侵权投诉
首页 / 百科 / 风电叶片
风电叶片

风电叶片

分类: 风电
属性: 产品
最后修改时间: 2014年08月30日
本词条对我有帮助0
据智研咨询数据统计,目前,中国风机叶片市场已经形成外资企业、民营企业、研究院所、上市公司等多元化的主体投资形式。外资企业主要有GE、LM、GAMESA、VESTAS等,国内企业以时代新材、中材科技、中航惠腾、中复连众为代表。叶片是风电部件中确定性较高、市场容量较大、盈利模式清晰的行业。

  据智研咨询数据统计,目前,中国风机叶片市场已经形成外资企业、民营企业、研究院所、上市公司等多元化的主体投资形式。外资企业主要有GE、LM、GAMESA、VESTAS等,国内企业以时代新材、中材科技、中航惠腾、中复连众为代表。叶片是风电部件中确定性较高、市场容量较大、盈利模式清晰的行业。随着供需紧张形势的缓解,风电叶片行业也将随之发生从群雄混战到几强争霸的转变,我国风电叶片产业正在经历一场行业性的洗牌整合。随着风电叶片市场规模的扩大,成本和售价都将下降,但具备规模、技术和成本优势的企业成本下降速度将超过售价降低速度,盈利超过平均水平。未来的行业竞争格局要求厂商规模扩大、成本降低、并在技术上保持一定优势。

  目录1.材料

          材料简介

         不饱和树脂

  2.复合材料风电叶片的发展现状

   1.引言

   2.复合材料风电叶片的材料体系及制造工艺

   3.当前复合材料叶片生产应用中存在的问题

   4.总结与展望 1材料编辑材料

  环氧树脂是泛指分子中含有两个或两个以上环氧基团的有机高分子化合物,除个别外,它们的相对分子质量都不高。环氧树脂的分子结构是以分子链中含有活泼的环氧基团为其特征,环氧基团可以位于分子链的末端、中间或成环状结构。由于分子结构中含有活泼的环氧基团,使它们可与多种类型的固化剂发生交联反应而形成不溶、不熔的具有三向网状结构的高聚物。

  应用特性:

  1、 形式多样。各种树脂、固化剂、改性剂体系几乎可以适应各种应用对形式提出的要求,其范围可以从极低的粘度到高熔点固体。

  2、 固化方便。选用各种不同的固化剂,环氧树脂体系几乎可以在0~180℃温度范围内固化。

  3、 粘附力强。环氧树脂分子链中固有的极性羟基和醚键的存在,使其对各种物质具有很高的粘附力。环氧树脂固化时的收缩性低,产生的内应力小,这也有助于提高粘附强度。

  4、 收缩性低。环氧树脂和所用的固化剂的反应是通过直接加成反应或树脂分子中环氧基的开环聚合反应来进行的,没有水或其它挥发性副产物放出。它们和不饱和聚酯树脂、酚醛树脂相比,在固化过程中显示出很低的收缩性(小于2%)。

  5、 力学性能。固化后的环氧树脂体系具有优良的力学性能。

  6、 电性能。固化后的环氧树脂体系是一种具有高介电性能、耐表面漏电、耐电弧的优良绝缘材料。

  7、 化学稳定性。通常,固化后的环氧树脂体系具有优良的耐碱性、耐酸性和耐溶剂性。像固化环氧体系的其它性能一样,化学稳定性也取决于所选用的树脂和固化剂。适当地选用环氧树脂和固化剂,可以使其具有特殊的化学稳定性能。

  8、 尺寸稳定性。上述的许多性能的综合,使环氧树脂体系具有突出的尺寸稳定性和耐久性。

  9、 耐霉菌。固化的环氧树脂体系耐大多数霉菌,可以在苛刻的热带条件下使用。

  类型分类:

  根据分子结构,环氧树脂大体上可分为五大类:

  1、 缩水甘油醚类环氧树脂

  2、 缩水甘油酯类环氧树脂

  3、 缩水甘油胺类环氧树脂

  4、 线型脂肪族类环氧树脂

  5、 脂环族类环氧树脂

  复合材料工业上使用量最大的环氧树脂品种是上述第一类缩水甘油醚类环氧树脂,而其中又以二酚基丙烷型环氧树脂(简称双酚A型环氧树脂)为主。其次是缩水甘油胺类环氧树脂。

  1、 缩水甘油醚类环氧树脂  缩水甘油醚类环氧树脂是由含活泼氢的酚类或醇类与环氧氯丙烷缩聚而成的。

  (1)二酚基丙烷型环氧树脂 二酚基丙烷型环氧树脂是由二酚基丙烷与环氧氯丙烷缩聚而成。

  工业二酚基丙烷型环氧树脂实际上是含不同聚合度的分子的混合物。其中大多数的分子是含有两个环氧基端的线型结构。少数分子可能支化,极少数分子终止的基团是氯醇基团而不是环氧基。因此环氧树脂的环氧基含量、氯含量等对树脂的固化及固化物的性能有很大的影响。 工业上作为树脂的控制指标如下:

  ①环氧值。环氧值是鉴别环氧树脂性质的最主要的指标,工业环氧树脂型号就是按环氧值不同来区分的。环氧值是指每100g树脂中所含环氧基的物质的量数。环氧值的倒数乘以100就称之为环氧当量。环氧当量的含义是:含有1mol环氧基的环氧树脂的克数。

