1、China Aerodynamics Research Development Center1风力机叶片的结构设计、制造与验证技术概述第八部分第八部分China Aerodynamics Research Development Center2目 录一、前言一、前言二、风力机叶片结构设计概述二、风力机叶片结构设计概述三、风力机叶片结构材料三、风力机叶片结构材料四、风力机叶片成型工艺概述四、风力机叶片成型工艺概述五、风力机叶片结构的性能验证概述五、风力机叶片结构的性能验证概述六、结束语六、结束语China Aerodynamics Research Development Center3一、前一
2、、前 言言 “一流企业出标准，二流企业搞设计，三流企一流企业出标准，二流企业搞设计，三流企业搞生产业搞生产”这个观点已是众所周知，然而我们知道这个观点已是众所周知，然而我们知道我们的风电标准是以借鉴国外标准为主，缺少研究我们的风电标准是以借鉴国外标准为主，缺少研究支撑，未形成真正自主的标准；支撑，未形成真正自主的标准；5050多家叶片企业技多家叶片企业技术基本都是引进的，现在在探索性做些自主设计的，术基本都是引进的，现在在探索性做些自主设计的，所采用的软件也主要是国外的；我国的风电叶片制所采用的软件也主要是国外的；我国的风电叶片制造企业基本是造企业基本是“加工厂加工厂”级的。级的。China
3、Aerodynamics Research Development Center4 所以，尽管我国的风电装机容量增速很快，风所以，尽管我国的风电装机容量增速很快，风电设备产能很高，但我们万万不能盲目乐观，我们电设备产能很高，但我们万万不能盲目乐观，我们要做强、做大、做长我们的风电产业，真正使绿色要做强、做大、做长我们的风电产业，真正使绿色的风能很好地造福人民、改善我国的能源结构、解的风能很好地造福人民、改善我国的能源结构、解决环境污染问题等我们风电届的同仁们需倍加努力，决环境污染问题等我们风电届的同仁们需倍加努力，认真研究自主设计技术开发的规律，处理好基础研认真研究自主设计技术开发的规律，处理
4、好基础研究、应用研究、技术开发、生产应用等各环节的关究、应用研究、技术开发、生产应用等各环节的关系，力争在较短的时间内建立起我国风电产业发展系，力争在较短的时间内建立起我国风电产业发展所急需的自主的技术支撑体系。所急需的自主的技术支撑体系。一、前一、前 言言China Aerodynamics Research Development Center5 这里着力谈一下风力机叶片的结构设计、制造与这里着力谈一下风力机叶片的结构设计、制造与验证技术。验证技术。风力发电设备的自主设计、制造包括叶片结构的风力发电设备的自主设计、制造包括叶片结构的自主设计和制造。那么叶片结构的自主设计、制造与自主设计和制
5、造。那么叶片结构的自主设计、制造与验证需要哪些技术呢？支撑叶片结构设计的基础数据验证需要哪些技术呢？支撑叶片结构设计的基础数据包括哪些？叶片结构性能的验证平台有何价值？叶片包括哪些？叶片结构性能的验证平台有何价值？叶片实际运行过程中载荷谱的采集有无必要？我们在叶片实际运行过程中载荷谱的采集有无必要？我们在叶片结构自主设计方面已具备哪些能力？未来我们还需做结构自主设计方面已具备哪些能力？未来我们还需做哪些工作？哪些工作？以下分结构设计、结构材料、成型工艺、性能验以下分结构设计、结构材料、成型工艺、性能验证等四个方面逐一进行介绍。证等四个方面逐一进行介绍。一、前一、前 言言China Aerody
6、namics Research Development Center62.1 2.1 叶片结构设计结果的表述方法叶片结构设计结果的表述方法2.2 2.2 确定叶片结构方案的根本原则确定叶片结构方案的根本原则2.3 2.3 叶片结构设计的条件叶片结构设计的条件 2.4 2.4 叶片结构设计的步骤叶片结构设计的步骤 二、风力机叶片结构设计概述China Aerodynamics Research Development Center72.12.1、叶片结构设计结果的表述方法、叶片结构设计结果的表述方法 一般我们可以把叶片设计分为气动设计、结构设计、一般我们可以把叶片设计分为气动设计、结构设计、工艺
