泡沫芯材、其制备方法及风电叶片

技术领域

本发明涉及风电叶片制造技术领域，尤其涉及泡沫芯材、其制备方法及风电叶片。

背景技术

泡沫芯材是风电叶片的关键材料之一，一般采用三明治夹芯结构的形式用于风电叶片的壳体和腹板，用以增加风电叶片的结构刚度，防止局部失稳，从而提高风电叶片整体的抗载荷能力。提高三明治夹芯结构的剪切及抗压强度，对大型叶片的结构安全和降低重量都将起到关键作用。

目前，风电叶片的壳体和腹板采用的三明治夹芯结构，其芯材部分都进行了开槽打孔的加工方式，以提高灌注工艺性以及三明治夹芯结构的强度。叶片结构设计需在保证叶片结构安全可靠的前提下，寻求经济性最优的叶片材料铺层参数。面对叶片大型化设计，基本是依据设计经验和材料性能给定材料铺层或等比例放大已有的材料铺层。如材料性能无法进一步提高，仅依据现有的泡沫芯材强度难以支撑叶片大型化、轻量化的设计需求。另外，为降低叶片的重量，目前叶片设计厂商已将材料许用值不断提高，甚至达到材料性能的极限，在材料性能本身并未提升的前提下，这无疑将减小叶片安全裕度，增加叶片结构失效的风险。

泡沫芯材作为三明治夹芯结构的关键材料，在近年来，泡沫芯材本体力学性能已提高至瓶颈，短时间内难以进一步突破。因此，亟需一种力学性能更好的泡沫芯材、其制备方法及风电叶片，以解决上述问题。

发明内容

基于以上所述，本发明的目的在于提供一种泡沫芯材、其制备方法及风电叶片，能够提高泡沫芯材夹芯结构的剪切强度和抗压强度，从而提高风电叶片结构设计的安全性，同时为叶片大型化、轻量化设计提供有力支持。

为达上述目的，本发明采用以下技术方案：

一方面，提供一种泡沫芯材，包括芯材本体和增强纤维，所述芯材本体沿自身厚度方向包括相对应的第一表面和第二表面，所述增强纤维穿插于所述芯材本体的内部，且所述增强纤维的两端分别延伸出所述芯材本体的第一表面和第二表面。

在一些可能的实施方式中，所述增强纤维为单根纤维、多根纤维或纤维束。

在一些可能的实施方式中，所述增强纤维包括玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、天然纤维、超高分子量聚乙烯纤维、聚酰胺纤维和玄武岩纤维中的至少一种。

在一些可能的实施方式中，所述芯材本体由聚氯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚氨酯、聚甲基丙烯酰亚胺、聚氨基甲酸酯、苯乙烯-丙烯腈共聚物、酚醛、聚酰胺、聚醚酰亚胺、聚酰胺酰亚胺、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯、聚丙烯酸酯、聚乳酸中的任意一种或至少两种的混合物或基于以上至少一种材料的改性聚合物制成。

另一方面，提供一种泡沫芯材的制备方法，包括以下步骤：

S1、将泡沫芯材原板加工成设定厚度及尺寸的芯材本体，所述芯材本体沿自身厚度方向包括相对应的第一表面和第二表面；

S2、按设定角度和数量将增强纤维穿插于所述芯材本体中，使增强纤维的两端分别延伸出所述芯材本体的第一表面和第二表面；

S3、将增强纤维延伸出所述芯材本体的部分，按设计要求调整角度，并将延伸部分固定于所述芯材本体的第一表面和第二表面。

在一些可能的实施方式中，步骤S1中，所述泡沫芯材原板的加工包括平面刨削和/或斜面刨削和/或表面开槽和/或表面打孔。

在一些可能的实施方式中，步骤S2中，所述增强纤维直接贯穿所述第一表面和所述第二表面而穿插于所述芯材本体中，或者先在所述芯材本体上加工通孔，然后使所述增强纤维穿过所述通孔而穿插于所述芯材本体中。

再一方面，提供一种风电叶片，包括腹板和壳体，所述腹板和所述壳体均包括上蒙皮、夹芯结构和下蒙皮，所述夹芯结构的芯材包括至少一块以上任一方案所述的泡沫芯材。

本发明的有益效果为：

本发明提供的纤维增强泡沫芯材，通过在芯材本体中引入增强纤维，提高了现有风电叶片三明治夹芯结构的剪切强度和抗压强度；通过使增强纤维的两端延伸出芯材本体的第一表面和第二表面，提高了泡沫芯材与其他结构的连接牢固性；本发明提高了风电叶片结构设计的安全性，同时为叶片大型化、轻量化设计提供了有力支持。

附图说明

图1是本发明实施例提供的泡沫芯材的截面示意图；

图2是本发明实施例提供的风电叶片的截面示意图；

图3是本发明实施例提供的壳体(或腹板)的截面示意图。

图中：

100-风电叶片；110-壳体；120-腹板；

10-上蒙皮；20-下蒙皮；30-夹芯结构；

1-泡沫芯材；11-芯材本体；111-第一表面；112-第二表面；12-增强纤维。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“左”“右”、等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。

实施例一

如图1所示，本实施例提供一种泡沫芯材1，可用于风电叶片或其他领域。该泡沫芯材1包括芯材本体11以及分布于芯材本体11内部和表面的增强纤维12。具体地，芯材本体11呈板状，包括沿自身厚度方向相对应的第一表面111和第二表面112，增强纤维12的中段部分穿插于芯材本体11的内部，增强纤维12的两端分别延伸出芯材本体11的第一表面111和第二表面112。