  ②无机氯含量。树脂中的氯离子能与胺类固化剂起络合作用而影响树脂的固化,同时也影响固化树脂的电性能,因此氯含量也环氧树脂的一项重要指标。

  ③有机氯含量。树脂中的有机氯含量标志着分子中未起闭环反应的那部分氯醇基团的含量,它含量应尽可能地降低,否则也要影响树脂的固化及固化物的性能。

  ④挥发分。

  ⑤粘度或软化点。

  (2)酚醛多环氧树脂 酚醛多环氧树脂包括有苯酚甲醛型、邻甲酚甲醛型多环氧树脂,它与二酚基丙烷型环氧树脂相比,在线型分子中含有两个以上的环氧基,因此固化后产物的交联密度大,具有优良的热稳定性、力学性能、电绝缘性、耐水性和耐腐蚀性。它们是由线型酚醛树脂与环氧氯丙烷缩聚而成的。

  (3)其它多羟基酚类缩水甘油醚型环氧树脂 这类树脂中具有实用性的代表有:间苯二酚型环氧树脂、间苯二酚-甲醛型环氧树脂、四酚基乙烷型环氧树脂和三羟苯基甲烷型环氧树脂,这些多官能缩水甘油醚树脂固化后具有高的热变形温度和刚性,可单独

  或者与通用E型树脂共混,供作高性能复合材料(ACM)、印刷线路板等基体材料。

  (4)脂族多元醇缩水甘油醚型环氧树脂 脂族多元醇缩水甘油醚分子中含有两个或两个以上的环氧基,这类树脂绝大多数粘度很低;大多数是长链线型分子,因此富有柔韧性。

  2、其它类型环氧树脂

  (1)缩水甘油酯类环氧树脂 缩水甘油酯类环氧树脂和二酚基丙烷环氧化树脂比较,它具有粘度低,使用工艺性好;反应活性高;粘合力比通用环氧树脂高,固化物理学性能好;电绝缘性好;耐气候性好,并且具有良好的耐超低温性,在超低温条件下,仍具有比其它类型环氧树脂高的粘结强度。有较好的表面光泽度,透光性、耐气候性好。

  (2)缩水甘油胺类环氧树脂 这类树脂的优点是多官能度、环氧当量高,交联密度大,耐热性显着提高。上前国内外已利用缩水甘油胺环氧树脂优越的粘接性和耐热性,来制造碳纤维增强的复合材料(CFRP)用于飞机二次结构材料。

  (3)脂环族环氧树脂 这类环氧树脂是由脂环族烯烃的双键经环氧化而制得的,它们的分子结构和二酚基丙烷型环氧树脂及其它环氧树脂有很大差异,前者环氧基都直接连接在脂环上,而后者的环氧基都是以环氧丙基醚连接在苯核或脂肪烃上。脂环族环氧树脂的固化物具有以下特点:①较高的压缩与拉伸强度;②长期暴置在高温条件下仍能保持良好的力学性能;③耐电弧性、耐紫外光老化性能及耐气候性较好。

  (4)脂肪族环氧树脂 这类环氧树脂分子结构里不仅无苯核,也无脂环结构。仅有脂肪链,环氧基与脂肪链相连。环氧化聚丁二烯树脂固化后的强度、韧性、粘接性、耐正负温度性能都良好。

  使用指南:

  环氧树脂及环氧树脂胶粘剂本身无毒,但由于在制备过程中添加了溶剂及其它有毒物,因此不少环氧树脂因此“有毒”,近年国内环氧树脂业正通过水性改性、避免添加等途径,保持环氧树脂“无毒”本色。目前绝大多数环氧树脂涂料为溶剂型涂料,含有大量的可挥发有机化合物(VOC),有毒、易燃,因而对环境和人体造成危害。

  环氧树脂一般和添加物同时使用,以获得应用价值。添加物可按不同用途加以选择,常用添加物有以下几类:(1)固化剂;(2)改性剂;(3)填料;(4)稀释剂;(5)其它。

  其中固化剂是必不可少的添加物,无论是作粘接剂、涂料、浇注料都需添加固化剂,否则环氧树脂不能固化。

  由于用途性能要求各不相同,对环氧树脂及固化剂、改性剂、填料、稀释剂等添加物也有不同的要求。现将它们的选择方法简介于下:

  (一)环氧树脂的选择

  1、 从用途上选择

  作粘接剂时最好选用中等环氧值(0.25-0.45)的树脂,如6101、634;作浇注料时最好选用高环氧值(>0.40)的树脂,如618、6101;作涂料用的一般选用低环氧值(<0.25)的树脂,如601、604、607、609等。

  2、 从机械强度上选择

  环氧值过高的树脂强度较大,但较脆;环氧值中等的高低温度时强度均好;环氧值低的则高温时强度差些。因为强度和交联度的大小有关,环氧值高固化后交联度也高,环氧值低固化后交联度也低,故引起强度上的差异。

  3、 从操作要求上选择

  不需耐高温,对强度要求不大,希望环氧树脂能快干,不易流失,可选择环氧值较低的树脂;如希望渗透性也,强度较好的,可选用环氧值较高的树脂。

  (二)、固化剂的选择

  1、固化剂种类:

  常用环氧树脂固化剂有脂肪胺、脂环胺、芳香胺、聚酰胺、酸酐、树脂类、叔胺,另外在光引发剂的作用下紫外线或光也能使环氧树脂固化。常温或低温固化一般选用胺类固化剂,加温固化则常用酸酐、芳香类固化剂。

