用于風電葉片的分級竹層積材和杉木層積材的制造與評價.pdf

1、數(shù)百年來，人類使用的能源由木材、焦炭、煤炭、石油和天然氣，以及鈾礦（核能）提供。由于所有這些能源的來源都受到了限制，而且在同一時間里，這些能源的使用還帶來了環(huán)境污染的問題。優(yōu)化利用能源和減少環(huán)境污染的要求使我們把能源發(fā)展的重點放在可持續(xù)清潔能源的供應(yīng)上，這就是風能能夠解決全球能源問題的關(guān)鍵所在。風力發(fā)電是利用風能來推動風力發(fā)電機發(fā)電。風力發(fā)電機葉片起著非常重要的作用，風力發(fā)電機的發(fā)電效率，取決于風力發(fā)電機葉片的材料、形狀和角度。因此，風

2、力發(fā)電機葉片的材料起著至關(guān)重要的作用，葉片材料應(yīng)具備高剛度，低密度和長期的疲勞壽命。
　　目前風力發(fā)電機葉片在用材料主要是玻璃纖維增強塑料（GFRP）、碳纖維增強塑料（CFRP）和木/環(huán)氧復(fù)合材料,它們都存在各自的優(yōu)缺點。眾所周知：風力發(fā)電機葉片由于長期處于旋轉(zhuǎn)（受力）的狀態(tài)中，對材料的穩(wěn)定性、均勻性、強度、剛度和密度等性能要求很高。作為風力發(fā)電機葉片材料性能中最重要的還是材料必須具有高的抗疲勞強度性能，其次很重要的一點是作為風力

3、發(fā)電機葉片的材料，還必須具有原材料來源廣泛、價格低廉的優(yōu)勢才行。由于碳纖維增強塑料價格昂貴，導致成品風力發(fā)電機葉片制造成本高，且玻璃纖維增強塑料（GFRP）和碳纖維增強塑料（CFRP）這兩種材料回收處理困難；木/環(huán)氧葉片使用大徑級天然林木材（如花旗松等），原材料來源困難。本論文選擇我國資源豐富、性能優(yōu)良的毛竹（Phyllostachys pubescens）和杉木(Cunninghamia lanceolata)做為原材料，研制可用于制

4、造風力發(fā)電機葉片的分級杉木薄板層積材和分級竹青薄板層積材。
　　與玻璃鋼等人造工程材料相比，杉木邊材徑切板相關(guān)物理力學性能數(shù)值受樹木的不同立地條件、生長環(huán)境等相關(guān)因素影響呈明顯的無規(guī)律的變化，要生產(chǎn)物理力學性能優(yōu)良且性能穩(wěn)定的風力發(fā)電機葉片復(fù)合材料，就必須對全部加工的杉木邊材徑切板進行檢測，并按檢測數(shù)值的大小對杉木邊材徑切板進行分級，只有這樣才能生產(chǎn)出物理力學性能優(yōu)良且性能穩(wěn)定的風力發(fā)電機葉片復(fù)合材料來。
　　采用傳統(tǒng)的通過

5、測定杉木邊材徑切板彎曲彈性模量的機械分級標準，雖然具有較高的準確性，但此種方法費時費力，難以進行工業(yè)化批量生產(chǎn)。
　　與機械分級相比，目測分級的準確性高，而使用的時間不足原有機械分級耗用時間的1/10，大大降低杉木分級所需要的時間和勞動強度，同時，隨著工人目測分級工作的進行及熟練程度的進一步提高，其分級的準確性也將進一步提高，其分級所需要的時間也將進一步降低，這使得風力發(fā)電葉片復(fù)合材料的大批量生產(chǎn)成為可能。
　　在杉木重組的