本发明提供的纤维增强泡沫芯材1，通过在芯材本体11中引入增强纤维12，提高了现有风电叶片三明治夹芯结构的剪切强度和抗压强度；通过使增强纤维12的两端延伸出芯材本体11的第一表面111和第二表面112，方便在后续灌注树脂工艺中，泡沫芯材1的两个表面与树脂材料更好地粘结，提高了泡沫芯材1与相邻其他结构的连接牢固性；本发明提高了风电叶片结构设计的安全性，同时为叶片大型化、轻量化设计提供了有力支持。

本实施例中，设置在芯材本体11中的增强纤维12可以为单根纤维、多根纤维或纤维束。增强纤维12在芯材本体11上的分布方式和分布密度可根据实际需要进行设计，例如多根纤维可均匀间隔分布于芯材本体11或按照一定阵列分布于芯材本体11，从而满足特定泡沫芯材1的强度需求。

作为优选，本实施例中，增强纤维12的数量为至少两根，位于芯材本体11内部的(即未伸出的部分)各增强纤维12的方向可相互平行或相互之间成0

作为优选，本实施例中，增强纤维12延伸出芯材本体11的第一表面111和第二表面112的长度占增强纤维12总长度的1％-80％，增强纤维12穿插于芯材本体11内部的长度占增强纤维12总长度的20％-99％。如此设置，能够在改善泡沫芯材1强度的基础上，使得后续注塑树脂工艺中，泡沫芯材1与相邻其他结构的连接更牢固，提高风电叶片三明治夹芯结构的剪切强度和抗压强度。

进一步地，本实施例的增强纤维12可以为玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、天然纤维、超高分子量聚乙烯纤维、聚酰胺纤维、玄武岩纤维中的一种或至少两种的组合，也可以选用其他类型的纤维，具体可根据风电叶片的整体强度、重量、成本等需求，进行合理的选取。

本实施例中，芯材本体11的材质可以为聚氯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚氨酯、聚甲基丙烯酰亚胺、聚氨基甲酸酯、苯乙烯-丙烯腈共聚物、酚醛、聚酰胺、聚醚酰亚胺、聚酰胺酰亚胺、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯、聚丙烯酸酯、聚乳酸中的任意一种或至少两种的混合物或基于以上至少一种材料的改性聚合物。当然，在其他实施例中，芯材本体11也可根据需要选用其他材料制作，并不以本实施例为限。

实施例二

本实施例提供一种泡沫芯材的制备方法，包括以下步骤：

S11、采用聚氯乙烯(PVC)或聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)等材料经过发泡工艺制造泡沫芯材原板；

上述发泡工艺具体可以为：挤出发泡、注塑发泡、模塑发泡、压延发泡、粉末发泡、喷涂发泡等。

S12、采用平面刨削和/或斜面刨削等工艺将泡沫芯材原板加工成设定厚度的芯材本体11，并按照需求将芯材本体11切割成对应的尺寸，该芯材本体11沿自身厚度方向包括相对应的第一表面111和第二表面112，在第一表面111和第二表面112开设工艺槽和/或开设工艺孔；

本实施例中，在芯材本体11的表面开槽和/或打孔，不仅仅是提供树脂流动的通道，而且成型时树脂能填充工艺槽、工艺孔，从而形成特定的树脂结构以增强夹芯结构的强度。

优选地，本实施例的芯材本体11为10mm-70mm厚的板。

S2、按设定角度和数量将增强纤维12穿插于芯材本体11中，使增强纤维12的两端分别延伸出芯材本体11的第一表面111和第二表面112，并按设计延伸长度剪断增强纤维12；

本实施例中，增强纤维12的中段部分以相对于芯材本体11的厚度方向成0°-80°角植入芯材本体11中。同时，当增强纤维12的数量为至少两根时，各增强纤维12的中段部分相互平行或相互之间成0°-60°角。本步骤中，增强纤维12的植入方式可以是：增强纤维12直接贯穿第一表面111和第二表面112而穿插于芯材本体11中，或者先在芯材本体11上加工通孔，然后使增强纤维12穿过通孔而穿插于芯材本体11中。增强纤维12的植入设备可以采用纤维植插喷头、超声震动设备等。

S3、将增强纤维12延伸出芯材本体11的部分，按设计要求调整角度，并将延伸部分采用喷胶的形式固定于芯材本体11的第一表面111和第二表面112。

本步骤中，增强纤维12延伸出芯材本体11表面的部分相较于芯材本体11的长度方向可成0°-180°角，优选成0°-60°角，或者该伸出部分也可设置成弯折状、卷曲状等，具体可根据实际应用需求进行调整。

实施例三

如图2和图3所示，本实施例提供一种风电叶片100，包括腹板120和壳体110，腹板120和壳体110均包括上蒙皮10、夹芯结构30和下蒙皮20，夹芯结构30的芯材包括至少一块实施例一中提供的泡沫芯材1。

本实施例中，上蒙皮10和下蒙皮20的材料可以为玻璃纤维织物和/或碳纤维织物增强的聚合物。

本实施例的风电叶片通过采用纤维增强的泡沫芯材，提高了叶片的剪切强度和抗压强度，提高了叶片结构设计的安全性，同时为叶片大型化、轻量化设计提供了有力支持。

实施例四

本实施例提供一种夹芯结构30的制备方法，在实施例二提供的泡沫芯材1的制备方法的基础上，还包括以下步骤：

S4、在风电叶片100的壳体模具或腹板模具上方按设定层数铺设底层双轴/三轴玻纤织物，将泡沫芯材1按设定方向、位置铺设于底层织物之上，在泡沫芯材1的上表面铺设双轴/三轴玻纤织物；

S5、铺设真空灌注导流系统；

S6、灌注环氧树脂，加热固化成型；

S7、脱模、打磨修整，最终制成包含纤维增强型泡沫芯材1的壳体110或腹板120的夹芯结构30。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。