  环氧值是鉴定环氧树脂质量的最主要指标,环氧树脂的型号划分就是根据环氧值的不同来区分的。环氧值是指100克树脂中所含环氧基的克当量数。

  2、固化剂的用量

  (1)胺类作交联剂时按下式计算:

  胺类用量=MG/Hn

  式中:

  M=胺分子量

  Hn=含活泼氢数目

  G=环氧值(每100克环氧树脂中所含的环氧当量数)

  改变的范围不多于10-20%,若用过量的胺固化时,会使树脂变脆。若用量过少则固化不完善。

  (2)用酸酐类时按下式计算:

  酸酐用量=MG(0.6~1)/100式中:

  M=酸酐分子量

  G=环氧值(0.6~1)为实验系数

  3、 选择固化剂的原则:固化剂对环氧树脂的性能影响较大,一般按下列几点选择。

  (1)、从性能要求上选择:有的要求耐高温,有的要求柔性好,有的要求耐腐蚀性好,则根据不同要求选用适当的固化剂。

  (2)、从固化方法上选择:有的制品不能加热,则不能选用热固化的固化剂。

  (3)、从适用期上选择:所谓适用期,就是指环氧树脂加入固化剂时起至不能使用时止的时间。要适用期长的,一般选用酸酐类或潜伏性固化剂。

  (4)、从安全上选择:一般要求毒性小的为好,便于安全生产。

  (5)、从成本上选择。

  (三)、改性剂的选择

  改性剂的作用是为了改善环氧树脂的鞣性、抗剪、抗弯、抗冲、提高绝缘性能等。常用改性剂有:

  (1)、聚硫橡胶:可提高冲击强度和抗剥性能。

  (2)、聚酰胺树脂:可改善脆性,提高粘接能力。

  (3)、聚乙烯醇叔丁醛:提高抗冲击鞣性。

  (4)、丁腈橡胶类:提高抗冲击鞣性。

  (5)、酚醛树脂类:可改善耐温及耐腐蚀性能。

  (6)、聚酯树脂:提高抗冲击鞣性。

  (7)、尿醛三聚氰胺树脂:增加抗化学性能和强度。

  (8)、糠醛树脂:改进静弯曲性能,提高耐酸性能。

  (9)、乙烯树脂:提高抗剥性和抗冲强度。

  (10)、异氰酸酯:降低潮气渗透性和增加抗水性。

  (11)、硅树脂:提高耐热性。

  聚硫橡胶等的用量可以在50-300%之间,需加固化剂;聚酰胺树脂、酚醛树脂用量一般为50-100%,聚酯树脂用量一般在20-30%,可以不再另外加固化剂,也可以少量加些固化剂促使反应快些。

  一般说来改性剂用量越多,柔性就愈大,但树脂制品的热变形温度就相应下降。

  为改善树脂的柔性,也常用增韧剂如:邻苯二甲酸二丁酯或邻苯二甲酸二辛酯。

  (四)、填料的选择

  填料的作用是改善制品的一些性能,并改善树脂固化时的散热条件,用了填料也可以减少环氧树脂的用量,降低成本。因用途不同可选用不同的填料。其大小最好小于100目,用量视用途而定。常用填料简介如下:

  填料名称 作用

  石棉纤维、玻璃纤维 增加韧性、耐冲击性

  石英粉、瓷粉、铁粉、水泥、金刚砂 提高硬度

  氧化铝、瓷粉 增加粘接力,增加机械强度

  石棉粉、硅胶粉、高温水泥 提高耐热性

  石棉粉、石英粉、石粉 降低收缩率

  铝粉、铜粉、铁粉等金属粉末 增加导热、导电率

  石墨粉、滑石粉、石英粉 提高抗磨性能及润滑性能

  金刚砂及其它磨料 提高抗磨性能

  云母粉、瓷粉、石英粉 增加绝缘性能

  各种颜料、石墨 具有色彩

  另外据资料报导适量(27-35%)P、AS、Sb、Bi、Ge、Sn、Pb的氧化物添加在树脂中能在高热度、压力下保持粘接性。

  (五)、稀释剂的选择

  其作用是降低粘度,改善树脂的渗透性。稀释剂可分惰性及活性二大类,用量一般不超过30%。常用稀释剂如下:

  活性稀释剂

  名称 牌号 用途 备注

  二缩水甘油醚 600 ~30% 需多加计算量固化剂

  多缩水甘油醚 630 同上 同上

  环氧丙烷丁基醚 660 ~15% 同上

  环氧丙烷苯基醚 690 同上 同上

  二环氧丙烷乙基醚669 同上 同上

  三环氧丙烷丙基醚662 同上 同上

  惰性稀释剂

  名称 用量 备注

  二甲苯 ~15% 不需多加固化剂

  甲苯 同上 同上

  苯 同上 同上

  丙酮 同上 同上

  在加入固化剂之前,必须对所使用的树脂、固化剂、填料、改性剂、稀释剂等所有材料加以检查,应符合以下几点要求:

  (1)、不含水份:含水的材料首先要烘干,含少量水的溶剂应尽量少用。

  (2)、纯度:除水份以外的杂质含量最好在1%以下,若杂质在5-25%时虽也可使用权,但须增加配方的百分比。少量使用时用试剂级较好。

  (3)、了解各材料是否失效。

  在缺少验收条件的厂,使用前最好按配方做个小样试验。

  (六)、固化的三个阶段

  1. 液体-操作时间

  操作时间(也是工作时间或使用期)是固化时间的一部份,混合之后,树脂/固化剂混合物仍然是液体和可以工作及适合应用。为了保证可靠的粘接,全部施工和定位工作应该在固化操作时间内做好。

