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1、第 3 6卷 第 5期 2 0 o 8年 1 O月 福州大学学报(自然科学版)J o u r n a l o f F u z bou U n i v e r s i t y(N a t u r a l S c i e n c e V 0 l-3 6 No 5 0 c t 2 o o 8 文章编号：1 0 0 02 2 4 3(2 0 0 8)0 5 0 7 1 40 4 分级杉木风 电叶片复合材料 的制备与研究 黄晓东，江泽慧。，任海青，陈 玲(1 国际竹藤网络中心，北京1 0 0 1 0 2；2 中国林业科学研究院木材工业研究所，北京1 0 0 0 9 1)摘要：以杉木为原料，通过杉木分级、
2、优选制成杉木薄板层积材，利用 I N S T R O N 5 5 8 2万能力学试验机进行检 测试验结果表明：由一、二级分级杉木制成的风电叶片复合材料的物理力学性能均达到或超过目前国外风电 叶片在用的常规木材 环氧层积材的特性，完全能够替代目前大量使用的玻璃钢叶片材料 关键词：薄板层积材；风力发电机叶片；复合材料；杉木分级 中图分类号：$7 8 1 6 文献标识码：A St u dy o n t he p r e p a r i n g wi nd t u r b i ne bl a de s c o mpo s i t e ma t e r i a l s f r o m g r a d i
3、 n g Cun ni n gh a mi a l a nc e o l a t a HU ANG X i a od o n g ，J I ANG Z eh u i ，RE N Ha i q i n g 2，C HE N L i n g (1 R e s e a r c h I n s t i t u t e o f I n t e r n a t i o n a l C e n t e r f o r B a m b o o a n d R a t t a n(I C B R)，B e r i n g 1 0 0 1 0 2，C h i n a；2 R e s e a r c h I n s
4、 t i t u t e o f Wo o d I n d u s t ry，C h i n e s e A c a d e m y o f F o r e s t r y，B e i j i n g 1 0 0 0 9 1，C h i n a)A b s t r a c t：I n t h e p a p e r，t h e l a mi n a t e d v e n e e r l u m b e r(L V L)w e r e m a d e f r o m g r a d i n g C u n n i n g h a mi a l a n c e o l a t a T h e w
5、i n d t u r b i n e b l a d e s c o mp o s i t e ma t e ria l s we r e t e s t e d b y I N S T RON 5 5 8 2 T h e r e s u l t s s h o we d t h a t me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f wi n d t u r b i n e b l a d e s c o mp o s i t e ma t e ria l s ma d e o f fi r s t a n d s e c o n d g r a d
6、i n g C u n n i n g h a mi a l a n c e o l a t a c o u l d me t o r e x c e e d e d w o o d e p o x y l a mi n a t e d u s e d i n t h e w o r l d I t c a n s u b s t i t u t e F R P b l a d e s ma t e ri a l s i n t h e f u r t h e r Ke ywo r d s：l a mi na t e d v e n e e r l u mb e r；wi n d t u r