7、设计和防雷电设计等。工艺设计和防雷电设计等。从叶片制造商的角度看，叶片气动设计的最终结果就从叶片制造商的角度看，叶片气动设计的最终结果就是给出叶片的外形数据，具体通常是给出沿叶片展向若干是给出叶片的外形数据，具体通常是给出沿叶片展向若干剖面的翼形数据、扭转角、扭心坐标等。依此，叶片制造剖面的翼形数据、扭转角、扭心坐标等。依此，叶片制造商即基本具备了开叶片上下蒙皮模具的条件。商即基本具备了开叶片上下蒙皮模具的条件。从叶片结构设计人员的角度看，叶片气动设计除须给从叶片结构设计人员的角度看，叶片气动设计除须给出足以准确描述叶片外形的足够的叶剖面的翼形数据、扭出足以准确描述叶片外形的足够的叶剖面的翼形
8、数据、扭转角、扭心坐标之外，还应给出气动载荷数据。转角、扭心坐标之外，还应给出气动载荷数据。China Aerodynamics Research Development Center82.12.1、叶片结构设计结果的表述方法、叶片结构设计结果的表述方法 从风力机总体设计的角度看，叶片的气动设计须给从风力机总体设计的角度看，叶片的气动设计须给出风力机的整体性能预测数据，包括风能利用系数，扭矩出风力机的整体性能预测数据，包括风能利用系数，扭矩系数，风轮轴向推力系数，叶尖速比，风能利用系数与尖系数，风轮轴向推力系数，叶尖速比，风能利用系数与尖速比的关系曲线，不同风速风轮扭矩与风轮转速的关系曲速比的
9、关系曲线，不同风速风轮扭矩与风轮转速的关系曲线，输出功率与风速的关系曲线，年输出能量与年平均风线，输出功率与风速的关系曲线，年输出能量与年平均风速的关系曲线，变桨控制要求等等。速的关系曲线，变桨控制要求等等。可见叶片的气动设计结果对不同的人来讲其关心的可见叶片的气动设计结果对不同的人来讲其关心的内容是有差异的。内容是有差异的。China Aerodynamics Research Development Center92.12.1、叶片结构设计结果的表述方法、叶片结构设计结果的表述方法 那么叶片的结构设计结果如何表述呢？那么叶片的结构设计结果如何表述呢？叶片结构设计的结果基本可通过叶片剖面结构
10、图、桨叶片结构设计的结果基本可通过叶片剖面结构图、桨根连接方案图、各部分的布层铺设方案等表述清楚。根连接方案图、各部分的布层铺设方案等表述清楚。在拿到以上结构设计数据、图纸后叶片制造商就可以在拿到以上结构设计数据、图纸后叶片制造商就可以制造叶片了。制造叶片了。当然隐含在以上数据中的设计结果还包括：叶片动力当然隐含在以上数据中的设计结果还包括：叶片动力学特性，包括自振频率、转动惯量、质量分布、总重、刚学特性，包括自振频率、转动惯量、质量分布、总重、刚度特性等，这是总体设计人员关心的数据。度特性等，这是总体设计人员关心的数据。China Aerodynamics Research Developm
11、ent Center102.2 2.2 确定叶片结构方案的根本原则确定叶片结构方案的根本原则八个字八个字“安全可靠，经济合理安全可靠，经济合理”。China Aerodynamics Research Development Center112.3 2.3 叶片结构设计的条件叶片结构设计的条件气动外形数据，气动载荷数据，材料性能数据气动外形数据，气动载荷数据，材料性能数据 China Aerodynamics Research Development Center122.4 2.4 叶片结构设计的步骤叶片结构设计的步骤叶片结构布置方案的选择与确定（无梁结构、叶片结构布置方案的选择与确定（无梁结
12、构、C C形梁形梁-蒙蒙皮结构、皮结构、D D形梁形梁-蒙皮结构、蒙皮结构、O O形梁形梁-蒙皮结构、工字形梁蒙皮结构、工字形梁-蒙蒙皮结构皮结构）工艺与材料选择（必要时需进行材料性能实测）工艺与材料选择（必要时需进行材料性能实测）荷载计算（惯性力和重力是应考虑的载荷；气动载荷、荷载计算（惯性力和重力是应考虑的载荷；气动载荷、运动载荷复核，其它载荷如冰雪载荷的分析）运动载荷复核，其它载荷如冰雪载荷的分析）基于静动强度、疲劳强度、刚度、稳定性、可靠性的要基于静动强度、疲劳强度、刚度、稳定性、可靠性的要求进行结构参数的优化设计计算求进行结构参数的优化设计计算绘制结构剖面图、桨根连接方案图，列出各部
13、分的布层绘制结构剖面图、桨根连接方案图，列出各部分的布层铺设表铺设表 China Aerodynamics Research Development Center133.1 3.1 历史沿革与未来趋势历史沿革与未来趋势3.2 3.2 复合材料的定义、特点、命名及分类复合材料的定义、特点、命名及分类3.3 3.3 复合材料原材料复合材料原材料3.4 3.4 复合材料成型工艺概述复合材料成型工艺概述3.5 3.5 复合材料的历史沿革复合材料的历史沿革3.6 3.6 复合材料的工程应用与发展趋势复合材料的工程应用与发展趋势3.7 3.7 复合材料叶片的材料选择复合材料叶片的材料选择三、风力机叶片结构
