Aerodynamics Research Development Center 9 2.1、叶片结构设计结果的表述方法 那么叶片的结构设计结果如何表述呢？ 叶片结构设计的结果基本可通过叶片剖面结构图、桨 根连接方案图、各部分的布层铺设方案等表述清楚。 在拿到以上结构设计数据、图纸后叶片制造商就可以 制造叶片了。 当然隐含在以上数据中的设计结果还包括：叶片动力 学特性，包括自振频率、转动惯量、质量分布、总重、刚 度特性等，这是总体设计人员关心的数据。 China Aerodynamics Research Development Center 10 2.2 确定叶片结构方案的根本原则 八个字 “ 安全可靠，经济合理 ” 。 China Aerodynamics Research Development Center 11 2.3 叶片结构设计的条件 气动外形数据，气动载荷数据，材料性能数据 China Aerodynamics Research Development Center 12 2.4 叶片结构设计的步骤 叶片结构布置方案的选择与确定（无梁结构、 C形梁 -蒙 皮结构、 D形梁 -蒙皮结构、 O形梁 -蒙皮结构、工字形梁 -蒙 皮结构 ） 工艺与材料选择（必要时需进行材料性能实测） 荷载计算（惯性力和重力是应考虑的载荷；气动载荷、 运动载荷复核，其它载荷如冰雪载荷的分析） 基于静动强度、疲劳强度、刚度、稳定性、可靠性的要 求进行结构参数的优化设计计算 绘制结构剖面图、桨根连接方案图，列出各部分的布层 铺设表 China Aerodynamics Research Development Center 13 3.1 历史沿革与未来趋势 3.2 复合材料的定义、特点、命名及分类 3.3 复合材料原材料 3.4 复合材料成型工艺概述 3.5 复合材料的历史沿革 3.6 复合材料的工程应用与发展趋势 3.7 复合材料叶片的材料选择 三、风力机叶片结构材料 China Aerodynamics Research Development Center 14 风力机的发展已有一个多世纪的历史 1890年在丹 麦建成了世界上第一个现代型的风力发电装置 ）， 在这一个多世纪里，材料工业也有了极大的发展，水 平轴风力机的叶片用材料根据风力机自身的发展要求 实际上也在不断发展着。 木、布、金属（钢、铝等） GFRP、 GFRP/CFRP、 木增强复合材料、智能复合材料 3.1 历史沿革与未来趋势 China Aerodynamics Research Development Center 15 木制叶片及布蒙皮叶片 近代的微 、 小型风力发电机有采用木制叶片 的 ， 但木制叶片不易做成扭曲型 。 大 、 中型 风力发电机很少用木制叶片 ， 采用木制叶片 的也是用强度很好的整体木方做叶片纵梁来 承担叶片在工作时所必须承担的主要载荷 。 与硬铝等金属材料相比 ,桦木 、 山毛榉等 木材不仅具有重量轻 、 强度高等特点 ,还可 以有效地降低雷达波的反射 ,因此 ,小型无人 机螺旋桨也多采用木质材料 。 对木质材料的 基本要求是 :木质均匀 、 强度好和变形小 。 松木 、 榉木 、 桦木和精制层板常作为螺旋桨 材料 。 3.1 历史沿革与未来趋势 China Aerodynamics Research Development Center 16 金属叶片 今天我们仍可看到金属制直升机螺旋桨、气垫船螺旋桨、风扇 叶片、船用螺旋桨，因此不难理解也有用金属做的风力机叶片。 实际上由于合金钢其价格低廉，易加工成细长的形状，因此 常采用钢管或 D型型钢做叶片纵梁，钢板做肋梁，合金钢也因此一 度被认为是首选的风力机叶片材料。 然而，它的密度太大，疲劳特性差，易腐蚀，加工成扭曲形 状成本高，因而慢慢被别的材料所替代。 铝合金的密度为钢铁的 1/3，采用挤拉工艺易加工出等弦长的 叶片，因其可连续生产、效率高，又可按设计要求的扭曲进行扭 曲加工，叶根与轮毂连接的轴及法兰可通过焊接或螺栓连接来实 现，因此也有较好的工业价值。但变弦长的叶片没办法挤拉出来， 因此其是以牺牲空气动力效率为前提的。这也限定了其只能在小 风力机上有一定应用。 3.1 历史沿革与未来趋势 China Aerodynamics Research Development Center 17 GFRP叶片 GFRP即 glass fiber reinforced plastic，我国俗 称 “ 玻璃钢 ” 。大家知道这是当前大型风力机叶片的主体 材料。 GFRP/CFRP叶片 CFRP即 carbon fiber reinforced plastic, GFRP/CFRP即碳纤维和玻璃纤维混杂复合材料 一般认为较大型（如 42米以上）的叶片采用 CFRP或 CF 与 GF混杂的复合材料更合理。 3.1 历史沿革与未来趋势 China Aerodynamics Research Development Center 18 未来的叶片会是采用纳米碳管（ NCTs)改性的复合材料叶片吗？ 控制叶片寿命的究竟是哪一个因素？是层间韧性？是 ? 我们有理由相信未来的叶片结构材料还将不断发展。 由于多数从事风力机设计的同志并没有学过复合材料方面的 课程，因此下面将介绍一点复合材料的 ABC，以更好地理解为 什么选择复合材料。 