6、過程中，最佳涂膠量定為170g/m2（單面），最佳的斜接角度定為3.81°（斜率1/15）；在分級杉木層積材和分級竹青層積材的加工過程中，環(huán)氧樹脂浸漬量的大小與環(huán)氧混合浸漬樹脂固含量的大小成正比關(guān)系；在浸漬時間或浸漬膠的固含量一定的情況下，采用加壓浸漬的杉木薄板和竹青薄板的樹脂浸漬量明顯高于未加壓浸漬的杉木薄板和竹青薄板的樹脂浸漬量。
　　運用經(jīng)典層合板理論,建立分級杉木薄板層積材和分級竹青層積材的彈性模量預(yù)測模型,通過MOE1、

7、MOE2的預(yù)測值與實測值的比對,證明建立的分級杉木薄板層積材和分級竹青層積材的彈性模量預(yù)測模型具有比較高的準確性；運用單向復(fù)合材料的串聯(lián)模型,建立了分級杉木薄板層積材和分級竹青層積材的順紋抗拉強度和順紋抗壓強度的預(yù)測模型,通過分級杉木薄板層積材和分級竹青層積材的順紋抗拉強度和順紋抗壓強度的預(yù)測值與實測值的比對,證明建立的分級杉木薄板層積材和分級竹青層積材的順紋抗拉強度和順紋抗壓強度預(yù)測模型具有比較高的準確性。
　　利用動態(tài)熱機械分

8、析儀檢測不同竹齡的毛竹，實驗證明：隨著毛竹竹齡的增加，毛竹竹青試件的常溫存儲模量值也相應(yīng)的增加，也就是說，在常溫條件下，毛竹竹青的剛性隨毛竹竹齡的增加而增加，但是毛竹到了一定竹齡后，其竹青的剛性漸漸趨于穩(wěn)定，甚至有開始下降的趨勢。一般5-6年生的成熟毛竹的竹青部份的常溫存儲模量位于1010Pa（10GPa）數(shù)量級以上，一般能滿足做為風力發(fā)電葉片復(fù)合材料中增強相材料的使用，它們的損耗模量位于108Pa數(shù)量級左右。因此，最佳的風力發(fā)電葉片復(fù)

9、合材料增強相材料是5-6年生的成熟毛竹。
　　由此制備的滿足風力發(fā)電葉片復(fù)合材料要求的分級杉木薄板層積材的順紋拉伸強度達到132 MPa，順紋壓縮強度超過82 MPa，順紋拉伸模量達到17.9 GPa，橫紋拉伸模量達到5.3 GPa，剪切強度15.67 MPa，而杉木薄板層積材的密度一般在0.75-0.85g/cm3左右。由于杉木薄板層積材具有相對較低的密度和較高的物理力學性能，其壓縮強度質(zhì)量比達到104 MPa.cm3/g，比剛

10、度達到22.8 GPa，壁板穩(wěn)定性參數(shù)達到2.68（1/MPa），各項指標均高于目前國外在用的木/環(huán)氧層積材物理力學性能指標。
　　由此制備的滿足風力發(fā)電葉片復(fù)合材料要求的分級竹青薄板層積材的順紋拉伸強度達到254 MPa，順紋壓縮強度超過180 MPa，順紋拉伸模量達到26 GPa，橫紋拉伸模量達到5.5 GPa，剪切強度21.65 MPa，而分級竹青層積材的密度一般在1.00-1.10g/cm3左右。由于分級竹青薄板層積材具有

11、相對較低的密度和較高的物理力學性能，其壓縮強度質(zhì)量比達到174 MPa.cm3/g，比剛度達到25.2 GPa，各項指標均高于目前國外在用的木/環(huán)氧層積材物理力學性能指標。
　　對于制備的風力發(fā)電葉片復(fù)合材料來說，疲勞強度是衡量材料性能的重要指標。分級杉木薄板層積材在106次疲勞循環(huán)測試下，還保持60％的靜載強度，高于優(yōu)質(zhì)木/環(huán)氧層積材保持55%的靜載強度，也比玻璃鋼（保持40%以下的靜載強度）的疲勞性能好；分級竹青薄板