14、材料三、风力机叶片结构材料China Aerodynamics Research Development Center14 风力机的发展已有一个多世纪的历史风力机的发展已有一个多世纪的历史18901890年在丹年在丹麦建成了世界上第一个现代型的风力发电装置麦建成了世界上第一个现代型的风力发电装置 ），），在这一个多世纪里，材料工业也有了极大的发展，水在这一个多世纪里，材料工业也有了极大的发展，水平轴风力机的叶片用材料根据风力机自身的发展要求平轴风力机的叶片用材料根据风力机自身的发展要求实际上也在不断发展着。实际上也在不断发展着。木、布、金属（钢、铝等）木、布、金属（钢、铝等）GFRPGFRP、
15、GFRP/CFRPGFRP/CFRP、木增强复合材料、智能复合材料木增强复合材料、智能复合材料 3.1 历史沿革与未来趋势China Aerodynamics Research Development Center15木制叶片及布蒙皮叶片木制叶片及布蒙皮叶片近代的微、小型风力发电机有采用木制叶片近代的微、小型风力发电机有采用木制叶片的，但木制叶片不易做成扭曲型。大、中型的，但木制叶片不易做成扭曲型。大、中型风力发电机很少用木制叶片，采用木制叶片风力发电机很少用木制叶片，采用木制叶片的也是用强度很好的整体木方做叶片纵梁来的也是用强度很好的整体木方做叶片纵梁来承担叶片在工作时所必须承担的主要载荷。
16、承担叶片在工作时所必须承担的主要载荷。与硬铝等金属材料相比与硬铝等金属材料相比,桦木、山毛榉等桦木、山毛榉等木材不仅具有重量轻、强度高等特点木材不仅具有重量轻、强度高等特点,还可以还可以有效地降低雷达波的反射有效地降低雷达波的反射,因此因此,小型无人机小型无人机螺旋桨也多采用木质材料。对木质材料的基螺旋桨也多采用木质材料。对木质材料的基本要求是本要求是:木质均匀、强度好和变形小。松木、木质均匀、强度好和变形小。松木、榉木、桦木和精制层板常作为螺旋桨材料。榉木、桦木和精制层板常作为螺旋桨材料。3.1 历史沿革与未来趋势China Aerodynamics Research Development
17、 Center16 金属叶片金属叶片 今天我们仍可看到金属制直升机螺旋桨、气垫船螺旋桨、风扇今天我们仍可看到金属制直升机螺旋桨、气垫船螺旋桨、风扇叶片、船用螺旋桨，因此不难理解也有用金属做的风力机叶片。叶片、船用螺旋桨，因此不难理解也有用金属做的风力机叶片。实际上由于合金钢其价格低廉，易加工成细长的形状，因此实际上由于合金钢其价格低廉，易加工成细长的形状，因此常采用钢管或常采用钢管或D D型型钢做叶片纵梁，钢板做肋梁，合金钢也因此一型型钢做叶片纵梁，钢板做肋梁，合金钢也因此一度被认为是首选的风力机叶片材料。度被认为是首选的风力机叶片材料。然而，它的密度太大，疲劳特性差，易腐蚀，加工成扭曲形然而
18、，它的密度太大，疲劳特性差，易腐蚀，加工成扭曲形状成本高，因而慢慢被别的材料所替代。状成本高，因而慢慢被别的材料所替代。铝合金的密度为钢铁的铝合金的密度为钢铁的1/31/3，采用挤拉工艺易加工出等弦长的，采用挤拉工艺易加工出等弦长的叶片，因其可连续生产、效率高，又可按设计要求的扭曲进行扭叶片，因其可连续生产、效率高，又可按设计要求的扭曲进行扭曲加工，叶根与轮毂连接的轴及法兰可通过焊接或螺栓连接来实曲加工，叶根与轮毂连接的轴及法兰可通过焊接或螺栓连接来实现，因此也有较好的工业价值。但变弦长的叶片没办法挤拉出来，现，因此也有较好的工业价值。但变弦长的叶片没办法挤拉出来，因此其是以牺牲空气动力效率为
19、前提的。这也限定了其只能在小因此其是以牺牲空气动力效率为前提的。这也限定了其只能在小风力机上有一定应用。风力机上有一定应用。3.1 历史沿革与未来趋势China Aerodynamics Research Development Center17GFRPGFRP叶片叶片 GFRPGFRP即即glass fiber reinforced plasticglass fiber reinforced plastic，我国俗，我国俗称称“玻璃钢玻璃钢”。大家知道这是当前大型风力机叶片的主体。大家知道这是当前大型风力机叶片的主体材料。材料。GFRP/CFRPGFRP/CFRP叶片叶片 CFRPCFRP即
