用于風(fēng)電葉片的分級(jí)竹層積材和杉木層積材的制造與評(píng)價(jià).pdf

1、數(shù)百年來，人類使用的能源由木材、焦炭、煤炭、石油和天然氣，以及鈾礦（核能）提供。由于所有這些能源的來源都受到了限制，而且在同一時(shí)間里，這些能源的使用還帶來了環(huán)境污染的問題。優(yōu)化利用能源和減少環(huán)境污染的要求使我們把能源發(fā)展的重點(diǎn)放在可持續(xù)清潔能源的供應(yīng)上，這就是風(fēng)能能夠解決全球能源問題的關(guān)鍵所在。風(fēng)力發(fā)電是利用風(fēng)能來推動(dòng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電。風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片起著非常重要的作用，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電效率，取決于風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的材料、形狀和角度。因此，風(fēng)

2、力發(fā)電機(jī)葉片的材料起著至關(guān)重要的作用，葉片材料應(yīng)具備高剛度，低密度和長(zhǎng)期的疲勞壽命。
　　目前風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片在用材料主要是玻璃纖維增強(qiáng)塑料（GFRP）、碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）和木/環(huán)氧復(fù)合材料,它們都存在各自的優(yōu)缺點(diǎn)。眾所周知：風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片由于長(zhǎng)期處于旋轉(zhuǎn)（受力）的狀態(tài)中，對(duì)材料的穩(wěn)定性、均勻性、強(qiáng)度、剛度和密度等性能要求很高。作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片材料性能中最重要的還是材料必須具有高的抗疲勞強(qiáng)度性能，其次很重要的一點(diǎn)是作為風(fēng)力

3、發(fā)電機(jī)葉片的材料，還必須具有原材料來源廣泛、價(jià)格低廉的優(yōu)勢(shì)才行。由于碳纖維增強(qiáng)塑料價(jià)格昂貴，導(dǎo)致成品風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片制造成本高，且玻璃纖維增強(qiáng)塑料（GFRP）和碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）這兩種材料回收處理困難；木/環(huán)氧葉片使用大徑級(jí)天然林木材（如花旗松等），原材料來源困難。本論文選擇我國(guó)資源豐富、性能優(yōu)良的毛竹（Phyllostachys pubescens）和杉木(Cunninghamia lanceolata)做為原材料，研制可用于制

4、造風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的分級(jí)杉木薄板層積材和分級(jí)竹青薄板層積材。
　　與玻璃鋼等人造工程材料相比，杉木邊材徑切板相關(guān)物理力學(xué)性能數(shù)值受樹木的不同立地條件、生長(zhǎng)環(huán)境等相關(guān)因素影響呈明顯的無規(guī)律的變化，要生產(chǎn)物理力學(xué)性能優(yōu)良且性能穩(wěn)定的風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片復(fù)合材料，就必須對(duì)全部加工的杉木邊材徑切板進(jìn)行檢測(cè)，并按檢測(cè)數(shù)值的大小對(duì)杉木邊材徑切板進(jìn)行分級(jí)，只有這樣才能生產(chǎn)出物理力學(xué)性能優(yōu)良且性能穩(wěn)定的風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片復(fù)合材料來。
　　采用傳統(tǒng)的通過

5、測(cè)定杉木邊材徑切板彎曲彈性模量的機(jī)械分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，雖然具有較高的準(zhǔn)確性，但此種方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，難以進(jìn)行工業(yè)化批量生產(chǎn)。
　　與機(jī)械分級(jí)相比，目測(cè)分級(jí)的準(zhǔn)確性高，而使用的時(shí)間不足原有機(jī)械分級(jí)耗用時(shí)間的1/10，大大降低杉木分級(jí)所需要的時(shí)間和勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)，隨著工人目測(cè)分級(jí)工作的進(jìn)行及熟練程度的進(jìn)一步提高，其分級(jí)的準(zhǔn)確性也將進(jìn)一步提高，其分級(jí)所需要的時(shí)間也將進(jìn)一步降低，這使得風(fēng)力發(fā)電葉片復(fù)合材料的大批量生產(chǎn)成為可能。
　　在杉木重組的

6、過程中，最佳涂膠量定為170g/m2（單面），最佳的斜接角度定為3.81°（斜率1/15）；在分級(jí)杉木層積材和分級(jí)竹青層積材的加工過程中，環(huán)氧樹脂浸漬量的大小與環(huán)氧混合浸漬樹脂固含量的大小成正比關(guān)系；在浸漬時(shí)間或浸漬膠的固含量一定的情況下，采用加壓浸漬的杉木薄板和竹青薄板的樹脂浸漬量明顯高于未加壓浸漬的杉木薄板和竹青薄板的樹脂浸漬量。
　　運(yùn)用經(jīng)典層合板理論,建立分級(jí)杉木薄板層積材和分級(jí)竹青層積材的彈性模量預(yù)測(cè)模型,通過MOE1、