7、b i n e b l a d e s；c o mp o s i t e ma t e ria l；g r a di ng Cu n n i n g-ha mi a l a n c e o l a t 目前，用于风力发电的叶片一般采用玻璃纤维增强塑料(简称玻璃钢)复合材料制造 u 这种材料 虽然制造工艺成熟，但存在成本高(1 0 2 0万元 t)的问题，且玻璃钢 的废 旧产品处理困难，既难以燃烧，又不易分解，国外多采用堆积方式处理，占用了大量的土地 J 因此，必须开发出一种新的低成本、可回 收利用的环保叶片来替代 目前大量使用 的玻璃钢叶片 G o u g e o n M和 Z u t e e
8、 k M_ 5 等人发现花旗松木层 积材 环氧复合材料可很好地满足 M o d一 0 A风力发电机叶片的结构要求，但 由于原料来源受限制，无法大 批量使用 杉木作为我国南方广泛生长的主要木材品种之一，其来源广泛，木材蓄材量大，生长相对较快，同时 具有 良 好的防腐性能，其密度低，顺纹抗拉强度高 但顺纹方向的抗压强度相对较低，可以考虑通过杉 木重组的方式提高杉木的使用性能，从而替换造价较高的玻璃钢复合材料和原料稀少的花旗松、桦木 环 氧层积材料 复合材料中增强体物理力学性能的高低会直接影响复合材料的性能，产生不同宏观性能 引 要生产 具有优良物理力学性能的复合材料，就必须使加人的增强相具有最好的
9、力学性能在制备风力发电机叶 片复合材料的过程中，为了使加入的增强相(杉木)具有最好的力学性能，必需对该材料按力学性能的大 小进行分级，做到优材优用 收稿 日期：2 0 0 71 22 8 作者简介：黄晓东(1 9 6 6一)，男，博士研究生，讲师；通讯联系人：江泽慧，教授，国际竹藤网络中心董事会主席，中 国林业科学研究院首席科学家 基金项 目：福建省自然科学基金资助项 目(2 0 0 7 J 0 1 9 5)第 5期 黄晓东，等：分级杉木风电叶片复合材料的制备与研究。7 1 5 1 材料与方法 1 1 实验材料 本批次杉木原木采 自湖南省绥宁县寨市林场，树龄在 4 O年以上，直径在 3 0 c
10、 m以上，树干通直，外观 无缺陷(腐朽、弯曲等)的新伐材；通过“米”字型下料，剔除芯材；锯解标准杉木边材径切板毛坯，在干燥 窑里烘干至含水率低于1 2，剔除各种木材缺陷，精加工制成5 0 0 m m 2 0 m m 2 0 m m(长 宽 厚)标准 杉木边材径切规格板，备用 1 2实验方法 参照 I S O 3 3 4 91 9 7 5木材 一静力弯曲弹性模量国际标准的要求测定规格板的弯曲弹性模量，并 按测 得的弯曲弹性模量值大小将检测的规格板分成三级：E w 1 2 G P a，一级；1 2 G P a至 E 三 1 0 G MP a，二级；E 1 0 G MP a，三级 将双组分合成乳胶(
11、L K D N 6 0)按配比(重量)合 成 r乳 胶：化 剂=1 0 0：1 5配好调匀，再分别对分级后 的三种杉木边材径切规格板进行涂胶组坯，涂胶量为 1 7 0 g m (单面)，陈化时间为 1 0 m i n，组坯方式如图1 所示采用三层 以上 的组坯结构时要避免 由于拼接缝 的重叠而造成脱胶现象，应相互错开胶接缝胶合 将按不同等级杉木规格板组坯好 的木方送人冷压 机冷压成型，压力为 1 0 MP a，时间为 9 0 mi n 将成型 后的木方径 向刨切成 1 m m厚的杉木单板，备用 调制浸渍环氧混合树脂，配比为：6 1 8 环氧树脂 5 0 ，S K 3环氧树脂 3 0 ，2 1
12、2 4酚醛树脂 2 0 将加 工好的分级杉木单板 浸入，时间为 1 5 m i n，树脂 的浸 l 图 1 杉木边材径切板组坯方式 T h e a s s e mb l y p a t t e rn o f g r a d i n g C u n n i n g h a mi a l an c e o l a t a ma t e r i a l 渍量约为3 0 左右陈化 1 h 左右，把杉木单板放人烘箱低温干燥后取出，备用 将浸渍好环氧混合树脂的分级杉木单板分别组坯，组坯厚度为4 0 m m，组坯的压缩率为 5 5 ，热压机 进行热压前，热压机垫板 的上、下两层还必须涂 1 0 0 0厘泊硅