3.1 历史沿革与未来趋势 China Aerodynamics Research Development Center 19 3.2 复合材料的定义、特点、命名及分类 1、复合材料的定义： 1994年出版的由师昌绪主编的 材料大辞 典 对复合材料的定义如下：复合材料是由有机高 分子、无机非金属材料或金属等几类不同材料通过 复合工艺组合而成的新型材料，它既保留原组分材 料的主要特色，又通过复合效应获得原组分所不具 备的性能。可以通过材料设计使各组分的性能互相 补充并彼此关联，从而获得新的优越性能，与一般 材料的简单混合有本质的区别。 China Aerodynamics Research Development Center 20 2、复合材料的特点： 与传统材料相比，复合材料有下述特点： 性能可设计 材料和结构同一 具备复合效应 材料性能对复合工艺依赖性强 3.2 复合材料的定义、特点、命名及分类 China Aerodynamics Research Development Center 21 复合材料的性能可设计性是材料科学进展 的一大成果，复合材料的力学、机械及热、声、 光、电、磁、防腐、抗老化等物理、化学性能 都可按制件的使用要求和环境条件要求，通过 组分材料的选择和匹配以及界面控制等材料设 计手段，最大限度地达到预期目的，以满足工 程设备的使用性能。 传统的单一材料，如木材、金属、玻璃、 陶瓷、塑料等只能被选用，不能被设计（指宏 观材料设计，不含分子设计）。 性能可设计 China Aerodynamics Research Development Center 22 复合材料尤其是纤维增强复合材料，与其说 是材料倒不如说是结构更为恰当。传统材料的构 件成型是经过对材料的再加工，在加工过程中材 料不发生组分和化学的变化，而复合材料结构与 材料是同时形成的，它由组成复合材料的组分材 料在复合成材料的同时也就形成了结构。由于复 合材料的这一特点，使之结构的整体性好，可大 幅度地减少零部件和连接件的数量，从而缩短加 工周期，降低成本，提高构件的可靠性。 材料和结构同一 China Aerodynamics Research Development Center 23 具备复合效应 复合材料是由各组分材料经过复合工艺形 成的，但它并不是几种材料简单的混合，而是 按复合效应形成新的性能，这种复合效应是复 合材料仅有的。 复合效应包括混合效应和协同效应。混合 效应也称作平均效应，是组分材料性能取长补 短共同作用的结果；协同效应形式多样，如增 强相与基体之间的界面效应、混杂复合材料的 混杂效应、层合材料的层合效应及材料强度的 尺寸效应。 混杂复合材料 的应力 -应变曲线的直线部分所对应的最大应变，已超过混 杂复合材料中具有低延伸率的纤维的破坏应变。所谓 “ 混杂 ” 有两层含义： 一是指两种或多种纤维混合在一起；二是指层板的各层采用不同的纤维。 China Aerodynamics Research Development Center 24 材料性能对复合工艺依赖性强 复合材料结构在成型的过程中有组分材料的 物理和化学的变化，过程非常复杂，因此构件的 性能对工艺方法、工艺参数、工艺过程等依赖性 较大，同时由于在成型过程中很难准确地控制工 艺参数，所以一般来说复合材料构件的性能分散 性也是比较大的。 China Aerodynamics Research Development Center 25 3 、复合材料的优缺点 与传统材料相比，复合材料作为结构材料在 性能上有下述优点： 比强度、比模量大 耐疲劳性能好 阻尼减振性好 破损安全性高 耐腐性能优越 China Aerodynamics Research Development Center 26 比强度、比模量大 比强度 = 强度 /密度 MPa /（ g/cm3） 比模量 = 模量 /密度 GPa /（ g/cm3） China Aerodynamics Research Development Center 27 China Aerodynamics Research Development Center 28 比强度的物理意义 比强度的量纲是长度，其物理意义可解释为： 材料在自重作用下能自然垂下的最大长度。 热处理预应力钢筋的比强度是 18km 乌冬面的比强度是 4.3m 豆腐的比强度推测约为 10cm 碳纤维 T700的比强度大于 300km China Aerodynamics Research Development Center 29 疲劳性能好 复合材料的抗疲劳性能良好。一般金属的 疲劳强度为抗拉强度的 40 50%，而某些复合材 料可高达 70 80%。复合材料的疲劳断裂是从基 体开始，逐渐扩展到纤维和基体的界面上，没有 突发性的变化。因此，复合材料在破坏前有预兆， 可以检查和补救。纤维复合材料还具有较好的抗 声振疲劳性能。用复合材料制成的直升飞机旋翼， 其疲劳寿命比用金属的长数倍。 China Aerodynamics Research Development Center 30 阻尼减振性能好 复合材料的减振性能良好。纤维复合材料的 纤维和基体界面的阻尼较大，因此具有较好的减 振性能。用同形状和同大小的两种粱分别作振动 试验，碳纤维复合材料粱的振动衰减时间比轻金 属粱要短得多。 China Aerodynamics Research Development Center 31 破损安全性好 复合材料的安全性好。