  2.凝胶-进入固化

  混合物开始进入固化相(也称作熟化阶段),这时它开始凝胶或“突变”。这时的环氧没有长时间的工作可能,也将失去粘性。在这个阶段不能对其进行任何干扰。它将变成硬橡胶似的软凝胶物,你用大拇指将能压得动它。

  因为这时混合物只是局部固化,新使用的环氧树脂仍然能与它化学链接,因此该未处理的表面仍然可以进行粘接或反应。无论如何,接近固化的混合物这些能力在减小

  3. 固体-最终固化

  环氧混合物达到固化变成固体阶段,这时能砂磨及整型。这时你用大拇指已压不动它,在这时环氧树脂约有90%的最终反应强度,因此可以除去固定夹件,将它放在室温下维持若干天使它继续固化。

  这时新使用的环氧树脂不能与它进行化学链接,因此该环氧表面必须适当地进行预处理如打磨,才能得到好的粘接机械强度。

  不饱和树脂

  1.不饱和聚酯树脂的定义

  人类最早发现的树脂是从树上分泌物中提炼出来的脂状物,如松香等,这是“脂”前有“树”的原因。直到1906年第一次用人工合成了酚醛树脂,才开辟了人工合成树脂的新纪元。1942年美国橡胶公司首先投产不饱和聚酯树脂,后来把未经加工的任何高聚物都称作树脂。但是早就与“树”无关了。

  树脂又分为热塑性树脂和热固性树脂两大类。对于加热熔化冷却变固,而且可以反复进行的可熔的树脂叫做热塑性树脂,如聚氯乙烯树脂(PVC)、聚乙烯树脂(PE)等;对于加热固化以后不再可逆,成为既不溶解,又不熔化的固体,叫做热固性树脂,如酚醛树脂、环氧树脂、不饱和聚酯树脂等。

  “聚酯”是相对于“酚醛”“环氧”等树脂而区分的含有酯键的一类高分子化合物。这种高分子化合物是由二元酸和二元醇经缩聚反应而生成的,而这种高分子化合物中含有不饱和双键时,就称为不饱和聚酯,这种不饱和聚酯溶解于有聚合能力的单体中(一般为苯乙烯)

  而成为一种粘稠液体时,称为不饱和聚酯树脂(英文名Unsaturated Polyester Resin 简称UPR)。

  因此,不饱和聚酯树脂可以定义为由饱和的或不饱和的二元酸与饱和的或不饱和的二元醇缩聚而成的线型高分子化合物溶解于单体(通常用苯乙烯)中而成的粘稠的液体。

  2.不饱和聚酯树脂的特性

  不饱和聚酯树脂是一种热固性树脂,当其在热或引发剂的作用下,可固化成为一种不溶不融的高分子网状聚合物。但这种聚合物机械强度很低,不能满足大部分使用的要求,当用玻璃纤维增强时可成为一种复合材料,俗称“玻璃钢”(英文名Fiber Reinforced Plastics 简称FRP)。“玻璃钢”的机械强度等各方面性能与树脂浇铸体相比有了很大的提高。

  以不饱和树脂为基材的玻璃钢(UPR-FRP)具有以下特性:

  1)轻质高强

  FRP的密度为1.4-2.2g/cm3,比钢轻4-5倍,而其强度却不小,其比强度超过型钢、硬铝和杉木。这对于航空、航天、火箭、导弹、军械及运输等需要减轻自重的产品具有非常重要的意义。例如波音747喷气客机在主要结构上应用的FRP部件达2.2吨,有效地节省了飞机燃料,提高了航速,延长了续航时间,增加了有效载荷。见表1。

  表1 UPR-FRP与其他材料的性能

  材料 相对密度(g/cm3) 极限拉伸强度(Mpa) 比强度

  (×103cm) 拉伸弹性模量(Gpa) 比模量

  (×103cm)

  UPR-FRP 1.5-1.7 352 2076.6 19.71 115.9

  钢 7.8 880 1128.2 204.16 261.7

  硬铝 2.8 457.6 1634.2 70.4 251.4

  杉木 0.5 70.4 1408.0 9.86 197.2

  2) 耐腐蚀性能良好

  UPR-FRP是一种良好的耐腐蚀性材料,能耐一般浓度的酸、碱、盐类,大部分有机溶剂、海水、大气、油类,对微生物的抵抗力也很强,正广泛应用于石油、化工、农药、医药、染料、电镀、电解、冶炼、轻工等国民经济诸领域,发挥着其他材料无法替代的作用。

  3) 电性能优异

  UPR-FRP绝缘性能极好,在高频作用下仍能保持良好的介电性能。它不反射无线电波,不受电磁的作用,微波透过性良好,是制造雷达罩的理想材料。用它制造仪表、电机、电器产品中的绝缘部件能提高电器的使用寿命和可靠性。见表2。