20、即carbon fiber reinforced plastic,carbon fiber reinforced plastic,GFRP/CFRPGFRP/CFRP即碳纤维和玻璃纤维混杂复合材料即碳纤维和玻璃纤维混杂复合材料 一般认为较大型（如一般认为较大型（如4242米以上）的叶片采用米以上）的叶片采用CFRPCFRP或或CFCF与与GFGF混杂的复合材料更合理。混杂的复合材料更合理。3.1 历史沿革与未来趋势China Aerodynamics Research Development Center18未来的叶片会是采用纳米碳管（未来的叶片会是采用纳米碳管（NCTs)NCTs)改性的复合
21、材料叶片吗？改性的复合材料叶片吗？控制叶片寿命的究竟是哪一个因素？是层间韧性？是控制叶片寿命的究竟是哪一个因素？是层间韧性？是?我们有理由相信未来的叶片结构材料还将不断发展。我们有理由相信未来的叶片结构材料还将不断发展。由于多数从事风力机设计的同志并没有学过复合材料方面的由于多数从事风力机设计的同志并没有学过复合材料方面的课程，因此下面将介绍一点复合材料的课程，因此下面将介绍一点复合材料的ABCABC，以更好地理解为，以更好地理解为什么选择复合材料。什么选择复合材料。3.1 历史沿革与未来趋势China Aerodynamics Research Development Center193.2
22、 3.2 复合材料的定义、特点、命名及分类复合材料的定义、特点、命名及分类1 1、复合材料的定义：、复合材料的定义：19941994年出版的由师昌绪主编的年出版的由师昌绪主编的材料大辞材料大辞典典对复合材料的定义如下：复合材料是由有机高对复合材料的定义如下：复合材料是由有机高分子、无机非金属材料或金属等几类不同材料通过分子、无机非金属材料或金属等几类不同材料通过复合工艺组合而成的新型材料，它既保留原组分材复合工艺组合而成的新型材料，它既保留原组分材料的主要特色，又通过复合效应获得原组分所不具料的主要特色，又通过复合效应获得原组分所不具备的性能。可以通过材料设计使各组分的性能互相备的性能。可以通
23、过材料设计使各组分的性能互相补充并彼此关联，从而获得新的优越性能，与一般补充并彼此关联，从而获得新的优越性能，与一般材料的简单混合有本质的区别。材料的简单混合有本质的区别。China Aerodynamics Research Development Center202 2、复合材料的特点、复合材料的特点：与传统材料相比，复合材料有下述特点：与传统材料相比，复合材料有下述特点：l 性能可设计性能可设计l 材料和结构同一材料和结构同一l 具备复合效应具备复合效应l 材料性能对复合工艺依赖性强材料性能对复合工艺依赖性强3.2 3.2 复合材料的定义、特点、命名及分类复合材料的定义、特点、命名及分类
24、China Aerodynamics Research Development Center21 复合材料的性能可设计性是材料科学进展复合材料的性能可设计性是材料科学进展的一大成果，复合材料的力学、机械及热、声、的一大成果，复合材料的力学、机械及热、声、光、电、磁、防腐、抗老化等物理、化学性能光、电、磁、防腐、抗老化等物理、化学性能都可按制件的使用要求和环境条件要求，通过都可按制件的使用要求和环境条件要求，通过组分材料的选择和匹配以及界面控制等材料设组分材料的选择和匹配以及界面控制等材料设计手段，最大限度地达到预期目的，以满足工计手段，最大限度地达到预期目的，以满足工程设备的使用性能。程设备的
25、使用性能。传统的单一材料，如木材、金属、玻璃、传统的单一材料，如木材、金属、玻璃、陶瓷、塑料等只能被选用，不能被设计（指宏陶瓷、塑料等只能被选用，不能被设计（指宏观材料设计，不含分子设计）。观材料设计，不含分子设计）。性能可设计性能可设计China Aerodynamics Research Development Center22 复合材料尤其是纤维增强复合材料，与其说复合材料尤其是纤维增强复合材料，与其说是材料倒不如说是结构更为恰当。传统材料的构是材料倒不如说是结构更为恰当。传统材料的构件成型是经过对材料的再加工，在加工过程中材件成型是经过对材料的再加工，在加工过程中材料不发生组分和化学的