在纤维增强复合材料的 基体中有成千上万根独立的纤维。当用这种材料制 成的构件超载，并有少量纤维断裂时，载荷会迅速 重新分配并传递到未破坏的纤维上，因此整个构件 不至于在短时间内丧失承载能力。 China Aerodynamics Research Development Center 32 良好的高温性能 目前： 聚合物基复合材料的最高耐温上限为 350 C； 金属基复合材料按不同的基体性能 ， 使用温 度在 350 1100 C范围内变动； 陶瓷基复合材料的使用温度可达 1400C； 碳 /碳复合材料的使用温度最高可达 2800C。 China Aerodynamics Research Development Center 33 缺点 材料各向异性严重 材料性能分散性较大，质量控制和检测比较困难 材料成本较高 复合材料韧性较差，机械连接较困难 China Aerodynamics Research Development Center 34 4 、复合材料的命名和分类 命名方法： 将增强相或分散相材料放在前，基体相或连 续相材料放在后，之后再缀以“复合材料”。 如：由碳纤维和环氧树脂制成的复合材料称为 “碳纤维环氧复合材料”，或写为“碳纤维环 氧复合材料”，甚至简记为“碳环氧”，余者 类推。 China Aerodynamics Research Development Center 35 按使用性能分：结构复合材料 、 功能复合材料 、 结构 / 功能一体化复合材料 按基体分：树脂基复合材料 、 金属基复合材料 、 无机非金属基复合材料 按增强相形态分：连续纤维增强复合材料 ， 纤维 织物 、 编织体增强复合材料 ， 片状材料增强复合材 料 ， 短纤维或晶须增强复合材料 ， 颗粒增强复合材 料 按增强纤维类型分：碳纤维复合材料 ， 玻璃纤维 复合材料 ， 有机纤维复合材料 ， 陶瓷纤维复合材料 复合材料通常有以下几种分类方法 China Aerodynamics Research Development Center 36 增 强 体 (相 ) 纤维 颗粒 金属基体 增强纤维 有机物基体 增强纤维 陶瓷基体 增强纤维 碳化物 氮化物 硼化物 氧化物 碳纤维，硼纤维，碳化硅纤维， 氧化铝纤维，金属丝 玻璃纤维，碳纤维 , Kevlar纤维 碳纤维，碳化硅纤维， 氧化铝及其它陶瓷纤维 SiC, HfC, WC, MoC, TiC, ThC2, ErC, CrC BN, Si3N4, AlN, ErN, TiN, TaN TiB 2, MoB, WB,CrB2, TaB, HfB ZrO 2, ThO2, Al2O3.,HfO2, CrO2 3.3 复合材料原材料 、增强材料 China Aerodynamics Research Development Center 37 China Aerodynamics Research Development Center 38 碳纤维 按碳含量分 按性能分 按制备 原材料分 按模量 分 按强度 分 碳纤维（含 C95%） 石墨纤维（含 C99%） 中模量型 (220300GPa) 高模量型 (300400GPa) 超高模量型 (400GPa) 高强型 (2.5GPa) PAN系（原料为丙烯腈及共聚单体） 沥青系（原料为焦油或沥青） 粘胶系（原料为纤维素） 碳纤维 由有机纤维或低分子烃气体原料加热至 1500 C形 成的纤维状碳材料，其碳含量为 90%以上。它是不完全的石墨结 晶沿纤维轴向排列的物质，呈现乱层结构。当加热至 2500 C时可 制得碳含量高于 99%的石墨纤维。 China Aerodynamics Research Development Center 39 国外民机结构用碳纤维特点分析 纤维类型 标准型 CF 中模高强型 CF S型 CF T 300 T800H T800S IM600 T700S 3/6/12K 6/12K 24K 12/24K 12K 抗拉模量 /GPa 230 294 294 285 230 抗拉强度 /MPa 3530 5490 5880 5790 4900 断裂伸长 1.5 1.9 2.0 2.0 2.1 线密度 g/1000M 198/396/800 223/245 1032 800 密度 g/cm3 1.76 1.81 1.80 1.80 1.80 直径 m 7 7 5 5 7 China Aerodynamics Research Development Center 40 China Aerodynamics Research Development Center 41 中复神鹰碳纤维有限责任公司碳纤维产品性能 型号 规格 强度 GPa 模量 GPa 伸长率 % ST250A 12K 3.0-3.5 220-240 1.5 ST300B 1K， 3K 3.5-4.0 220-240 1.5 ST300B 12K 3.5-4.0 220-240 1.5 进口 T700碳纤维最近约 450元 /KG China Aerodynamics Research Development Center 42 基 体 聚合物基体 金属基体 陶瓷基体 不饱和聚酯树脂，环氧树脂，酚 醛树脂，乙烯基树脂，热塑性树 脂，高性能树脂等 铝及铝合金，镁及镁合金 钛合金，镍，钴，铜，铅，锌等 氧化铝，氧化锆，氮化硅，氮化硼，氮化铝，碳化硅，硼化物等 2、基体材料 China Aerodynamics Research Development Center 43 热固性树脂 在初受热时变软，可以塑性加工成一定的形状，随着加热的进 行或固化剂的加入，会逐渐成凝胶或固化成型。