用于风电叶片的分级竹层积材和杉木层积材的制造与评价

摘要

数百年来，人类使用的能源由木材、焦炭、煤炭、石油和天然气，以及铀矿（核能）提供。由于所有这些能源的来源都受到了限制，而且在同一时间里，这些能源的使用还带来了环境污染的问题。优化利用能源和减少环境污染的要求使我们把能源发展的重点放在可持续清洁能源的供应上，这就是风能能够解决全球能源问题的关键所在。风力发电是利用风能来推动风力发电机发电。风力发电机叶片起着非常重要的作用，风力发电机的发电效率，取决于风力发电机叶片的材料、形状和角度。因此，风力发电机叶片的材料起着至关重要的作用，叶片材料应具备高刚度，低密度和长期的疲劳寿命。
　　目前风力发电机叶片在用材料主要是玻璃纤维增强塑料（GFRP）、碳纤维增强塑料（CFRP）和木/环氧复合材料,它们都存在各自的优缺点。众所周知：风力发电机叶片由于长期处于旋转（受力）的状态中，对材料的稳定性、均匀性、强度、刚度和密度等性能要求很高。作为风力发电机叶片材料性能中最重要的还是材料必须具有高的抗疲劳强度性能，其次很重要的一点是作为风力发电机叶片的材料，还必须具有原材料来源广泛、价格低廉的优势才行。由于碳纤维增强塑料价格昂贵，导致成品风力发电机叶片制造成本高，且玻璃纤维增强塑料（GFRP）和碳纤维增强塑料（CFRP）这两种材料回收处理困难；木/环氧叶片使用大径级天然林木材（如花旗松等），原材料来源困难。本论文选择我国资源丰富、性能优良的毛竹（Phyllostachys pubescens）和杉木(Cunninghamia lanceolata)做为原材料，研制可用于制造风力发电机叶片的分级杉木薄板层积材和分级竹青薄板层积材。
　　与玻璃钢等人造工程材料相比，杉木边材径切板相关物理力学性能数值受树木的不同立地条件、生长环境等相关因素影响呈明显的无规律的变化，要生产物理力学性能优良且性能稳定的风力发电机叶片复合材料，就必须对全部加工的杉木边材径切板进行检测，并按检测数值的大小对杉木边材径切板进行分级，只有这样才能生产出物理力学性能优良且性能稳定的风力发电机叶片复合材料来。
　　采用传统的通过测定杉木边材径切板弯曲弹性模量的机械分级标准，虽然具有较高的准确性，但此种方法费时费力，难以进行工业化批量生产。
　　与机械分级相比，目测分级的准确性高，而使用的时间不足原有机械分级耗用时间的1/10，大大降低杉木分级所需要的时间和劳动强度，同时，随着工人目测分级工作的进行及熟练程度的进一步提高，其分级的准确性也将进一步提高，其分级所需要的时间也将进一步降低，这使得风力发电叶片复合材料的大批量生产成为可能。
　　在杉木重组的过程中，最佳涂胶量定为170g/m2（单面），最佳的斜接角度定为3.81°（斜率1/15）；在分级杉木层积材和分级竹青层积材的加工过程中，环氧树脂浸渍量的大小与环氧混合浸渍树脂固含量的大小成正比关系；在浸渍时间或浸渍胶的固含量一定的情况下，采用加压浸渍的杉木薄板和竹青薄板的树脂浸渍量明显高于未加压浸渍的杉木薄板和竹青薄板的树脂浸渍量。
　　运用经典层合板理论,建立分级杉木薄板层积材和分级竹青层积材的弹性模量预测模型,通过MOE1、MOE2的预测值与实测值的比对,证明建立的分级杉木薄板层积材和分级竹青层积材的弹性模量预测模型具有比较高的准确性；运用单向复合材料的串联模型,建立了分级杉木薄板层积材和分级竹青层积材的顺纹抗拉强度和顺纹抗压强度的预测模型,通过分级杉木薄板层积材和分级竹青层积材的顺纹抗拉强度和顺纹抗压强度的预测值与实测值的比对,证明建立的分级杉木薄板层积材和分级竹青层积材的顺纹抗拉强度和顺纹抗压强度预测模型具有比较高的准确性。
　　利用动态热机械分析仪检测不同竹龄的毛竹，实验证明：随着毛竹竹龄的增加，毛竹竹青试件的常温存储模量值也相应的增加，也就是说，在常温条件下，毛竹竹青的刚性随毛竹竹龄的增加而增加，但是毛竹到了一定竹龄后，其竹青的刚性渐渐趋于稳定，甚至有开始下降的趋势。一般5-6年生的成熟毛竹的竹青部份的常温存储模量位于1010Pa（10GPa）数量级以上，一般能满足做为风力发电叶片复合材料中增强相材料的使用，它们的损耗模量位于108Pa数量级左右。因此，最佳的风力发电叶片复合材料增强相材料是5-6年生的成熟毛竹。
　　由此制备的满足风力发电叶片复合材料要求的分级杉木薄板层积材的顺纹拉伸强度达到132 MPa，顺纹压缩强度超过82 MPa，顺纹拉伸模量达到17.9 GPa，横纹拉伸模量达到5.3 GPa，剪切强度15.67 MPa，而杉木薄板层积材的密度一般在0.75-0.85g/cm3左右。由于杉木薄板层积材具有相对较低的密度和较高的物理力学性能，其压缩强度质量比达到104 MPa.cm3/g，比刚度达到22.8 GPa，壁板稳定性参数达到2.68（1/MPa），各项指标均高于目前国外在用的木/环氧层积材物理力学性能指标。
　　由此制备的满足风力发电叶片复合材料要求的分级竹青薄板层积材的顺纹拉伸强度达到254 MPa，顺纹压缩强度超过180 MPa，顺纹拉伸模量达到26 GPa，横纹拉伸模量达到5.5 GPa，剪切强度21.65 MPa，而分级竹青层积材的密度一般在1.00-1.10g/cm3左右。由于分级竹青薄板层积材具有相对较低的密度和较高的物理力学性能，其压缩强度质量比达到174 MPa.cm3/g，比刚度达到25.2 GPa，各项指标均高于目前国外在用的木/环氧层积材物理力学性能指标。
　　对于制备的风力发电叶片复合材料来说，疲劳强度是衡量材料性能的重要指标。分级杉木薄板层积材在106次疲劳循环测试下，还保持60％的静载强度，高于优质木/环氧层积材保持55%的静载强度，也比玻璃钢（保持40%以下的静载强度）的疲劳性能好；分级竹青薄板层积材在106次疲劳循环测试下，还保持50%的静载强度，与优质木/环氧层积材保持55%的静载强度基本持平，比玻璃钢（保持40%以下的静载强度）的疲劳性能好。

