【摘要】：碳纖維復(fù)合材料不但具有高比強(qiáng)度和高比模量等優(yōu)良的力學(xué)性能,還具有良好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能,這種結(jié)構(gòu)和功能一體化的特點(diǎn)使碳纖維復(fù)合材料在工程上得到了廣泛的應(yīng)用。大型風(fēng)電葉片或飛機(jī)機(jī)翼常采用碳纖維復(fù)合材料鋪層用于電熱防冰或除冰,具有加熱功能與結(jié)構(gòu)一體化、升溫速率快、加熱效率高、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。然而碳纖維復(fù)合材料電熱鋪層在制造和運(yùn)輸過程中容易產(chǎn)生各種損傷,不僅影響風(fēng)電葉片低溫環(huán)境下防冰或除冰效果,而且還會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失,甚至發(fā)生安全事故。因此,掌握常見損傷對(duì)碳纖維復(fù)合材料電熱性能的影響規(guī)律,以及同質(zhì)修復(fù)對(duì)電熱性能的恢復(fù)效果顯得尤為重要�？紤]到風(fēng)電葉片所用的材料體系,本文選用了無(wú)堿玻璃纖維三軸布/環(huán)氧樹脂體系和VIMP工藝制備試樣基板,再將碳纖維布手糊成型制備得到完好試樣。通過人工預(yù)制損傷制備損傷試樣,主要包括穿孔損傷和低速?zèng)_擊損傷,采用貼補(bǔ)手糊工藝對(duì)穿孔損傷進(jìn)行同質(zhì)修復(fù)。本文根據(jù)碳纖維復(fù)合材料電熱鋪層在制造和運(yùn)輸過程中產(chǎn)生的實(shí)際穿透性損傷,制備了一系列不同損傷程度的損傷試樣,模擬穿透性損傷孔徑與試樣寬度在不同比例下(孔寬比)對(duì)碳纖維復(fù)合材料電熱性能的影響。結(jié)果表明,孔寬比對(duì)碳纖維復(fù)合材料電熱性能的影響呈非線性特征,對(duì)加熱溫度場(chǎng)非均勻性和局部最高溫度的影響顯著;孔寬比達(dá)到0.625時(shí),電阻由0.746Ω增大到1.927Ω,局部最高溫度由78℃上升到139℃,已經(jīng)超出了復(fù)合材料允許的使用溫度環(huán)境,需要進(jìn)行修復(fù)。采用同質(zhì)碳纖維復(fù)合材料對(duì)Φ30 mm損傷試樣進(jìn)行了修復(fù),研究了不同形狀、不同鋪層厚度等修復(fù)方式對(duì)碳纖維復(fù)合材料電熱性能的影響。結(jié)果表明,雙層方形碳纖維補(bǔ)片修復(fù)能夠獲得更好的修復(fù)效果,修復(fù)后試樣電阻由0.913Ω恢復(fù)到0.654Ω,局部最高溫度下降了30℃。本文采用落錘沖擊裝置來(lái)等效評(píng)估低速?zèng)_擊損傷,研究了不同沖擊損傷對(duì)碳纖維復(fù)合材料電熱性能的影響。結(jié)果表明,隨著沖擊能量的增大,損傷試樣電阻呈非線性增大,且在沖擊能量較大時(shí),試樣電阻的增大幅度非常明顯;在沖擊位置的橫向會(huì)出現(xiàn)局部高溫效應(yīng),沖擊能量越大,溫度偏離正常溫度越高,最大溫差可達(dá)17℃。由于沖擊損傷較為復(fù)雜,宜綜合考慮損傷后電阻特性、外觀特征和加熱特性對(duì)損傷進(jìn)行綜合判斷評(píng)估。本文研究工作對(duì)指導(dǎo)碳纖維電熱復(fù)合材料損傷后電熱性能評(píng)估以及修復(fù)方式選擇具有重要意義。
【圖文】：

圖 1.1 2001-2013 年世界風(fēng)電機(jī)組年度新增和累計(jì)裝機(jī)容量 2003-2013 annual new and cumulative installed capacity of wind power in t 1.1 可見，從上世紀(jì) 80 年代末期到 90 年代初期，，主力型號(hào)單發(fā)展至今，已經(jīng)出現(xiàn)了單機(jī)容量為 7 MW 的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，德的 6 MW、7 MW 風(fēng)電機(jī)組，已在德國(guó)和比利時(shí)的風(fēng)場(chǎng)成功運(yùn)機(jī)制造廠商也正在研制 10 MW 及以上的風(fēng)電機(jī)組。此外，風(fēng)電從最初的 15 m 左右發(fā)展到 128 m 以上。未來(lái)隨著風(fēng)電機(jī)組單機(jī)的不斷擴(kuò)大，葉片的尺寸也將不斷增大[1-3]。表 1.1 葉片單機(jī)容量和直徑隨時(shí)間的變化趨勢(shì)Table 1.1 Developing trend of wind turbine capacity and rotor diameter 主力型號(hào)風(fēng)機(jī)功率/KW 風(fēng)機(jī)直徑/m 風(fēng)電成本993 500 15 0999 1300-2000 80-100 0.009 45000-70000 112-128 0.今 70000 >128發(fā)電葉片是風(fēng)電機(jī)組的動(dòng)力源泉，是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的關(guān)鍵部件

國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院碩士學(xué)位論文獻(xiàn)報(bào)道[23]，國(guó)外著名風(fēng)電制造商 Vestas 公司、GE 公司、Gamesa應(yīng)用碳纖維風(fēng)電葉片，這些葉片中碳纖維均應(yīng)用于主承力的主.8）。其中，丹麥 Vestas 公司按照 IEC 一類風(fēng)區(qū)設(shè)計(jì) V112-3.0 M型采用碳纖維葉片以后，相比于原玻纖葉片，葉片長(zhǎng)度增加 1054.6 m），但葉片寬度和重量基本上都沒有增加，而掃風(fēng)面積增大大幅度提升，在 2012 年裝機(jī)就已經(jīng)超過 150 臺(tái)。美國(guó) GE 公 機(jī)型（葉片長(zhǎng)度 48.7 m），采用了真空導(dǎo)入成型工藝制備碳纖維由9噸左右下降為6噸多，該機(jī)型安裝總量超過1500臺(tái)套。西班87-2.0 MW 機(jī)型（葉片長(zhǎng)度 42.5 m）和 G90-2.0 MW 機(jī)型（葉片長(zhǎng)碳纖維復(fù)合材料主梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（如圖 1.9），主梁由玻璃纖維預(yù)料混雜制備。盡管國(guó)外著名風(fēng)電廠商已經(jīng)有成功設(shè)計(jì)和批量應(yīng)的案例，但由于成本問題，碳纖維葉片在風(fēng)電產(chǎn)業(yè)推廣應(yīng)用程預(yù)期。
【學(xué)位授予單位】：國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TQ342.742;TB332

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2571889