26、变化，而复合材料结构与料不发生组分和化学的变化，而复合材料结构与材料是同时形成的，它由组成复合材料的组分材材料是同时形成的，它由组成复合材料的组分材料在复合成材料的同时也就形成了结构。由于复料在复合成材料的同时也就形成了结构。由于复合材料的这一特点，使之结构的整体性好，可大合材料的这一特点，使之结构的整体性好，可大幅度地减少零部件和连接件的数量，从而缩短加幅度地减少零部件和连接件的数量，从而缩短加工周期，降低成本，提高构件的可靠性。工周期，降低成本，提高构件的可靠性。材料和结构同一材料和结构同一China Aerodynamics Research Development Center23具备
27、复合效应具备复合效应 复合材料是由各组分材料经过复合工艺形复合材料是由各组分材料经过复合工艺形成的，但它并不是几种材料简单的混合，而是成的，但它并不是几种材料简单的混合，而是按复合效应形成新的性能，这种复合效应是复按复合效应形成新的性能，这种复合效应是复合材料仅有的。合材料仅有的。复合效应包括混合效应和协同效应。混合复合效应包括混合效应和协同效应。混合效应也称作平均效应，是组分材料性能取长补效应也称作平均效应，是组分材料性能取长补短共同作用的结果；协同效应形式多样，如增短共同作用的结果；协同效应形式多样，如增强相与基体之间的界面效应、混杂复合材料的强相与基体之间的界面效应、混杂复合材料的混杂效
28、应、层合材料的层合效应及材料强度的混杂效应、层合材料的层合效应及材料强度的尺寸效应。尺寸效应。混杂复合材料的应力-应变曲线的直线部分所对应的最大应变，已超过混杂复合材料中具有低延伸率的纤维的破坏应变。所谓“混杂”有两层含义：一是指两种或多种纤维混合在一起；二是指层板的各层采用不同的纤维。China Aerodynamics Research Development Center24材料性能对复合工艺依赖性强材料性能对复合工艺依赖性强 复合材料结构在成型的过程中有组分材料的复合材料结构在成型的过程中有组分材料的物理和化学的变化，过程非常复杂，因此构件的物理和化学的变化，过程非常复杂，因此构件的性
29、能对工艺方法、工艺参数、工艺过程等依赖性性能对工艺方法、工艺参数、工艺过程等依赖性较大，同时由于在成型过程中很难准确地控制工较大，同时由于在成型过程中很难准确地控制工艺参数，所以一般来说复合材料构件的性能分散艺参数，所以一般来说复合材料构件的性能分散性也是比较大的。性也是比较大的。China Aerodynamics Research Development Center253、复合材料的优缺点、复合材料的优缺点 与传统材料相比，复合材料作为结构材料在与传统材料相比，复合材料作为结构材料在性能上有下述优点：性能上有下述优点：比强度、比模量大比强度、比模量大 耐疲劳性能好耐疲劳性能好 阻尼减振性
30、好阻尼减振性好 破损安全性高破损安全性高 耐腐性能优越耐腐性能优越 China Aerodynamics Research Development Center26比强度、比模量大比强度、比模量大比强度=强度/密度 MPa/（g/cm3）比模量=模量/密度 GPa/（g/cm3）China Aerodynamics Research Development Center27China Aerodynamics Research Development Center28比强度的物理意义比强度的物理意义 比强度的量纲是长度，其物理意义可解释为：比强度的量纲是长度，其物理意义可解释为：材料在自重作用
31、下能自然垂下的最大长度。材料在自重作用下能自然垂下的最大长度。热处理预应力钢筋的比强度是热处理预应力钢筋的比强度是18km乌冬面的比强度是乌冬面的比强度是4.3m豆腐的比强度推测约为豆腐的比强度推测约为10cm碳纤维碳纤维T700的比强度大于的比强度大于300kmChina Aerodynamics Research Development Center29疲劳性能好疲劳性能好复合材料的抗疲劳性能良好。一般金属的复合材料的抗疲劳性能良好。一般金属的疲劳强度为抗拉强度的疲劳强度为抗拉强度的4050%，而某些复合材，而某些复合材料可高达料可高达7080%。复合材料的疲劳断裂是从基。复合材料的疲劳断