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表目录

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第一章 绪 论

1.1引言

1.2 风力发电机叶片的相关研究现状

1.3研究目标和主要研究内容

1.4研究的技术路线

第二章 杉木的基本物理力学性能

2.1引言

2.2 杉木的基本物理力学性能研究

第三章 杉木边材径切板的加工与分级

3.1引言

3.2 杉木边材径切板的加工

3.3 杉木边材径切板机械分级标准的建立：

3.4杉木边材径切板目测分级标准的建立：

3.5 小结

第四章 杉木边材径切板集成材加工工艺研究

4.1引言

4.2杉木边材径切板的最佳涂胶量和最佳斜接角度的确定

4.3分级杉木重组材径切薄锯板的环氧胶粘剂浸渍量研究

4.4如何提高分级杉木重组材径切薄锯板的胶粘剂浸渍量研究

第五章 分级杉木薄板层积材优化设计与性能预测

5.1引言

5.2 复合材料的复合准则

5.3分级杉木薄板层积材弹性模量预测模型

5.4分级杉木薄板层积材顺纹抗拉强度和顺纹抗压强度预测

5.5小结

第六章 毛竹的基本性能及动态热机械分级

6.1引言

6.2毛竹基本物理力学性能研究

6.3 毛竹竹壁不同部位、不同高度试件的动态热机械分析

6.4 不同竹龄毛竹竹青片试件的动态热机械分析

第七章 分级竹青板的制造与力学性能预测

7.1引言

7.2分级竹青板的研制

7.3分级竹青板环氧树脂浸渍量的研究

7.4如何提高分级竹青板胶粘剂浸渍量的研究

7.5 分级竹青板方材的弹性模量预测模型

7.6分级毛竹竹青板方材顺纹抗拉强度和顺纹抗压强度预测

7.7小结

第八章 分级杉木薄板层积材与分级竹青层积材性能评价

8.1引言

8.2疲劳的基本慨念

8.3分级杉木薄板层积材的制造及性能测试分析方法

8.4分级竹青薄板层积材的制造及性能测试分析方法

第九章 分级杉木薄板层积材与分级竹青层积材成本核算

9.1前言

9.2分级杉木层积材与分级毛竹竹青层积材成本核算

9.3小结

第十章 结论与讨论

10.1结论

10.2讨论

10.3展望

参考文献

在读期间的学术研究

致谢