再加热不会软化， 不熔、不融。 其高分子聚合物属于三维体型网状结构。 常用的热固性树脂有：环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂、 乙烯基酯、聚酰亚胺树脂、双马来酰亚胺（ BMI）树脂等等 聚合物基体 China Aerodynamics Research Development Center 44 热塑性树脂 加热到一定温度可软化甚至流动，可塑性加工成各种形状。冷 却后变硬，再加热可软化。 其高分子聚合物属于线型或支链型分子结构。 常用的热塑性树脂：聚丙烯、聚氯乙烯、聚酰胺（尼龙）、聚碳酸 脂等。 China Aerodynamics Research Development Center 45 3.4、复合材料成型工艺概述 1、聚合物复合材料工艺 2、金属基复合材料工艺 3、陶瓷基复合材料工艺 China Aerodynamics Research Development Center 46 1、 聚合物复合材料（ PMC）制备工艺 目前聚合物基复合材料的成型方法不少于 20多种，如： （ 1）手糊成型工艺 -湿法铺层成型法； （ 2）喷射成型工艺； （ 3）树脂传递模塑成型技术（ RTM技术）； （ 4）袋压法（压力袋法）成型； （ 5）真空袋压成型； （ 6）热压罐成型技术； （ 7）液压釜法成型技术； （ 8）热膨胀模塑法成型技术； （ 9）夹层结构成型技术； （ 10）模压料生产工艺； China Aerodynamics Research Development Center 47 （ 11） ZMC模压料注射技术； （ 12）模压成型工艺； （ 13）层合板生产技术； （ 14）卷制管成型技术； （ 15）纤维缠绕制品成型技术； （ 16）连续制板生产工艺； （ 17）浇铸成型技术； （ 18）拉挤成型工艺； （ 19）连续缠绕制管工艺； （ 20）编织复合材料制造技术； （ 21）热塑性片状模塑料制造技术及冷模冲压成型工艺； （ 22）注射成型工艺； （ 23）挤出成型工艺； （ 24）离心浇铸制管成型工艺； （ 25）其它成型技术。 China Aerodynamics Research Development Center 48 聚合物复合材料的制备工艺 （ 1）手糊成型 用于制备热固性树脂复合材料的一种最原始、最简单 的成型工艺。用手工将增强材料的纱或毡铺放在模具中， 通过浇、刷或喷的方法加上树脂； 纱或毡也可在铺放前用 树脂浸渍，用橡皮辊或涂刷的方法赶出其中的空气。如此 反复，直到所需厚度。固化通常在常温、常压下进行，也 可适当加热，或常温时加入催化剂或促进剂以加快固化。 China Aerodynamics Research Development Center 49 （ 2）压力成型： a.袋压成型： 真空袋成型； 压力袋成型 ； 袋压成型是最早最广泛用于 预浸料成型 的工艺之一。 将铺层铺放在模具中，依次铺上脱膜布、吸胶层、隔离 膜袋膜等，在 热压下固化 。经过所需的固化周期后，材 料形成具有一定结构形状的构件 。 China Aerodynamics Research Development Center 50 b.热压罐成型 工艺过程：铺层被装袋并抽真空以排除包埋的空气或其它挥 发物， 在真空条件下在热压罐中加热、加压固化 。固化压力 通常在 0.35 - 0.7MPa。 1- 橡皮囊； 2-成型套； 3-模具； 4-毛坯； 5-弓形夹； 6-热压罐； 7-底板； China Aerodynamics Research Development Center 51 （ 3） 缠绕成型： 缠绕成型是一种将浸渍了树脂的纱或 丝束缠绕在回转芯模上、常压下在室温或较高温度下固 化成型的一种复合材料制造工艺。 China Aerodynamics Research Development Center 52 （ 4） 拉挤成型： 是高效率生产连 续、恒定截面复 合型材的一种自 动化工艺技术。 其特点是：连续 纤维浸渍树脂后， 通过具有一定截 面形状的模具成 型并固化。 China Aerodynamics Research Development Center 53 （ 5）模压成型 ： 对模模压成型是最普通的模压 成型技术。它一般分为三类：坯料模压、片状 模塑料模压和块状塑料模压。 China Aerodynamics Research Development Center 54 （ 6）挤出成型 是热塑性塑料主要加工方法之一。干燥的 热塑性塑料（粉料或粒料）从料斗进入挤出机 加热料筒，料筒中螺杆旋转，物料沿螺槽前移。 前移过程中物料受机械剪切作用摩擦热和料筒 的加热逐渐熔融成熔体，熔体受螺杆轴向推力 的作用通过机头和口模，获得与口模形状相似 的连续体。 China Aerodynamics Research Development Center 55 挤出成型工艺示意图 China Aerodynamics Research Development Center 56 （ 7）注射成型 注射成型是热塑性塑料制品的常用成型方法， 多用于短纤维增强塑料制品生产。