風(fēng)輪葉片用竹質(zhì)復(fù)合材料制備及性能評價(jià)的研究.pdf

1、目前風(fēng)力發(fā)電葉片用材料主要為玻璃纖維增強(qiáng)塑料（GFRP）、碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）和木質(zhì)復(fù)合材料。碳纖維增強(qiáng)塑料價(jià)格昂貴，葉片制造成本高，GFRP和CFRP這兩種料料回收處理困難；木質(zhì)葉片使用大徑級天然林木材，原料料來源困難。本論文選擇我國資源豐富、性能優(yōu)良的毛竹(Phyllostachys pubescens)作為原材料，研制可用于制造風(fēng)輪葉片的竹質(zhì)復(fù)合材料。
　　與玻璃鋼等人造工程材料相比較，竹材材性規(guī)則性差、均勻性差、變異

2、性顯著，是用于工程材料最大的難點(diǎn)。采用竹材徑向分級方法，可將竹材分為A、B、C、D四級，其中A級竹材的性能最為優(yōu)良。本文首創(chuàng)了同竹稈分級竹絲束為基本單元的A級竹絲復(fù)合材料成型工藝，通過分級、竹片拉絲、竹節(jié)交錯(cuò)和均勻組束等方法，提高了竹絲束的均勻性，使之達(dá)到工程材料的要求。
　　本文建立了維管束排列模型分析評價(jià)竹材性能。A級竹材維管束分布密集，纖維含量高，維管束之間只有少量的薄壁細(xì)胞填充其間隙。由于維管束（竹纖維）占據(jù)A級竹材的主要

3、部分，提供了材料的高強(qiáng)度和高模量。A級竹材的主要優(yōu)點(diǎn)是其優(yōu)良的抗疲勞性能。由于環(huán)繞在維管束附近的少量薄壁細(xì)胞起到減緩載荷的作用，是一種理想的抗沖擊和抗疲勞材料，但需要用膠粘劑將其粘接為一個(gè)整體。
　　本論文選擇環(huán)氧樹脂為膠粘劑，酚醛樹脂為固化劑。通過差示掃描量熱儀（DSC）和熱重分析儀（TGA）測試分析，確定了環(huán)氧樹脂體系最佳的固化反應(yīng)條件和反應(yīng)時(shí)間。
　　竹絲束采用浸膠工藝，用丙酮為溶劑稀釋樹脂，通過調(diào)整膠液的濃度控制浸膠

4、量。傳統(tǒng)的靜態(tài)瀝膠方法，造成膠液的不均勻。本文采用動態(tài)瀝膠方法，保證了浸膠的均勻性。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，A級竹絲束樹脂量可降低至8％~9%左右，原因是A級竹材膠液的滲透膠量少。A級竹絲復(fù)合材料需要的樹脂含量少，不僅降低了生產(chǎn)成本，還提高了材料的性能。
　　薄壁細(xì)胞雖然僅占A級竹材約30%左右的體積，但在熱壓過程中（四面加壓）仍屬于可壓縮材料。加之維管束中竹纖維硬度高，體積大。壓制的A級竹絲復(fù)合材料具有很好的物理力學(xué)性能和抗疲勞性能。采用

5、復(fù)合材料制造工藝，用優(yōu)質(zhì)的A級竹絲束作為增強(qiáng)材料，環(huán)氧/酚醛樹脂體系作為基體材料，通過大量的試驗(yàn)，基本確定了A級竹絲/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的熱壓溫度、熱壓時(shí)間、熱壓壓力等熱壓膠合工藝。
　　制備的單向 A級竹絲復(fù)合材料的順紋拉伸強(qiáng)度達(dá)到280MPa，順紋壓縮強(qiáng)度超過190MPa，順紋拉伸模量超過28GPa，橫向拉伸模量達(dá)到5GPa以上，剪切強(qiáng)度達(dá)到20MPa以上。而A級竹絲復(fù)合材料的比重一般在1.05/cm3～1.10g/cm3。由于

6、采用A級竹絲制備的竹/環(huán)氧復(fù)合材料（Bamboo/Epoxy)具有相對較低的密度和較高的力學(xué)性能，其強(qiáng)重比（拉伸強(qiáng)度/密度）達(dá)到244.5，模重比（拉伸模量/密度）達(dá)到24.91，模重比遠(yuǎn)高于玻璃鋼材料，強(qiáng)重比也達(dá)到玻璃鋼材料的50%。
　　對于制備風(fēng)輪葉片用A級竹絲復(fù)合材料，疲勞性能是衡量材料的重要指標(biāo)。在靜載測試試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了疲勞性能測試。A級竹絲復(fù)合材料在106疲勞循環(huán)測試下，還保持50%的靜載強(qiáng)度，與優(yōu)質(zhì)木層積材保持