13、油脱模，以防止热压过程 中可能产生的粘板 对热平板造成损坏热压温度为 I 2 0 o C，压力为 1 5 M P a，热压时间为 1 0 0 ra i n 1 3 测试方法及仪器 将加工好的由分级杉木制成的杉木薄板层积材(长 宽 厚=5 0 0 mm 2 0 0 m m 2 2 m m)取出，放置 2 4 h后，分别按 G B 1 9 3 59 1(木材顺纹抗压强度试验方法)和 D 3 5 0 09 0(R e a p p r o v e d 2 0 0 3)(S t a n d a r d T e s t Me t h o d s f o r S t r u c t u r a l P a
14、n e l s i n T e n s i o n，A S T M(美国试验材料学会)D e s i g n a t i o n)的要求加工试件，各 种试件的检测在 I N S T R O N 5 5 8 2万能力学试验机上进行 2 结 果与讨 论 2 1 分级杉木叶片复合材料与常规叶片材料结构特性的比较 由分级杉木制成的风力发 电叶片复合材料与常规风力发电叶片材料的结构特性比较见表 1 从表 1可 知，由一级分级杉木制成的风力发 电叶片复合材料在最大拉伸强度方面虽然低于玻璃 聚酯、玻璃 环氧、碳纤维 环氧、高屈服钢和可焊铝合金材料制成的风力发电叶片材料，但仍高于卡欧属 环氧层板和桦木 环氧层
15、板的最大拉伸强度，二、三级分级杉木制成的风力发电叶片复合材料在最大拉伸强度方面低于桦 木 环氧层板，但仍高于卡欧属 环氧层板的最大拉伸强度，在最大压缩强度性能方面也有类似的情况；由 一、二、三级分级杉木制成的风力发电叶片复合材料在密度方面变化不大，略高于卡欧属 环氧层板和桦 木 环氧层板，大大低于玻璃 聚酯、玻璃 环氧、碳纤维 环氧、高屈服钢和可焊铝合金材料制成 的风力发 电叶片材料的密度；在材料 的杨 氏模量性能方面，一级分级杉木制成 的风力发电叶片复合材料的杨氏模 量值高于卡欧属 环氧层板和桦木 环氧层板，二级分级杉木制成 的风力发 电叶片复合材料的杨 氏模量值 7 l 6 福州大学学报(
16、自 然科学版)第 3 6 卷 低于桦木 环氧层板，与卡欧属 环氧层板的杨 氏模量值持平；在材料的比刚度质量性能方面，一级分级杉 木制成的风力发电叶片复合材料的比刚度质量性能除较低于该项性能较高的碳纤维 环氧(以6 0 纤维体 积含量及单向铺设)所制成的复合材料性能外，略低于高屈服钢和可焊铝合金材料制成的风力发电叶片材 料，略高于玻璃 聚酯(以5 0 纤维体积含量的U D铺设)、玻璃 环氧(以 5 0 纤维体积含量及 U D铺设)和桦木 环氧层板所制成的风力发电叶片复合材料性能，而由二、三级分级杉木制成的风力发电叶片复合 材料在比刚度质量性能方面都低于桦木 环氧层板和卡欧属 环氧层板；在材料的壁
17、板稳定性参数性能方 面，由一、二、三级分级杉木制成的风力发电叶片复合材料均较高，除略低于卡欧属 环氧层板外，与桦 木 环氧层板相当，而高于其它材料，具有一定 的优势 表 1 分级杉木 复合材料与常规叶片材料的结构特性比较 Ta b 1 Co mp a r i s o n o fme c h a n i c al p r o p e r ti e s b e t we e n g r a d i n g C u n n i n g h a mi a l a n c e o l a t a c o m po s i t e m a t e r i a l a nd t he c o nv e nt
18、 i on a l bl a de s c o m p o s i t e mat e r i al 注：u D表示单一方向；复合材料的最大拉伸强度与最大压缩强度值取各试件的平均值，金属材料最大拉伸强度 与最大压缩强度值取各试件的最小值 2 2 分级杉木复合材料与常规无接头木材 环氧层积材的特性比较 表 2给出了风电叶片复合材料中已利用的木材层压板与分级杉木层压板特性 的比较卡欧属 和花旗 松过去分别是英国和美国用于叶片制造的主要种类，但在环境压力下逐渐被淘汰，现在更多地利用的是 欧洲的树种，如白杨和 白桦 由表 2可知，由一、二级分级杉木制成的风电叶片复合材料，除了在密度方面略高于其它材料制