32、裂是从基体开始，逐渐扩展到纤维和基体的界面上，没有体开始，逐渐扩展到纤维和基体的界面上，没有突发性的变化。因此，复合材料在破坏前有预兆，突发性的变化。因此，复合材料在破坏前有预兆，可以检查和补救。纤维复合材料还具有较好的抗可以检查和补救。纤维复合材料还具有较好的抗声振疲劳性能。用复合材料制成的直升飞机旋翼，声振疲劳性能。用复合材料制成的直升飞机旋翼，其疲劳寿命比用金属的长数倍。其疲劳寿命比用金属的长数倍。China Aerodynamics Research Development Center30阻尼减振性能好阻尼减振性能好 复合材料的减振性能良好。纤维复合材料的复合材料的减振性能良好。纤维
33、复合材料的纤维和基体界面的阻尼较大，因此具有较好的减纤维和基体界面的阻尼较大，因此具有较好的减振性能。用同形状和同大小的两种粱分别作振动振性能。用同形状和同大小的两种粱分别作振动试验，碳纤维复合材料粱的振动衰减时间比轻金试验，碳纤维复合材料粱的振动衰减时间比轻金属粱要短得多。属粱要短得多。China Aerodynamics Research Development Center31破损安全性好破损安全性好复合材料的安全性好。在纤维增强复合材料的复合材料的安全性好。在纤维增强复合材料的基体中有成千上万根独立的纤维。当用这种材料制基体中有成千上万根独立的纤维。当用这种材料制成的构件超载，并有少量
34、纤维断裂时，载荷会迅速成的构件超载，并有少量纤维断裂时，载荷会迅速重新分配并传递到未破坏的纤维上，因此整个构件重新分配并传递到未破坏的纤维上，因此整个构件不至于在短时间内丧失承载能力。不至于在短时间内丧失承载能力。China Aerodynamics Research Development Center32良好的高温性能目前：聚合物基复合材料的最高耐温上限为350 C；金属基复合材料按不同的基体性能，使用温 度在350 1100 C范围内变动；陶瓷基复合材料的使用温度可达1400C；碳/碳复合材料的使用温度最高可达2800C。China Aerodynamics Research Devel
35、opment Center33缺点缺点 材料各向异性严重材料各向异性严重 材料性能分散性较大，质量控制和检测比较困难材料性能分散性较大，质量控制和检测比较困难 材料成本较高材料成本较高 复合材料韧性较差，机械连接较困难复合材料韧性较差，机械连接较困难China Aerodynamics Research Development Center344、复合材料的命名和分类、复合材料的命名和分类命名方法：命名方法：将增强相或分散相材料放在前，基体相或连将增强相或分散相材料放在前，基体相或连续相材料放在后，之后再缀以续相材料放在后，之后再缀以“复合材料复合材料”。如：由碳纤维和环氧树脂制成的复合材料称
36、为如：由碳纤维和环氧树脂制成的复合材料称为“碳纤维环氧复合材料碳纤维环氧复合材料”，或写为，或写为“碳纤维环碳纤维环氧复合材料氧复合材料”，甚至简记为，甚至简记为“碳环氧碳环氧”，余者，余者类推。类推。China Aerodynamics Research Development Center35按使用性能分：结构复合材料、功能复合材料、按使用性能分：结构复合材料、功能复合材料、结构结构 /功能一体化复合材料功能一体化复合材料按基体分：树脂基复合材料、金属基复合材料、按基体分：树脂基复合材料、金属基复合材料、无机非金属基复合材料无机非金属基复合材料按增强相形态分：连续纤维增强复合材料，纤维按增
37、强相形态分：连续纤维增强复合材料，纤维织物、编织体增强复合材料，片状材料增强复合材织物、编织体增强复合材料，片状材料增强复合材料，短纤维或晶须增强复合材料，颗粒增强复合材料，短纤维或晶须增强复合材料，颗粒增强复合材料料按增强纤维类型分：碳纤维复合材料，玻璃纤维按增强纤维类型分：碳纤维复合材料，玻璃纤维复合材料，有机纤维复合材料，陶瓷纤维复合材料复合材料，有机纤维复合材料，陶瓷纤维复合材料复合材料通常有以下几种分类方法China Aerodynamics Research Development Center36增强体(相)纤维颗粒金属基体增强纤维有机物基体增强纤维陶瓷基体增强纤维碳化物氮化物硼
38、化物氧化物碳纤维，硼纤维，碳化硅纤维，氧化铝纤维，金属丝玻璃纤维，碳纤维,Kevlar纤维碳纤维，碳化硅纤维，氧化铝及其它陶瓷纤维SiC,HfC,WC,MoC,TiC,ThC2,ErC,CrCBN,Si3N4,AlN,ErN,TiN,TaNTiB2,MoB,WB,CrB2,TaB,HfBZrO2,ThO2,Al2O3.,HfO2,CrO2 3.3 复合材料原材料复合材料原材料、增强材料、增强材料China Aerodynamics Research Development Center37China Aerodynamics Research Development Center38碳纤维按碳