增强纤维主要 为短切纤维，纤维含量通常有 20 、 30%两种。 China Aerodynamics Research Development Center 57 （ 8）喷射成型 这是一种半机械化成型技术。它是将混有引 发剂 的树脂和混有促进剂的树脂分别从喷枪两侧 喷出或混合后喷出，同时将纤维用切断器切断并 从喷枪中心喷出，与树脂一起均匀地沉积在模具 上，待材料在模具上沉积一定厚度后，用手辊压 实，除去气泡并使纤维浸透树脂，最后固化成制 品。 China Aerodynamics Research Development Center 58 喷射成型原理图 China Aerodynamics Research Development Center 59 （ 9）树脂传递成型：先将增强材料置于模具中形成 一定形状，再将树脂注射进入模具、浸渍并固化 的一种复合材料生产工艺，是 FRP（纤维增强塑 料） 的主要成型工艺之一。 特点是：污染小，为闭模操作系统，另外在制品 可设计性、可方向性增强、制 品综合性能方面优 于 SMC、 BMC。 China Aerodynamics Research Development Center 60 树脂传递成型示意图 SCRIMAP: Seeman Composite Infusion Molding Process RIFT: Resin Infusion under Flexible Tooling VARTM: Vacuum Aided Resin Transfer Molding China Aerodynamics Research Development Center 61 China Aerodynamics Research Development Center 62 3.5 复合材料的历史沿革 近代复合材料技术是 20世纪 40年代兴起的一门新兴技术，时 至今日业已发展成为一套较为完整的体系。 但广义地讲复合材料其出现则很早，在距今 7000年前的西安 半坡村遗址中曾发现用 草拌泥做成的墙壁和砖坯 ，用草拌泥做成 的建筑材料性能既优于草，又优于泥，这是人类最早使用复合材 料的先例。 近代复合材料的发展首先发展的软基体，然后发展的是较硬 的和硬的基体，即从树脂到金属到陶瓷基体。现在复合材料有三 大类：树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料。 China Aerodynamics Research Development Center 63 第一章 绪论 树脂基复合材料（ Resin Matrix Composite)的发展简史 1932:树脂基复合材料在美国出现 1940年以手糊成型制成了玻璃纤维增强聚酯的 军用飞机的 雷达罩 1950年真空袋和压力袋成型工艺研究成功，制成 直升机螺 旋桨 1961年片状模塑料（ SMC）在法国问世 拉挤成型工艺的研究始于 50年代， 60年代中期实现了连续 化生产，现在发展很快。 China Aerodynamics Research Development Center 64 第一章 绪论 树脂基复合材料的发展简史 70年代开发出了碳纤维、硼纤维、芳纶纤维（如 Kevlar纤 维）、碳化硅纤维、氧化铝纤维、高密度聚乙烯纤维等高性能 增强材料。 采用高性能纤维为增强体，高性能树脂、金属或陶瓷为基 体制成的复合材料称为先进复合材料（ Advanced composite materials,简称 ACM） 80年代后至今是现代复合材料的成熟应用时期。 China Aerodynamics Research Development Center 65 几件值得一提的成果 里尔 -芳 2100号商用 8座飞机，重仅 567kg,全部采用 CFRP制成 哥伦比亚号航天飞机大量采用 ACM 波音 767大型客机上使用 ACM作为主承力构件 空客 A380采用了 25%的复合材料 波音 787采用 50%的复合材料 空客 A350将采用 52%的复合材料 China Aerodynamics Research Development Center 66 里尔 -芳 2100号 人类第一架全复合材料飞机 China Aerodynamics Research Development Center 67 复合材料在中国的发展 起始于 1958年。用手糊工艺研制了 玻璃钢艇 ，以层压和卷 制工艺研制玻璃钢板、管和火箭弹 1962年制造了 玻璃钢直升机螺旋桨和风洞叶片 1970年用玻璃钢蜂窝夹层结构制造了一座 直径 44m的雷达 罩 。 复合材料的年产量： 1981年为 1.5万吨 1986年达到 6.5万吨 1995年已达到 16.5万吨 2008年 玻璃 纤维（ GF） 220万吨；不饱和聚酯树脂 （ UPR） 125万吨；热固性 玻璃 钢（ FRsP） 179万吨；热塑性 玻璃 钢（ FRTP） 56万吨；覆铜板（ ccL） 55万吨。 复合材 料总产量稳居全球第二。 