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热塑性复合材料可用于风机叶片吗?

来自:Feijiu网

风力机叶片的制造已建立于热固性复合材料技术的基础上。但热塑性复合材料能赋予可回收性和其他优点。当增强热塑性塑料用于生产风轮叶片时,与热固性塑料相比,它可提供重大的优势。首先,热塑性塑料在加热时有可塑性,并且保持塑性,而不像热固性塑料永久坚硬。因此,在使用寿命的后期,热塑性叶片能通过加热成型一些东西,进行回收再利用。假定叶片制造现在每年要使用几十万吨复合材料,这就将形成一个越来越重要的市场效益。 

 

1.优势与劣势

 

优势一:可回收再利用

 

在使用寿命的后期,热塑性叶片能通过加热成型一些东西,进行回收再利用。

 

优势二:固化周期短

 

热塑性塑料还能解决固化周期的障碍,这种障碍现在减慢了热固性叶片的生产速度。成型的叶片可以在加热下脱模,进一步加速生产过程。部件可以通过加热局部界面和焊接来共固化或连接。小部件能采用粒料注射成型。

 

优势三:强度、刚度更高

 

增强热塑性塑料在相同重量下可以比热固性塑料强度更高,这样就能形成更轻的结构。对这些塑料进行叶片设计优化可以形成不同构造的结构。例如,通过设计一个叶片,使它更像一个飞机机翼,用肋板和梁来加强,设计人员就能省掉许多目前用于叶片中的结构芯材。泡沫和其他芯材吸收树脂,增加重量和成本,而且必须加工成形。

 

在使用中,其抗雨、雪等的侵蚀要优于热固性塑料,并且通常具有更高的损伤容限,裂缝生长较慢。由于更具延长性,因此热塑性塑料抗冲击强度更佳,往往损伤显示为可见凹痕,而不像热固性复合材料,是藏于层板中,表面看不出缺陷。

 

劣势一:抗疲劳性能差

 

增强热塑性塑料的疲劳性能相当差,这是因为纤维和塑料基体之间较弱的连接。两者间的连接是机械性的,是纤维四周的基体树脂在固化过程中的收缩形成的,而不是化学连接。普通的偶联剂用来提高玻纤、碳纤和热固性树脂的粘接,但对热塑性树脂不大起作用。

 

热/湿性能一般比热固性树脂差,这是由于热的湿气会膨胀基体,松动机械连接,使基体分子链沿纤维滑动。此外,大多数热塑性树脂加工困难,在熔融状态其较高的粘性意味着需要较高的加工温度和固化压力,才能确保树脂能完全地渗透入长纤维连续纤维。由于需要金属模具,且能耗较高,因此成本上升。

 

2.国内外研究现状

 

国外:EireComposites的绿色叶片(GreenBlade)项目

 

在爱尔兰,Galway国立大学的复合材料研究单位、Limerick大学的研究小组和商业公司EireComposites已进一步研究了这项最新技术。两所大学广泛研究了APLC-12复合材料,而EireComposites公司积极开发液体成型技术,用于生产热塑性复合材料风力机叶片和机舱罩。在绿色叶片(GreenBlade)项目中,EireComposites正牵头进行一项合作(通过其子公司EireCompositeTeo),该合作包括三菱重工、Ahlstrom玻纤公司和Cyclics公司,共同开发制造一片12.6米长的叶片样品,并进行测试。这项工作将自然而然导致未来对全尺寸热塑性复合材料叶片的开发和认证。

 

国外:丹麦LM公司新叶片技术开发项目BladeKing

 

在几大叶片制造商中,密切关注该项工作的有丹麦LM公司,它是世界上最大的风力机叶片制造商。该公司在正常情况下几乎不能使叶片生产足够快来满足要求,因此它想把目前的生产周期缩短一半,并作为其最新叶片技术开发项目BladeKing的一部分。该公司已被热塑性塑料能降低生产周期所吸引,它可以作为一个可能的关键,到2015年把新品种塑料推到市场。为了生产超大型叶片用于未来海上风力机,高水平的自动化也是所需要的。这是BladeKing项目关注的另一焦点:使用自动化纤维铺层或带铺层,加快纤维在模具中的铺层速度。RisoDTU和Aalborg大学与LM公司一起进行BladeKing项目研究工作,丹麦国家先进技术基金提供部分赞助。

 

国内:中科恒源与RTP公司合作研发长纤维增强热塑性叶片

 

湖南中科恒源风电产业科技有限公司设计和制造了适用于未由电网供电地区的小型风力涡轮机。该公司使用美国RTP公司的长玻璃纤维增强热塑性塑料来注射成型风轮叶片。据介绍,该公司与RTP公司合作研发使用很长纤维增强的产品,因为它们在注塑材料中具有最高的强度/重量比。长玻璃纤维增强材料提供高模量和抗冲击性,不管环境条件如何,都能保持叶片形状不变。卓越的尺寸稳定性可有效防止叶片改变迎风角度,从而大大提高涡轮机的效率,尤其是在非常潮湿和非常干燥的条件下。

 

3.总结

 

全球风电市场的加速发展,使叶片供应商不仅要扩能,而且要寻找加快生产过程的技术,以满足未来的需求。热塑性树脂有潜在的优势可以帮助他们做到这点,同时还加强了超大型叶片的结构可行性,并解决叶片退役后的可再生问题。对于风能领域,由于其需求逐渐加剧,因此这些真正的塑料可以证明是一种变革的技术。

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