7、MOE2的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的比對(duì),證明建立的分級(jí)杉木薄板層積材和分級(jí)竹青層積材的彈性模量預(yù)測(cè)模型具有比較高的準(zhǔn)確性；運(yùn)用單向復(fù)合材料的串聯(lián)模型,建立了分級(jí)杉木薄板層積材和分級(jí)竹青層積材的順紋抗拉強(qiáng)度和順紋抗壓強(qiáng)度的預(yù)測(cè)模型,通過分級(jí)杉木薄板層積材和分級(jí)竹青層積材的順紋抗拉強(qiáng)度和順紋抗壓強(qiáng)度的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的比對(duì),證明建立的分級(jí)杉木薄板層積材和分級(jí)竹青層積材的順紋抗拉強(qiáng)度和順紋抗壓強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型具有比較高的準(zhǔn)確性。
　　利用動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分

8、析儀檢測(cè)不同竹齡的毛竹，實(shí)驗(yàn)證明：隨著毛竹竹齡的增加，毛竹竹青試件的常溫存儲(chǔ)模量值也相應(yīng)的增加，也就是說，在常溫條件下，毛竹竹青的剛性隨毛竹竹齡的增加而增加，但是毛竹到了一定竹齡后，其竹青的剛性漸漸趨于穩(wěn)定，甚至有開始下降的趨勢(shì)。一般5-6年生的成熟毛竹的竹青部份的常溫存儲(chǔ)模量位于1010Pa（10GPa）數(shù)量級(jí)以上，一般能滿足做為風(fēng)力發(fā)電葉片復(fù)合材料中增強(qiáng)相材料的使用，它們的損耗模量位于108Pa數(shù)量級(jí)左右。因此，最佳的風(fēng)力發(fā)電葉片復(fù)

9、合材料增強(qiáng)相材料是5-6年生的成熟毛竹。
　　由此制備的滿足風(fēng)力發(fā)電葉片復(fù)合材料要求的分級(jí)杉木薄板層積材的順紋拉伸強(qiáng)度達(dá)到132 MPa，順紋壓縮強(qiáng)度超過82 MPa，順紋拉伸模量達(dá)到17.9 GPa，橫紋拉伸模量達(dá)到5.3 GPa，剪切強(qiáng)度15.67 MPa，而杉木薄板層積材的密度一般在0.75-0.85g/cm3左右。由于杉木薄板層積材具有相對(duì)較低的密度和較高的物理力學(xué)性能，其壓縮強(qiáng)度質(zhì)量比達(dá)到104 MPa.cm3/g，比剛

10、度達(dá)到22.8 GPa，壁板穩(wěn)定性參數(shù)達(dá)到2.68（1/MPa），各項(xiàng)指標(biāo)均高于目前國(guó)外在用的木/環(huán)氧層積材物理力學(xué)性能指標(biāo)。
　　由此制備的滿足風(fēng)力發(fā)電葉片復(fù)合材料要求的分級(jí)竹青薄板層積材的順紋拉伸強(qiáng)度達(dá)到254 MPa，順紋壓縮強(qiáng)度超過180 MPa，順紋拉伸模量達(dá)到26 GPa，橫紋拉伸模量達(dá)到5.5 GPa，剪切強(qiáng)度21.65 MPa，而分級(jí)竹青層積材的密度一般在1.00-1.10g/cm3左右。由于分級(jí)竹青薄板層積材具有

11、相對(duì)較低的密度和較高的物理力學(xué)性能，其壓縮強(qiáng)度質(zhì)量比達(dá)到174 MPa.cm3/g，比剛度達(dá)到25.2 GPa，各項(xiàng)指標(biāo)均高于目前國(guó)外在用的木/環(huán)氧層積材物理力學(xué)性能指標(biāo)。
　　對(duì)于制備的風(fēng)力發(fā)電葉片復(fù)合材料來說，疲勞強(qiáng)度是衡量材料性能的重要指標(biāo)。分級(jí)杉木薄板層積材在106次疲勞循環(huán)測(cè)試下，還保持60％的靜載強(qiáng)度，高于優(yōu)質(zhì)木/環(huán)氧層積材保持55%的靜載強(qiáng)度，也比玻璃鋼（保持40%以下的靜載強(qiáng)度）的疲勞性能好；分級(jí)竹青薄板