  表2 UPR-FRP的介电性能

  体积电阻率

  (Ω cm) 介电强度

  (KV mm-1) 介电常数

  (60Hz) 功率因数

  (60Hz) 耐电弧性

  (S)  1012~1014 15-20 3.0-4.4 0.003 125

  4)独特的热性能

  UPR-FRP的导热系数为0.3-0.4Kcal/mh℃,只有金属的1/100-1/1000,是一种优良的绝热材料,用其制成的门窗是第五代新型节能建材。另外,FRP线胀系数也很小,与一般金属材料接近,所以FRP和金属连接不致受热膨胀产生应力,有利于其与金属基材或混凝土结构粘接。

  5) 加工工艺性能优异

  UPR的加工工艺性能优异,工艺简单,可一次成型,既可常温常压成型,又可以加温加压固化,而且在固化过程中无低分子副产物生成,可制造出比较均一的产品。由于其工艺性能优异,近年来已被广泛用于制作工艺品、仿大理石制品、聚酯漆等非玻璃纤维增强型材料。

  6)材料的可设计性好

  UPR-FRP是以UPR为基体,以玻璃纤维为增强骨材的复合材料,二者经过一次性加工成型为最终形状的制品。所以FRP不仅仅是一种材料,同时也是一种结构。所谓可设计性包含两方面内容:(1)功能设计;通过选择合适的UPR和玻璃纤维可以制成具有各种特殊功能的FRP制品,如:可以制成耐腐蚀的产品;可以制成耐瞬时高温的产品;可制成透光板材;可制成耐火阻燃制品;可制成耐紫外线制品……(2)结构设计:可以根据需要,灵活地设计出各种产品结构,如玻璃钢门窗、玻璃钢格栅、玻璃钢管、玻璃钢槽、玻璃钢罐等。

  任何一种材料都不是万能的,FRP也不例外。首先FRP与金属相比有许多本质上差别,例如金属是各向同性材料,而FRP是各向异性材料,金属在应力作用下,一般分为弹性变形与塑性变形两个阶段,而FRP在应力作用下一般没有显着的塑性变形阶段,没有屈服点,在受力过程中有分层现象,在超负荷时容易突然断裂。其次FRP的模量较低,比钢材差10倍,因此凡对刚性要求高的产品必须进行精心设计。第三,FRP的耐热比金属材料相差甚远,到目前为止FRP的长期使用温度还只限于200℃以下。

  3.不饱和聚酯树脂的分类和用途

  根据不饱和聚酯树脂的结构可分为邻苯型、间苯型、对苯型、双酚A型、乙烯基酯型等;根据其性能可分为通用型、防腐型、自熄型、耐热型、低收缩型等;根据其主要用途可分为玻璃钢(FRP)用树脂与非玻璃钢用树脂两大类,所谓玻璃钢制品是指树脂以玻璃纤维及其制品为增强材料制成的各种产品,也称为玻璃纤维增强塑料(简称FRP或玻璃钢);非玻璃钢制品是树脂与无机填料相混合或其本身单独使用制成的各种制品,也称为非增强型玻璃钢制品。

  按具体专用品种分类包括有缠绕树脂、喷射树脂、RTM树脂、拉挤树脂、SMC、BMC树脂、阻燃树脂、食品级树脂、防腐蚀树脂、气干型树脂、宝丽板树脂、工艺品树脂、纽扣树脂、玛瑙树脂、人造石树脂、高透明树脂水晶树脂、原子灰树脂等。作为FRP表面装饰的防老化阻燃胶衣、耐热胶衣、喷涂胶衣、模具胶衣、不开裂胶衣、辐射固化胶衣、高耐磨胶衣等。[2]

  UPR的玻璃钢制品广泛地应用于下述领域:

  建筑领域:制冷却塔,8米3/小时-3000米3/小时的横流、逆流、喷射式塔及风筒、风机、收水器等辅件。门、窗、轻型采光建筑、格栅、活动房、冷库、公园亭、台、报亭等。

  玻璃钢管、罐、槽等防腐产品及工程:包括大、中、小口径管道、管件、阀门、贮罐、贮槽、格栅、填仓板、塔器、烟囱、防腐地面及建筑防腐等。

  玻璃钢车辆:火车双层客车及零部件、窗框、汽车车身、保险杠、火车通风道、弹簧板等。

  玻璃钢船艇:包括游艇、救生艇、交通艇、渔船、快艇、舢舨、养殖船、冲锋舟等。

  玻璃钢游乐设备:包括大型游艺机、大型水上乐园、儿童乐园。

  玻璃钢交通设备、劳保及保安用品:包括公路牌、路标、人行桥、灯具、电缆盒、测量标尺、头盔、收亭、防爆器材、井盖等。

  玻璃钢卫生设备:浴缸、洗漱台、便器、镜架、整体卫生间、垃圾箱。

  节能玻璃钢产品;包括轴流风机、离心风机、太阳能热水器、风力发电机等。

  玻璃钢食品容器:高位水箱、食品运输罐、饮料罐。

  玻璃钢城市雕塑、字体、工艺品和贴骨工艺。

  玻璃钢家具:包括座椅、快餐桌、成套家具、电话亭、柜台等。

  玻璃钢机电、矿用、轻纺产品:包括防护罩、格栅、干式变压器互感器、高压拉杆、计算机房、电器开关、SMC卫星天线、铜箔板、服装模特、通风管道、棉条筒等。

  玻璃钢运动器材和音乐舞蹈器材:包括网球拍、双杠、单杠、助跳板、赛艇、道具等。

  UPR的非玻璃钢应用领域大致如下:

  浇铸工艺品;包括水晶工艺品、不透明各种造型工艺品等

  钮扣 :各种聚酯钮扣制品。

  人造石:包括人造大理石、人造玛瑙、人造花岗岩等

  涂层:包括家俱涂层、钢琴、电视机、收音机外壳、缝纫机台板以及自行车罩光漆等。

  原子灰 :汽车修补用聚酯腻子等。

  其它:包括锚固剂、电器浇铸、增韧剂、粘接剂等。

  2复合材料风电叶片的发展现状编辑1引言

  随着煤、石油、天然气等传统化石能源耗尽时间表的日益临近,风能的开发和利用越来越得到人们的重视,已成为能源领域最具商业推广前景的项目之一,目前在国内外发展迅速。中国2005年冬到2006年春的用电缺口达到了1500万kW,电力增长仍有极大的潜力。而与之对应的现阶段我国的电力构成中,风力发电仅占1%左右,风力的开发和利用仍有很大的空间,几乎每个省份都有在建或拟建的风电项目[2]。据国外媒体报道,为取代“911”恐怖袭击中倒塌的世贸双子塔楼而设计的1776英尺高的“自由塔”的楼顶也将设置风力发电机,风力发电在当今世界之热门程度由此可见。商业通信公司预测,今后若干年内世界大型风力机市场将会以年20%左右的速率增长,中国的增长速率可能会更快。据估计,2006~2010年之间,我国风电叶片的需求量大约在7000多片,2011~2020年的需求量则将达到惊人的50000片[3]。巨大的市场前景使得目前风机行业的竞争空前激烈。整机方面,目前国际市场格局已初步成型。2005年全球超过75%的市场份额被丹麦Vestas、西班牙Gamesa、德国Enercon和美国GE WIND四家企业占据,新进入企业的生存空间不大;国内的整机生产企业中,新疆金风、浙江运达、大连重工集团、东方汽轮机厂等几家的市场前景被业界看好,这其中又以新疆金风科技在国内品牌中的市场份额最大。叶片市场的情况与整机基本类似,单是丹麦LM Glasfiber公司一家就占据了国际市场40%以上的份额,其产品被GE WIND、西门子(原丹麦BONUS)、SUZLON、Repower、Nordex等公司全部或部分采用[4];另外Vestas和Enercon公司也拥有各自的叶片生产部门。国内的叶片生产企业主要有中航保定惠腾、连云港中复连众复合材料集团等。

  2复合材料风电叶片的材料体系及制造工艺

  复合材料在风力发电中的应用主要是转子叶片、机舱罩和整流罩的制造。相对而言,机舱罩和整流罩的技术门槛较低,生产开发的难度不大。而风力发电机转子叶片则是风力发电机组的关键部件之一,其设计、材料和工艺决定风力发电装置的性能和功率。在风力发电机兴起100多年的历史里,叶片材料经历了木制叶片、布蒙皮叶片、铝合金叶片等。随着联网型风力发电机的出现,风力发电进入高速发展时期,传统材料的叶片在日益大型化的风力发电机上使用时某些性能已达不到要求,于是具有高比强度的复合材料叶片发展起来。现在,几乎所有的商业级叶片均采用复合材料为主体制造,风电叶片已成为复合材料的重要应用领域之一。

  采用复合材料叶片主要有以下优点:①轻质高强,刚度好。众所周知复合材料性能具有可设计性,可根据叶片受力特点设计强度与刚度,从而减轻叶片重量;②叶片设计寿命按20年计,则其要经受108周次以上的疲劳交变,因此材料的疲劳性能要好。复合材料缺口敏感性低,内阻尼大,抗震性能好,疲劳强度高;③风力机安装在户外,近年来又大力发展海上风电场,要受到酸、碱、水汽等各种气候环境的影响,复合材料叶片耐候性好,可满足使用要求;④维护方便。复合材料叶片除了每隔若干年在叶片表面进行涂漆等工作外,一般不需要大的维修。2.1复合材料叶片的材料体系

  风力发电机叶片是一个复合材料制成的薄壳结构,一般由根部、外壳和加强筋或梁三部分组成,复合材料在整个风电叶片中的重量一般占到90%以上。复合材料叶片发展之初采用的是廉价的玻璃纤维增强不饱和聚酯树脂体系,直到今天这仍是大部分叶片采用的材料。随着叶片长度的不断增大,这种体系在某些场合已不能满足要求,于是很自然地,性能更优异的增强材料—碳纤维进入了叶片生产者的视野。文献[6,7]探讨了碳纤维的添加对于复合材料叶片的影响。一般认为,22m以下的叶片采用玻璃纤维,而大于42m的叶片则采用碳纤维或碳玻混杂纤维[8]。树脂基体方面,聚酯树脂价格低廉,成型工艺性好,但性能一般,环氧树脂则刚好相反,性能较优但价格较高且工艺操作性不好,所以目前成本和性能等介于二者之间的乙烯基树脂被一些叶片制造商大量采用。

  鉴于目前国际上碳纤维价格居高不下,有些人认为在叶片生产中采用碳纤维太过昂贵,不应采用,实际上并非如此,一方面由于叶片长度的增加,其对刚度的要求也更加严格,在更大尺寸叶片的制造上,单纯的玻璃纤维已不能满足要求,碳纤维的刚度大约是玻纤的3倍,制成的复合材料刚度约是玻璃钢的两倍,从这个意义上说碳纤维的引入是必要也是必须的;另一方面,由于叶片尺寸的加大,其质量也越来越巨大,高性能碳纤维的引入可以在很大程度上实现叶片的减重,而随着叶片重量的减轻,旋翼叶壳、传动轴、平台及塔罩等也可以轻量化[9],从而可整体降低风力发电机组的成本,抵消或部分抵消碳纤维引入带来的成本增加。随着大型、超大型海上风力发电机的制造和陆续投入运行,碳纤维在风电叶片上大规模应用的时代已为时不远。

