风力机叶片的结构设计、制造与验证技术概述.ppt

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1、China Aerodynamics Research Development Center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1China Aerodynamics Research Development Center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2China Aerodynamics Research Development Center一、前一、

2、前 言言 “一一流流企企业业出出标标准准，二二流流企企业业搞搞设设计计，三三流流企企业业搞搞生生产产”这这个个观观点点已已是是众众所所周周知知，然然而而我我们们知知道道我我们们的的风风电电标标准准是是以以借借鉴鉴国国外外标标准准为为主主，缺缺少少研研究究支支撑撑，未未形形成成真真正正自自主主的的标标准准；5050多多家家叶叶片片企企业业技技术术基基本本都都是是引引进进的的，现现在在在在探探索索性性做做些些自自主主设设计计的的，所所采采用用的的软软件件也也主主要要是是国国外外的的；我我国国的的风风电电叶叶片片制制造造企企业业基基本本是是“加工厂加工厂”级的。级的。3China Aerodynam

3、ics Research Development Center所所以以，尽尽管管我我国国的的风风电电装装机机容容量量增增速速很很快快，风风电电设设备备产产能能很很高高，但但我我们们万万万万不不能能盲盲目目乐乐观观，我我们们要要做做强强、做做大大、做做长长我我们们的的风风电电产产业业，真真正正使使绿绿色色的的风风能能很很好好地地造造福福人人民民、改改善善我我国国的的能能源源结结构构、解解决决环环境境污污染染问问题题等等我我们们风风电电届届的的同同仁仁们们需需倍倍加加努努力力，认认真真研研究究自自主主设设计计技技术术开开发发的的规规律律，处处理理好好基基础础研研究究、应应用用研研究究、技技术术开开

4、发发、生生产产应应用用等等各各环环节节的的关关系系，力力争争在在较较短短的的时时间间内内建建立立起起我我国国风风电电产产业业发发展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4China Aerodynamics Research Development Center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造。那么叶片结构的自主设计、制造与验证需要哪些技术呢？

5、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5China Aerodynamics Research Developmen

6、t Center2.1 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6China Aerodynamics Research Development Center2.12.1、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、工一般我们可以把叶片设计分为气动设计、结构设计、工艺设计和防雷电设计等。艺设计和防雷电设计等。从叶片制造

7、商的角度看，叶片气动设计的最终结果就是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剖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，叶片制造商面的翼形数据、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。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出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、扭转足以准确描述叶片外形的足够的叶剖面的翼形数据、扭转角、扭心坐标之外，还应给出气动载荷数据。角

8、、扭心坐标之外，还应给出气动载荷数据。7China Aerodynamics Research Development Center2.12.1、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出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，扭矩系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，风能利用系数与尖速数，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线，比的关系曲线，不同风速风轮扭矩与风轮转速的关系曲线，输

9、出功率与风速的关系曲线，年输出能量与年平均风速的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。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内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。容是有差异的。8China Aerodynamics Research Development Center2.12.1、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图、桨根叶片结构设计的结果基本可通过叶片剖面结构图、桨

10、根连接方案图、各部分的布层铺设方案等表述清楚。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制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。造叶片了。当然隐含在以上数据中的设计结果还包括：叶片动力学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、刚度特性，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。特性等，这是总体设计人员关心的数据。9China Aerodynamics Research Development Center2.2 2.2 确定叶片结构方案

11、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”。10China Aerodynamics Research Development Center2.3 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 11China Aerodynamics Research Development Center2.4 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（无梁结构、C C形梁形梁-蒙皮蒙皮结构、结构、D D形梁形梁-

12、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-蒙皮蒙皮结构结构）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、运荷载计算（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）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、可靠性的要求基于静动强度、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，列出各部分的布层铺绘制结构剖面图、桨根连接方案图，列出各部分的布

13、层铺设表设表 12China Aerodynamics Research Development Center3.1 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、风力机叶片结构材料三、风力机叶片结构材料13China Aerodyn

14、amics Research Development Center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、GFRP/CFRPGFRP/CFRP、木增强复合材料、智能

15、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14China Aerodynamics Research Development Center木制叶片及布蒙皮叶片木制叶片及布蒙皮叶片近近代代的的微微、小小型型风风力力发发电电机机有有采采用用木木制制叶叶片片的的，但但木木制制叶叶片片不不易易做做成成扭扭曲曲型型。大大、中中型型风风力力发发电电机机很很少少用用木木制制叶叶片片，采采用用木木制制叶叶片片的的也也是是用用强强度度很很好好的的整整体体木木方方做做叶叶片片纵纵梁梁来来承担叶片在工作时所必须承担的主要载荷。承担叶片在工作时所必须承担的主要载荷。与与硬硬铝铝等等金金属属材材料

16、料相相比比,桦桦木木、山山毛毛榉榉等等木木材材不不仅仅具具有有重重量量轻轻、强强度度高高等等特特点点,还还可可以以有有效效地地降降低低雷雷达达波波的的反反射射,因因此此,小小型型无无人人机机螺螺旋旋桨桨也也多多采采用用木木质质材材料料。对对木木质质材材料料的的基基本本要要求求是是:木木质质均均匀匀、强强度度好好和和变变形形小小。松松木木、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15China Aerodynamics Research Development Center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

