典型损伤对碳纤维复合材料电热性能的影响研究

发布时间：2020-01-22 06:54

【摘要】：碳纤维复合材料不但具有高比强度和高比模量等优良的力学性能,还具有良好的导电和导热性能,这种结构和功能一体化的特点使碳纤维复合材料在工程上得到了广泛的应用。大型风电叶片或飞机机翼常采用碳纤维复合材料铺层用于电热防冰或除冰,具有加热功能与结构一体化、升温速率快、加热效率高、使用寿命长等优点。然而碳纤维复合材料电热铺层在制造和运输过程中容易产生各种损伤,不仅影响风电叶片低温环境下防冰或除冰效果,而且还会造成巨大的经济损失,甚至发生安全事故。因此,掌握常见损伤对碳纤维复合材料电热性能的影响规律,以及同质修复对电热性能的恢复效果显得尤为重要。考虑到风电叶片所用的材料体系,本文选用了无碱玻璃纤维三轴布/环氧树脂体系和VIMP工艺制备试样基板,再将碳纤维布手糊成型制备得到完好试样。通过人工预制损伤制备损伤试样,主要包括穿孔损伤和低速冲击损伤,采用贴补手糊工艺对穿孔损伤进行同质修复。本文根据碳纤维复合材料电热铺层在制造和运输过程中产生的实际穿透性损伤,制备了一系列不同损伤程度的损伤试样,模拟穿透性损伤孔径与试样宽度在不同比例下(孔宽比)对碳纤维复合材料电热性能的影响。结果表明,孔宽比对碳纤维复合材料电热性能的影响呈非线性特征,对加热温度场非均匀性和局部最高温度的影响显著;孔宽比达到0.625时,电阻由0.746Ω增大到1.927Ω,局部最高温度由78℃上升到139℃,已经超出了复合材料允许的使用温度环境,需要进行修复。采用同质碳纤维复合材料对Φ30 mm损伤试样进行了修复,研究了不同形状、不同铺层厚度等修复方式对碳纤维复合材料电热性能的影响。结果表明,双层方形碳纤维补片修复能够获得更好的修复效果,修复后试样电阻由0.913Ω恢复到0.654Ω,局部最高温度下降了30℃。本文采用落锤冲击装置来等效评估低速冲击损伤,研究了不同冲击损伤对碳纤维复合材料电热性能的影响。结果表明,随着冲击能量的增大,损伤试样电阻呈非线性增大,且在冲击能量较大时,试样电阻的增大幅度非常明显;在冲击位置的横向会出现局部高温效应,冲击能量越大,温度偏离正常温度越高,最大温差可达17℃。由于冲击损伤较为复杂,宜综合考虑损伤后电阻特性、外观特征和加热特性对损伤进行综合判断评估。本文研究工作对指导碳纤维电热复合材料损伤后电热性能评估以及修复方式选择具有重要意义。
【图文】：

图 1.1 2001-2013 年世界风电机组年度新增和累计装机容量 2003-2013 annual new and cumulative installed capacity of wind power in t 1.1 可见，从上世纪 80 年代末期到 90 年代初期，，主力型号单发展至今，已经出现了单机容量为 7 MW 的风力发电机组，德的 6 MW、7 MW 风电机组，已在德国和比利时的风场成功运机制造厂商也正在研制 10 MW 及以上的风电机组。此外，风电从最初的 15 m 左右发展到 128 m 以上。未来随着风电机组单机的不断扩大，叶片的尺寸也将不断增大[1-3]。表 1.1 叶片单机容量和直径随时间的变化趋势Table 1.1 Developing trend of wind turbine capacity and rotor diameter 主力型号风机功率/KW 风机直径/m 风电成本993 500 15 0999 1300-2000 80-100 0.009 45000-70000 112-128 0.今 70000 >128发电叶片是风电机组的动力源泉，是风力发电机组的关键部件

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文献报道[23]，国外著名风电制造商 Vestas 公司、GE 公司、Gamesa应用碳纤维风电叶片，这些叶片中碳纤维均应用于主承力的主.8）。其中，丹麦 Vestas 公司按照 IEC 一类风区设计 V112-3.0 M型采用碳纤维叶片以后，相比于原玻纤叶片，叶片长度增加 1054.6 m），但叶片宽度和重量基本上都没有增加，而扫风面积增大大幅度提升，在 2012 年装机就已经超过 150 台。美国 GE 公 机型（叶片长度 48.7 m），采用了真空导入成型工艺制备碳纤维由9吨左右下降为6吨多，该机型安装总量超过1500台套。西班87-2.0 MW 机型（叶片长度 42.5 m）和 G90-2.0 MW 机型（叶片长碳纤维复合材料主梁结构设计（如图 1.9），主梁由玻璃纤维预料混杂制备。尽管国外著名风电厂商已经有成功设计和批量应的案例，但由于成本问题，碳纤维叶片在风电产业推广应用程预期。
【学位授予单位】：国防科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ342.742;TB332

【参考文献】

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本文编号：2571889