  2.2复合材料叶片的制造工艺

  现在的叶片成型工艺一般是先在各专用模具上分别成型叶片蒙皮、主梁及其他部件,然后在主模具上把两个蒙皮、主梁及其它部件胶接组装在一起,合模加压固化后制成整体叶片。具体成型工艺又大致可分为七种[10]:①手糊;②真空导入树脂模塑(VIP);③树脂传递模塑(RTM);④西门子树脂浸渍工艺(SCRIMP);⑤纤维缠绕工艺(FW);⑥木纤维环氧饱和工艺(WEST);⑦模压。上述工艺中,①、④、⑤和⑥是开模成型工艺,而②、③和⑦是闭模模塑工艺。

  传统的叶片生产一般采用开模工艺,尤其是手糊方式较多,生产过程中会有大量苯乙烯等挥发性有毒气体产生,给操作者和环境带来危害;另一方面,随着叶片尺寸的增加,为保证发电机运行平稳和塔架安全,这就必须保证叶片轻且质量分布均匀。这就促使叶片生产工艺由开模向闭模发展。采用闭模工艺,如现在热门的真空树脂导入模塑法,不但可大幅度降低成型过程中苯乙烯的挥发,而且更容易精确控制树脂含量,从而保证复合材料叶片质量分布的均匀性,并可提高叶片的质量稳定性。

  3当前复合材料叶片生产应用中存在的问题

  随着叶片尺寸的不断增加,其生产和制造过程中产生了一些在以往的中小型叶片生产中未曾碰到过的新问题。

  3.1大型模具问题

  大型复合材料叶片的外形尺寸与其制造模具有着极其密切的关系。为保证复合材料叶片设计外形和尺寸精度,叶片长度越长,成型时对模具刚度和强度的要求就越高,模具的重量和成本也会大幅度提高。为减轻模具重量,降低模具成本,大型复合材料叶片的制造模具也逐渐由金属模具向复合材料模具转变,这也意味着叶片可以做得更长。采用复合材料模具主要有以下优点:①为达到最佳气动效果,叶片具有复杂的气动外形,在风轮的不同半径处,叶片的弦长、厚度、扭角和翼型都是不同的,如用金属来制造,要在模具上实现这些变化,其加工难度很高,实现代价高昂,采用复合材料模具可大大降低其工艺难度;②由于模具与叶片采用同质的材料,模具的热膨胀系数与叶片材料基本相同,故制造出的复合材料叶片的精度和尺寸稳定性均优于金属模具制造的叶片产品;③采用复合材料模具亦可大大缩短模具的制作周期,提高生产效率。

  3.2真空树脂导入模塑法中的树脂固化时间问题

  真空树脂导入模塑法(VIP)在众多叶片成型工艺中的优越性逐渐显现,具有投入少、操作简单、工作环境好、制品性能好等诸多优点,目前在叶片制造领域正获得越来越广泛地应用。传统VIP工艺中,一般先把树脂、促进剂、固化剂等按比例混合好,然后开始真空吸注。只要控制好促进剂和固化剂的用量,这种方法用在一般尺寸的制件上没有问题。但在制造例如叶片等大尺寸复合材料构件时,由于吸胶注胶的时间较长,如控制不好很容易出现树脂未注完即凝胶的现象。另外在用胶量较大时,桶中配好的胶液还可能发生爆聚。为防止此类情况发生,可考虑设计一种树脂和固化剂的混合装置,吸注前树脂和固化剂分别在不同的容器内,吸注时树脂与固化剂实时混合实时吸注,从而可避免爆聚和过快凝胶,即增加了生产安全性,同时也节省了原材料的用量。

  3.3叶片的固化问题

  在叶片的生产过程中,由于模具尺寸巨大,一般无法采用烘箱等传统的外部加热方式对其进行升温固化,生产一般只是在室温下进行,这就造成叶片固化周期较长,难以进行较连续化的生产。解决办法是叶片在模具上基本成型后即脱模,然后在室外利用光照进行后固化处理。当前很多企业采用的都是这种叶片生产方式,如国内叶片的领军企业中航保定惠腾等。但这种方式也有其先天不足,生产受制于天气并且制品脱模前存在模具中的时间较长,会影响生产效率。为此,可考虑在模具中内置热源,如铺设流体加热管路或电热布等,通过内置热源对模具的加热来实现叶片的快速固化,从而达到不受自然条件制约的、可连续进行的生产。而且,由于光照后固化方式受气候因素制约严重,目前的叶片生产基地多建在光照较充足的北方。采用内置热源的叶片模具后大大放宽了叶片生产对气候的要求,可以谋求在南方建立叶片生产基地,从而在全国构建起更加合理的叶片产业格局。