17、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，因此常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，合金钢也因此一度型型钢做叶片纵梁，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。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，加工成扭曲形状然而，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

18、代。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曲叶片，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现，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，因此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前提的。这也限定了其只能在小风力机其是以牺牲空气动力效率为前提的。这也限定了其

19、只能在小风力机上有一定应用。上有一定应用。3.1 历史沿革与未来趋势16China Aerodynamics Research Development CenterGFRPGFRP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即即carbon fiber reinforced plastic,carbon f

20、iber 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17China Aerodynamics Research Development Center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（NCTsNCTs)改性的复合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

21、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18China Aerodynamics Research Development Center3.2 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1 1、复合

22、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

23、，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。19China Aerodynamics Research Development Center2 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20China Aerodynamics Research Development Cente

24、r 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

25、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21China Aerodynamics Research Development Center 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

26、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一22China Aerodynamics Research Development Center具备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

27、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。

28、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。23China Aerodynamics Research Development Center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

29、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。24China Aerodynamics Research Development Center3、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25China Aerodynamics

30、 Research Development Center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）26China Aerodynamics Research Development Center27China Aerodynamics Research Development Center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

31、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300km28China Aerodynamics Research Development Center疲劳性能好疲劳性能好复合材料的抗疲劳性能良好。一般金属的疲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劳强度为抗拉强度的4050%，而某些复合材料，而某些复合材料可高达可高达7080%。复合材料的疲劳断裂是从基体。复合材料的疲劳断裂是从基体开始，逐渐扩展到纤维和基体的界面上，没有突开始，逐渐扩展到纤维和基体的界面上，没有突发性的变化。因

32、此，复合材料在破坏前有预兆，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。29China Aerodynamics Research Development Center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

33、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。30China Aerodynamics Research Development Center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

34、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。31China Aerodynamics Research Development Center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。32China Aerodynamics Research Development Center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

35、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33China Aerodynamics Research Development Center4、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

36、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。34China Aerodynamics Research Development Center按按使使用用性性能能分分：结结构构复复合合材材料料、功功能能复复合合材材料料、结构结构 /功能一体化复合材料功能一体化复合材料按按基基体体分分：树树脂脂基基复复合合材材料料、金金属属基基复复合合材材料料、无机非金属基复合材料无机非金属基复合材料按按增增强强相相形形态态分分：连连续续纤纤维维增增强强复复合合材材料料，纤纤维维织织物物、编编织织体体增增强强复复合合材材料料，片片状状材材料料增增强强复复合合材材料料，短短纤纤

37、维维或或晶晶须须增增强强复复合合材材料料，颗颗粒粒增增强强复复合合材材料料按按增增强强纤纤维维类类型型分分：碳碳纤纤维维复复合合材材料料，玻玻璃璃纤纤维维复合材料，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35China Aerodynamics Research Development Center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,W

38、C,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36China Aerodynamics Research Development Center37China Aerodynamics Research Development Center碳纤维按碳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

39、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。38China Aerodynamics Research Development Center国外民机结构用碳纤维特点分析国外民机结构用碳纤维特点分析纤维类型型标准型准型CF中模高中模高强型型CFS型型CFT300T800HT800SIM600T700S3/6/

40、12K6/12K24K12/24K12K抗拉模量抗拉模量/GPa230294294285230抗拉抗拉强度度/MPa35305490588057904900断裂伸断裂伸长1.51.92.02.02.1线密度密度g/1000M198/396/800223/2451032800密度密度g/cm31.761.811.801.801.80直径直径m7755739China Aerodynamics Research Development Center40China Aerodynamics Research Development Center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规格格

41、强强度度GPa模量模量GPa伸伸长长率率%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/KG41China Aerodynamics Research Development Center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42China Aerodynam

42、ics Research Development Center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、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（BMIB

43、MI）树脂等等树脂等等聚合物基体43China Aerodynamics Research Development Center 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（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。44China Aerodynamics Research Development C

44、enter3.4、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45China Aerodynamics Research Development Center1 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

45、）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；46China Aerodynamics Research Development Center（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；（21）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。47China Aerody

46、namics Research Development Center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

47、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。48China Aerodynamics Research Development Center（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。将的工艺之一。将铺层铺放在模具中，依次铺上脱膜布、吸胶层、隔离膜袋铺层铺放在模具中，依次铺上脱膜布、吸胶层、隔离膜袋膜等，在膜等，在热压下固化热压下固化。经过所需的固化周期后，材料形成。经过所

48、需的固化周期后，材料形成具有一定结构形状的构件具有一定结构形状的构件。49China Aerodynamics Research Development Centerb.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0.35-0.7MPa0.35-0.7MPa。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；50China

49、Aerodynamics Research Development Center（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。51China Aerodynamics Research Development Center（4）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

50、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。52China Aerodynamics Research Development Center（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。53China Aerodynamics Research Development Center （6 6）挤出成型）挤出成型 是热塑性塑料主要加工方法之一。干燥的是热塑性塑料主要加工方法之一。