39、含量分按性能分按制备原材料分按模量分按强度分碳纤维（含C95%）石墨纤维（含C99%）中模量型(220300GPa)高模量型(300400GPa)超高模量型(400GPa)高强型(2.5GPa)PAN系（原料为丙烯腈及共聚单体）沥青系（原料为焦油或沥青）粘胶系（原料为纤维素）碳纤维碳纤维 由有机纤维或低分子烃气体原料加热至1500C形成的纤维状碳材料，其碳含量为90%以上。它是不完全的石墨结晶沿纤维轴向排列的物质，呈现乱层结构。当加热至2500C时可制得碳含量高于99%的石墨纤维。China Aerodynamics Research Development Center39国外民机结构用碳纤
40、维特点分析国外民机结构用碳纤维特点分析纤维类型纤维类型标准型标准型CF中模高强型中模高强型CFS型型CFT300T800HT800SIM600T700S3/6/12K6/12K24K12/24K12K抗拉模量抗拉模量/GPa230294294285230抗拉强度抗拉强度/MPa35305490588057904900断裂伸长断裂伸长1.51.92.02.02.1线密度线密度g/1000M198/396/800223/2451032800密度密度g/cm31.761.811.801.801.80直径直径m77557China Aerodynamics Research Development C
41、enter40China Aerodynamics Research Development Center41中复神鹰碳纤维有限责任公司碳纤维产品性能型号型号规格规格强度强度GPa模量模量GPa伸长率伸长率%ST250A12K3.0-3.5220-2401.5ST300B1K，3K3.5-4.0220-2401.5ST300B12K3.5-4.0220-2401.5 进口T700碳纤维最近约450元/KGChina Aerodynamics Research Development Center42基体聚合物基体金属基体陶瓷基体不饱和聚酯树脂，环氧树脂，酚醛树脂，乙烯基树脂，热塑性树脂，高性能
42、树脂等铝及铝合金，镁及镁合金钛合金，镍，钴，铜，铅，锌等氧化铝，氧化锆，氮化硅，氮化硼，氮化铝，碳化硅，硼化物等2、基体材料、基体材料China Aerodynamics Research Development Center43热固性树脂热固性树脂 在初受热时变软，可以塑性加工成一定的形状，随着加热的进在初受热时变软，可以塑性加工成一定的形状，随着加热的进行或固化剂的加入，会逐渐成凝胶或固化成型。再加热不会软化，行或固化剂的加入，会逐渐成凝胶或固化成型。再加热不会软化，不熔、不融。不熔、不融。其高分子聚合物属于三维体型网状结构。其高分子聚合物属于三维体型网状结构。常用的热固性树脂有：环氧树脂
43、、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂、常用的热固性树脂有：环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂、乙烯基酯、聚酰亚胺树脂、双马来酰亚胺（乙烯基酯、聚酰亚胺树脂、双马来酰亚胺（BMIBMI）树脂等等）树脂等等聚合物基体China Aerodynamics Research Development Center44 热塑性树脂热塑性树脂加热到一定温度可软化甚至流动，可塑性加工成各种形状。冷加热到一定温度可软化甚至流动，可塑性加工成各种形状。冷却后变硬，再加热可软化。却后变硬，再加热可软化。其高分子聚合物属于线型或支链型分子结构。其高分子聚合物属于线型或支链型分子结构。常用的热塑性树脂：聚丙烯、聚氯乙烯、聚酰胺（
44、尼龙）、聚碳酸常用的热塑性树脂：聚丙烯、聚氯乙烯、聚酰胺（尼龙）、聚碳酸脂等。脂等。China Aerodynamics Research Development Center453.4、复合材料成型工艺概述、复合材料成型工艺概述1、聚合物复合材料工艺、聚合物复合材料工艺2、金属基复合材料工艺、金属基复合材料工艺3、陶瓷基复合材料工艺、陶瓷基复合材料工艺China Aerodynamics Research Development Center461 1、聚合物复合材料（聚合物复合材料（PMCPMC）制备工艺）制备工艺目前聚合物基复合材料的成型方法不少于20多种，如：（1）手糊成型工艺-湿法铺