  3.4叶片的长途运输问题

  目前,世界上所有风电叶片都是采用整体模具生产的,这种模具尺寸、重量巨大,叶片生产只能在生产基地进行,于是叶片的运输问题便日益突出起来:一方面,出于安全考虑,世界各国铁路、公路管理部门对运载货物的长度、高度等都是有限制的,风力发电机组的叶片和塔架长度在几十米或更长,机舱罩一般在三米或更高,塔架下法兰直径超过三米,这些都属于超限范围;另一方面,我国风电场分布非常广泛,很多位置偏远、交通不便,建造风电场时大型叶片运输成本非常高昂,有些地区甚至根本无法送达。可以说,长途运输问题已经越来越成为制约风电发展的一个瓶颈。在这方面,可以考虑采用组合模具来制造叶片,即把风电叶片成型模具设计成可拆装、易运输的组合模具,通过普通公路或铁路运输把模具、工装、重要部件和原材料运抵大型风电场附近,快速搭建简易工房,在风电场现场进行叶片制造;还有一种思路就是采用组合叶片,即把叶片分成几段来制造,使其尺度在公路运输最大许可范围内,运送到风电场后再进行叶片的组装,但这种构想能否在实践中应用还有待实验验证,目前尚未有这方面的报道。

  3.5退役叶片的处理问题

  风力发电是可持续的产业之一,但目前使用的复合材料叶片则属于不可回收材料,这已成为复合材料叶片最大的隐忧。采用热固性树脂生产的复合材料叶片,目前的工艺水平难以对其回收再利用,一般的处理仅仅是在露天堆放,随着风电叶片的尺寸越来越大,数量激增,这些叶片退役后给环境造成的影响不可忽视,这与我们目前倡导可持续发展的宗旨也是相违背的。

  针对这一问题,目前的发展趋势:是对叶片的增强材料进行改进,如采用生物质材料,即采用木材与树脂复合,通过积层制作叶片。有文献称,目前的分级竹篾层积材料比模量已超过玻纤增强的复合材料,比强度也达到与其相同的数量级,但竹篾积层材料虽减少了树脂用量,仍需要使用热固性树脂,只能治标而不能治本。最彻底的解决方式还是发展可回收利用的热塑性复合材料叶片,这方面的研究目前也取得了一定成果。爱尔兰Gaoth Tec Teo公司、日本三菱重工、美国Cyclics公司签署了合作协议开发热塑性复合材料叶片,并已采用玻璃纤维增强Cyclics公司的低粘度热塑性CBT&reg;树脂制造出世界上首个12.6m可循环利用风电叶片。据称,这种叶片退役后,每套叶片回收的材料平均可达到19t,这是一个史无前例的数据。但在更大尺寸叶片的制造上,这种热塑性树脂目前的性能可能还不是很理想。据称,目前上述几家公司正在研制30米以上的叶片。这种“绿色叶片”究竟能否在大型风力发电机上获得广泛应用还有待时间来验证。

  3.6其他问题

  目前总体上看风力发电的形势一片大好,但也有反对的声音存在,如有的动物保护主义者认为风力发电机会危及一些动物的生存,也有人认为风力发电存在噪声污染并影响景观,另外虽然目前风力发电机以每年3~5%的速度在降价,但我国风力发电的上网电价仍然偏高[14]。应该指出的是,任何一种技术都不是完美无缺的,都可能存在瑕疵。作为一项可惠及子孙的事业,风力发电总体上来说是利大于弊的。在这个问题上,一方面政府需要加大宣传力度,纠正公众对风力发电若干问题的看法;另一方面政府也可考虑在政策上增加对风电的扶持和指导,提高风电的价格竞争力,以实现我国风电事业又好又快的发展。

  4总结与展望

  风力发电的发展依赖于生产制造大量的风力发电机,风力发电机离不开叶片,而制造叶片则需要复合材料产业的支撑。对我国的复合材料产业来说,风力发电是一个难得的机遇。选择最佳的材料体系和制造工艺,制造出质量上乘的复合材料叶片,满足快速发展的风力发电的需求,这是我们追求的目标。目前来看,内置热源的大型复合材料组合模具、改进的真空导入树脂模塑工艺以及可回收利用的热塑性叶片树脂基体等新设想、新工艺可能在今后会发展成为引领风电叶片研究和制造的新热点

  • 风电叶片资讯
  • 解析风电叶片的3D打印系统性高效制造方法
  • 提出风电叶片3D打印系统性高效制造方法。首先,采用逆向设计完成了叶片三维扫描,获取点云数据与三 维模型;通过有限元方法进行静力与屈曲分析,用以结构尺寸的微调;最终,利用3D打印技术做出了实体样件模型。
  • 机电集团企业自主知识产权风电叶片下线
  • 随着中国能源结构及供给侧改革进程加快,“十三五”能源规划提出了全面协调推进风电产业持续健康发展,低风速区域风电开发已公认为解决风电发展困境的必由之路,而适用于低风速的2MW 大直径风轮叶片也渐成市场主力。
  • 全球风电叶片企业并购潮仍将持续
  • 全球风机叶片长度未来将有进一步增加的趋势。目前,69米的陆上风机叶片长度纪录,预计将很快被独立叶片厂商和风机供应商打破。未来碳纤维叶片和分段式叶片的市场份额并不会因此出现大幅提升。2020年前,全球风机市场预计不会出现叶片供应短缺的问题。
  • 风电叶片设计和制作中的技术问题
  • 风电叶片设计可分为气动设计和结构设计这两个大的阶段,其中气动设计要求满足前两条目标,结构设计要求满足后四条目标。通常这两个阶段不是独立进行的,而是一个迭代的过程,叶片厚度必须足够以保证能够容纳腹板,提高叶片刚度。
  • 快速搜索
  • 热门词条