China Aerodynamics Research Development Center 68 3.6 复合材料的工程应用与发展 趋势 复 合 材 料 之 树 China Aerodynamics Research Development Center 69 纤维增强树脂基复合材料应用 -土木工程 补强、修补已有的土木工程结构 房屋抗震加固 建筑物加固、修复 复合材料桥梁、 CFRP拉索斜拉桥 复合材料建筑结构 China Aerodynamics Research Development Center 70 China Aerodynamics Research Development Center 71 China Aerodynamics Research Development Center 72 纤维增强树脂基复合材料应用 -大口径管道 引鄂济乌工程 昆明（掌鸠河）引水工程 China Aerodynamics Research Development Center 73 .36 meter LM blade .60 meter LM blade 纤维增强树脂基复合材料应用 -风力发电叶片 China Aerodynamics Research Development Center 74 China Aerodynamics Research Development Center 75 纤维增强树脂基复合材料应用 -轨道交通 磁悬浮、高速列车车头 China Aerodynamics Research Development Center 76 China Aerodynamics Research Development Center 77 纤维增强树脂基复合材料应用 -运动器材 China Aerodynamics Research Development Center 78 China Aerodynamics Research Development Center 79 China Aerodynamics Research Development Center 80 China Aerodynamics Research Development Center 81 China Aerodynamics Research Development Center 82 China Aerodynamics Research Development Center 83 “一代材料，一代飞机 ” ，在新一代大型 飞机上复合材料的用量创下了历史新高，其已 成为大型飞机先进性的重要指标。 空客 A380用复合材料 25%，波音 787用复 合材料 50%，空客 A350将用复合材料 52%， 国际上预计 2020年 在民机上复合材料应用将 达到 7080%。 复合材料在航空工业中的应用现状和发展趋势 China Aerodynamics Research Development Center 84 波音系列飞机复合材料应用趋势 19951990198419831982 1968 0 10 20 30 40 50 60 年 复合材料占结构重量的百分 比(%) B787 B777 2008 B747-400 B737 B767 China Aerodynamics Research Development Center 85 空客系列飞机复合材料应用趋势 A350 A380 A322 A321 A330 A300 A320 A310 0 10 20 30 40 50 60 年 复合材料占结构重量的 百分比( % ) A340 1985 1986 1989 1991 1993 1994 1997 2004 2010 China Aerodynamics Research Development Center 86 空客 A380 复合材料在 A380客机上的应用 China Aerodynamics Research Development Center 87 787使用材料情况 “787客机使用的复合材料机身是其与 任何空客竞争机型之间最大的不同 。 ” China Aerodynamics Research Development Center 88 ？ China Aerodynamics Research Development Center 89 1、用复合材料设计的飞机结构 , 可以有效地减轻结构 重量达 20 % 30 %, 在飞机其它技术指标相近的情况 下 , 提高飞机运载能力 , 或在相同载重下 , 降低发动机 油耗 , 延长飞机航程 ; 2、复合材料优异的抗疲劳和耐腐蚀性能 , 提高了飞机 结构的使用寿命 , 降低了飞机维护要求 ; 3、同时也为客机增加舱内压力和空气湿度、改善舱 内环境设计提供了可能性 , 大大 提高了飞行的舒适性 ; 4、复合材料结构有利于整体设计与整体制造技术的 应用 , 一方面可以减少结构零部件的数量 , 提高结构的 效率与可靠性 ,另一方面可以采用低成本整体制造工艺 , 降低制造成本 。 