45、层成型法；（2）喷射成型工艺；（3）树脂传递模塑成型技术（RTM技术）；（4）袋压法（压力袋法）成型；（5）真空袋压成型；（6）热压罐成型技术；（7）液压釜法成型技术；（8）热膨胀模塑法成型技术；（9）夹层结构成型技术；（10）模压料生产工艺；China Aerodynamics Research Development Center47（11）ZMC模压料注射技术；（12）模压成型工艺；（13）层合板生产技术；（14）卷制管成型技术；（15）纤维缠绕制品成型技术；（16）连续制板生产工艺；（17）浇铸成型技术；（18）拉挤成型工艺；（19）连续缠绕制管工艺；（20）编织复合材料制造技术；（2
46、1）热塑性片状模塑料制造技术及冷模冲压成型工艺；（22）注射成型工艺；（23）挤出成型工艺；（24）离心浇铸制管成型工艺；（25）其它成型技术。China Aerodynamics Research Development Center48聚合物复合材料的制备工艺聚合物复合材料的制备工艺（1）手糊成型）手糊成型 用于制备热固性树脂复合材料的一种最原始、最简单用于制备热固性树脂复合材料的一种最原始、最简单的成型工艺。用手工将增强材料的纱或毡铺放在模具中，的成型工艺。用手工将增强材料的纱或毡铺放在模具中，通过浇、刷或喷的方法加上树脂；通过浇、刷或喷的方法加上树脂；纱或毡也可在铺放前用纱或毡也可在铺
47、放前用树脂浸渍，用橡皮辊或涂刷的方法赶出其中的空气。如此树脂浸渍，用橡皮辊或涂刷的方法赶出其中的空气。如此反复，直到所需厚度。固化通常在常温、常压下进行，也反复，直到所需厚度。固化通常在常温、常压下进行，也可适当加热，或常温时加入催化剂或促进剂以加快固化。可适当加热，或常温时加入催化剂或促进剂以加快固化。China Aerodynamics Research Development Center49（2）压力成型：）压力成型：a.袋压成型：袋压成型：真空袋成型；真空袋成型；压力袋成型压力袋成型；袋压成型是最早最广泛用于袋压成型是最早最广泛用于预浸料成型预浸料成型的工艺之一。的工艺之一。将铺层铺
48、放在模具中，依次铺上脱膜布、吸胶层、隔离将铺层铺放在模具中，依次铺上脱膜布、吸胶层、隔离膜袋膜等，在膜袋膜等，在热压下固化热压下固化。经过所需的固化周期后，材。经过所需的固化周期后，材料形成具有一定结构形状的构件料形成具有一定结构形状的构件。China Aerodynamics Research Development Center50b.热压罐成型热压罐成型工艺过程：铺层被装袋并抽真空以排除包埋的空气或其它挥工艺过程：铺层被装袋并抽真空以排除包埋的空气或其它挥发物，发物，在真空条件下在热压罐中加热、加压固化在真空条件下在热压罐中加热、加压固化。固化压力。固化压力通常在通常在0.35-0.7M
49、Pa0.35-0.7MPa。1-橡皮囊；橡皮囊；2-成型套；成型套；3-模具；模具；4-毛坯；毛坯；5-弓形夹；弓形夹；6-热压罐；热压罐；7-底板；底板；China Aerodynamics Research Development Center51（3）缠绕成型：缠绕成型：缠绕成型是一种将浸渍了树脂的纱或缠绕成型是一种将浸渍了树脂的纱或丝束缠绕在回转芯模上、常压下在室温或较高温度下固丝束缠绕在回转芯模上、常压下在室温或较高温度下固化成型的一种复合材料制造工艺。化成型的一种复合材料制造工艺。China Aerodynamics Research Development Center52（4）
50、拉挤成型：拉挤成型：是高效率生产连是高效率生产连续、恒定截面复续、恒定截面复合型材的一种自合型材的一种自动化工艺技术。动化工艺技术。其特点是：连续其特点是：连续纤维浸渍树脂后，纤维浸渍树脂后，通过具有一定截通过具有一定截面形状的模具成面形状的模具成型并固化。型并固化。China Aerodynamics Research Development Center53（5 5）模压成型）模压成型：对模模压成型是最普通的模压对模模压成型是最普通的模压成型技术。它一般分为三类：坯料模压、片状成型技术。它一般分为三类：坯料模压、片状模塑料模压和块状塑料模压。模塑料模压和块状塑料模压。China Aerod
