【摘要】：碳纖維復(fù)合材料不但具有高比強度和高比模量等優(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)電葉片或飛機機翼常采用碳纖維復(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、使用壽命長等優(yōu)點。然而碳纖維復(fù)合材料電熱鋪層在制造和運輸過程中容易產(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,而且還會造成巨大的經(jīng)濟損失,甚至發(fā)生安全事故。因此,掌握常見損傷對碳纖維復(fù)合材料電熱性能的影響規(guī)律,以及同質(zhì)修復(fù)對電熱性能的恢復(fù)效果顯得尤為重要。考慮到風(fēng)電葉片所用的材料體系,本文選用了無堿玻璃纖維三軸布/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沖擊損傷,采用貼補手糊工藝對穿孔損傷進行同質(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輸過程中產(chǎn)生的實際穿透性損傷,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)對碳纖維復(fù)合材料電熱性能的影響。結(jié)果表明,孔寬比對碳纖維復(fù)合材料電熱性能的影響呈非線性特征,對加熱溫度場非均勻性和局部最高溫度的影響顯著;孔寬比達到0.625時,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,需要進行修復(fù)。采用同質(zhì)碳纖維復(fù)合材料對Φ30 mm損傷試樣進行了修復(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等效評估低速沖擊損傷,研究了不同沖擊損傷對碳纖維復(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,試樣電阻的增大幅度非常明顯;在沖擊位置的橫向會出現(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損傷進行綜合判斷評估。本文研究工作對指導(dǎo)碳纖維電熱復(fù)合材料損傷后電熱性能評估以及修復(fù)方式選擇具有重要意義。
【圖文】：

圖 1.1 2001-2013 年世界風(fēng)電機組年度新增和累計裝機容量 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，，主力型號單發(fā)展至今，已經(jīng)出現(xiàn)了單機容量為 7 MW 的風(fēng)力發(fā)電機組，德的 6 MW、7 MW 風(fēng)電機組，已在德國和比利時的風(fēng)場成功運機制造廠商也正在研制 10 MW 及以上的風(fēng)電機組。此外，風(fēng)電從最初的 15 m 左右發(fā)展到 128 m 以上。未來隨著風(fēng)電機組單機的不斷擴大，葉片的尺寸也將不斷增大[1-3]。表 1.1 葉片單機容量和直徑隨時間的變化趨勢Table 1.1 Developing trend of wind turbine capacity and rotor diameter 主力型號風(fēng)機功率/KW 風(fēng)機直徑/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)電機組的動力源泉，是風(fēng)力發(fā)電機組的關(guān)鍵部件

國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院碩士學(xué)位論文獻報道[23]，國外著名風(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 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 年裝機就已經(jīng)超過 150 臺。美國 GE 公 機型（葉片長度 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，該機型安裝總量超過1500臺套。西班87-2.0 MW 機型（葉片長度 42.5 m）和 G90-2.0 MW 機型（葉片長碳纖維復(fù)合材料主梁結(jié)構(gòu)設(shè)計（如圖 1.9），主梁由玻璃纖維預(yù)料混雜制備。盡管國外著名風(fēng)電廠商已經(jīng)有成功設(shè)計和批量應(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】：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TQ342.742;TB332

【參考文獻】

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本文編號：2571889