China Aerodynamics Research Development Center 90 未来民机发展趋势 成本降低： 30 50% 噪声减少： 25 50% 效率提高： 10% 20% 飞机结构重量 减轻： 20% 复材主结构技术是未来民机竞争力的关键之一 China Aerodynamics Research Development Center 91 需要复合材料结构 复材主结构技术是未来民机竞争力的关键之一 China Aerodynamics Research Development Center 92 F16 2% 复合材料用量同 样是军机先进性 的重要标志 F22 24% F/A18 12% F35 35% 军机 F/A-22： IM7/5250-4、 IM7/977-3 (高性能 ) 双马为 17.2%，环氧 6.6% F-35： IM7/977-3、 IM7/5250-4 (低成本 ) 环氧 30%，双马为 4% F/A-18E/F： AS4/977-3、 IM7/977-3 (低成本 ) 全用环氧 China Aerodynamics Research Development Center 93 B-2 50% 先进复合材料是实现军 机先进性的根本途径 China Aerodynamics Research Development Center 94 直升机 直升机（ 50-80% ） Tiger 80% 欧洲虎式武装直升机 可垂直起落 倾转旋翼后能高速巡航 复合材料 3000kg V-22 50% China Aerodynamics Research Development Center 95 Voyager（ 旅游者号 ） 全复合材料无人机 90以上为 CFRP，飞机结构重 453kg，可连续飞行 9天，飞行距 离达 40252km 无人机 China Aerodynamics Research Development Center 96 3.7 复合材料叶片的材料选择 在确定应用复合材料制备叶片后，具体用什 么原材料、用什么增强材料制品、用什么性能的 基体、用什么夹芯材料、用何性能的胶粘剂、用 什么样的表面材料，这是今天我们结构设计人员 要重点考虑的内容。 叶片的设计和材料选择不仅决定风力机性能 和效率，同时决定了每千瓦时电量的成本。选择 合适的材料对于叶片设计起着关键性作用。 China Aerodynamics Research Development Center 97 3.7 复合材料叶片的材料选择 复合材料风力机叶片用主要材料体系包括各 种增强材料、基体材料、夹层泡沫、胶粘剂和各 种辅助材料等。 现在增强材料大量使用 E玻纤 ,其成本低 (10元 /公斤以下，高性能的 E6玻璃纤维价格约 16元 /公 斤 )、适用性强。当要求更高的强度和刚度时 ,将 会使用到高强玻纤 ,如 S2玻纤 ,虽然价格较高 (40 50元 /公斤 ) ,但适当使用会有好处。某些新兴纤 维也可用作候选对象 ,如超高分子量聚乙烯纤维、 玄武岩纤维等。 China Aerodynamics Research Development Center 98 3.7 复合材料叶片的材料选择 根据国外有关资料报道，当风力机超过 3MW、叶片长度超过 40米时，在叶片制造时采 用 碳纤维 已成为必要的选择。事实上，当叶片超 过一定尺寸后， 碳纤维 叶片反而比玻纤叶片便宜， 因为材料用量、劳动力、运输和安装成本等都下 降了 。 我国的情况如何需要研究， 但国外的经验值 得重视。 China Aerodynamics Research Development Center 99 3.7 复合材料叶片的材料选择 增强纤维主要力学性能 顺纹抗 拉 /MPa 顺纹抗 压 /MPa 毛竹 204.2 65.5 淡竹 198.4 84.6 杨木 65.2 22.4 红松 101.4 34.3 水杉 84.2 40.6 China Aerodynamics Research Development Center 100 3.7 复合材料叶片的材料选择 要注意的是增强材料本身也一直处于不断发展当中。 Owens Corning提出的新一代的玻璃纤维增强材料 WindStrand ，其与 E玻璃纤维增强材料相比，刚度提 高 17%、强度提高 30%、疲劳寿命提高 10倍，这一特性使得 可使风力机寿命和风能利用率大大提高。此外， WindStrand 增强材料重量轻 10%，这样叶片可以做的更 长，最终可以降低单位电量的成本。 值得关注！ China Aerodynamics Research Development Center 101 3.7 复合材料叶片的材料选择 国外 碳纤维 用于叶片制造的厂家主要有： LM 61.5米长的 5MW风机叶片在梁和端部选用了 碳纤维 ； Nordex 56米长的 5MW风机叶片的整个梁结构采用了 碳纤维 ，他们认 为叶片超过一定尺寸后， 碳纤维 叶片的制作成本并不比玻纤的高； Vestas 44米长、 V-90 3.0 MW风机叶片的梁采用了 碳纤维 。 2004年 12月 Zoltek Companies Inc宣布与 Vestas wind Systems AS公司订 立长期战略合同，在前三年提供价值 8千万到 1亿美元的 碳纤维 用于制造 风机叶片； Zoltek Companies Inc在股东大会上宣布对 NEG Micon的 碳纤维 合同将从每年 150吨增加一倍。同时每年分别向 Vestas和 Gamesa各提供 1000吨，所用牌号为 Panex33 48K； T700/12K的产品已降到 30/公斤左右，大丝束的可降至 20/公斤左右， 国内及台塑的 12K产品可降至 150200元（人民币） /公斤左右 China Aerodynamics Research Development Center 102 3.7 复合材料叶片的材料选择 国外 碳纤维 用于叶片制造的厂家主要有： 西班牙 Gamesa在他们旋转直径为 87米（ G87）和 90米（ G90） 2MW 的风机的叶片中采用了 碳纤维 环氧树脂预浸料， G90叶片长 44米，质量 约 7t。 