19、成的 木材 环氧层积材，其它参数，如沿木纹方向的平均拉伸强度、平均压缩强度、杨氏模量和剪切强度均达 到或超过目前国外风电叶片在用的常规无接头木材 环氧层积材的特性，完全能够替代目前大量使用的玻 璃钢叶片材料 第 5期 黄晓东，等：分级杉木风电叶片复合材料的制备与研究 7 1 7 表 2 分级杉木复合材料与常规无接头木材 环氧层积材的特性 比较 Ta b 2 Co mp a r i s o n o f me c h a n i c a l p r o p e r t i e s b e t we e n g r a d i n g C u n n i n g h a mi a l a n c e
20、 o l a t a c o mp o s i t e ma t e r i a l a n d t h e c o n v e n t i o n a l n o-j o i n t wo o d e p o x y l a mi n a t e d 3 结语 1)杉木来源广泛、木材蓄材量大、生长相对较快，同时又具有密度低、强度和模量高的特点，比较适 合作为复合材料的增强相 2)由一、二级分级杉木制成的风电叶片复合材料，除了在密度方面略高于其它材料制成的木材 环氧 层积材(与 G F R R和 C F R P密度相比仍然很低)，其它参数，如沿木纹方向的平均拉伸强度、平均压缩强 度、杨氏模量和
21、剪切强度均达到或超过 目前国外风电叶片在用的常规无接头木材 环氧层积材的特性 3)由杉木层积材研制的风力发电叶片生物质复合材料具有机械性能好、加工性能好和产品重量轻价 格低等优点，具有广阔的应用前景 致谢：苏团、张春祥同学参加了本课题研究的部分工作，特此表示感谢 参考文献：1 黄晓东，江泽慧，孙正军风机叶片的发展概况和趋势 J 太阳能，2 0 0 7(4)：3 7 3 9 2 杰克 派克风能及其利用【M 李海东译北京：能源出版社，1 9 8 4 3 G e o r g e M T h e l a r g e d e v e l o p m e n t s a n d t r e n d s o
22、 f w i n d t u r b i n e b l a d e s J R e i n f o r c e d P l a s t i c s，2 0 0 3，4 7(3)：1 0 4 李亚西，武 鑫，赵 斌，等世界风力风电现状及发展趋势 J 太阳能，2 o o 4(1)：6 7 5 G o u g e o n M，Z u t e c k M T h e u s e of w o o d f o r w i n d t u r b i n e b l a d e c o n s t r u c t i o n L a r g e w i n d t u r b i n e d e s i
23、 g n c h a r a c t e r i s t i c s a n d R&D r e q u i r e me n t s R Wa s h i n g t o n：N AS A C P一 2 1 0 6，C O N F一7 9 0 4 1 1 1，1 9 7 9 6 L i e b l e i n S，G o u g e o n M，T h o ma s G，e t a D e s i g n a n d e v a l u a t i o n o f l o wc o s t l a m i n a t e d w o o d c o m p o s i t e b l a d
24、 e s for i n t e r m e d i a t e s i z e n d t u r b i n e s：b l a d e d e s i g n，f a b ri c a t i o n c o n c e p t，and c o s t a n a l y s i s R Wash i n g t o n：N A S A C R一1 6 5 4 6 3，1 9 8 2 7 彭镇华 中国杉树 M 北京：中国林业出版社，1 9 9 9 8 G e o r g e M C o m p o s i t e m a t e r i a h h e-t h e fi r s t r e a l i z a t i o n ofw i n d e n e r g y J R e i n f o r c e d P l as t i c s，2 0 0 3，4 7(5)：2 9 9 王耀先 复合材料结构设计 M3 北京：化学工业出版社，2 0 0 1 1 0 T o n y B u r t o n 风能技术 M 武鑫译北京：科学出版社，1 9 9 7 (责任编辑：杨 青)