NEG Micon在 40米的叶片中也采用了 碳纤维 德国 Enercon GmbH在他们的大型叶片的制造中也使用了 碳纤维 。 由于 碳纤维 比玻纤昂贵，采用百分之百的 碳纤维 制造叶片从成本上来说 是不合算的。目前国外 碳纤维 主要是和玻纤混和使用， 碳纤维 只是用到一 些关键的部分。 碳纤维 在叶片中应用的主要部位有： 横梁 （ Spar），尤其是横梁盖（ Spar Caps） 前后边缘 ，除了提高刚度和降低质量外，还起到避免雷击对叶片造成的损伤 （专利 US6457943BI） 叶片的表面 ，采用具有高强度特性的 碳纤维 片材（日本专利 JP2003214322）。 China Aerodynamics Research Development Center 103 3.7 复合材料叶片的材料选择 几种材料性能的比较 China Aerodynamics Research Development Center 104 基体材料目前大量使用不饱和聚酯树脂、环氧树脂， 现也有不少 企业在探讨使用乙烯基树脂。 注意：在明确了用增强纤维、基体材料的类型后，使用 何种织物类型、选用具备什么性能的该型基体也还需要认真 选择。 譬如是选用机织物还是选用经编织物？是选用单向织物 还是选用双向 /三轴向 /四轴向经编织物？ China Aerodynamics Research Development Center 105 3.7 复合材料叶片的材料选择 China Aerodynamics Research Development Center 106 3.7 复合材料叶片的材料选择 China Aerodynamics Research Development Center 107 3.7 复合材料叶片的材料选择 China Aerodynamics Research Development Center 108 3.7 复合材料叶片的材料选择 无碱粗纱 1： 1方格布 考虑到风力机叶片主要是纵向受力，即气动弯曲和离心力，气动弯曲荷载比离心 力大得多，由剪切与扭转产生的剪应力不大。利用纤维受力为主的受力理论，可把主 要纤维安排在叶片的纵向，这样就可减轻叶片的重量。依此可帮助我们选择经编织物 的种类。 China Aerodynamics Research Development Center 109 3.7 复合材料叶片的材料选择 China Aerodynamics Research Development Center 110 3.7 复合材料叶片的材料选择 China Aerodynamics Research Development Center 111 3.7 复合材料叶片的材料选择 China Aerodynamics Research Development Center 112 3.7 复合材料叶片的材料选择 China Aerodynamics Research Development Center 113 3.7 复合材料叶片的材料选择 China Aerodynamics Research Development Center 114 3.7 复合材料叶片的材料选择 China Aerodynamics Research Development Center 115 3.7 复合材料叶片的材料选择 China Aerodynamics Research Development Center 116 3.7 复合材料叶片的材料选择 China Aerodynamics Research Development Center 117 3.7 复合材料叶片的材料选择 China Aerodynamics Research Development Center 118 3.7 复合材料叶片的材料选择 China Aerodynamics Research Development Center 119 3.7 复合材料叶片的材料选择 China Aerodynamics Research Development Center 120 China Aerodynamics Research Development Center 121 巴斯夫公司推出了一种新的环氧系统 Baxxodur双 组份环氧 /固化剂系统。由于使用了新的固化剂，该类系统 能极大地加速大型叶片的生产。为了保证树脂能够完全快速 地充满叶片的模具，该类环氧系统在初始阶段反应缓慢。然 后通过加热加速固化反应，能更快地在脱模后生产下一个叶 片。这样使整个生产时间减少 30%，提高了生产率。相比传 统的环氧系统其能在更宽的温度范围内进行操作，使生产过 程更加灵活。现已通过 GL认证，可用于风力发动机中。 China Aerodynamics Research Development Center Corporate Overview 对芯材的要求 需要 芯材性能 承受横向荷载 高剪切强度 低挠向变形 高剪切模量 防止板材失稳 高剪切模量 防止面层局部失稳 高拉伸和压缩模量 , 高剪切模量 抗疲劳 高剪切强度 , 剪切应变和 断裂 韧 度 抗冲击 高剪切和压缩强度 , 高的能量吸收 抗应力集中 高剪切应变 重量优化 多种密 度供选择 China Aerodynamics Res