碳纤维及复合材料在风电叶片中的应用进展

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碳纤维复合材料在风电叶片中的应用

碳纤维复合材料在风电叶片中的应用

衡 , 高 了风 能利用 效率 。 提 同时 , 纤 碳 维 的轻质高强特性 可使 叶片能够设计 成 更薄 更有 效 的结构 形式 , 叶片更 细
长 , 高 了能量 的输 出效率 。 外 , 提 此 在 大型柔性风 电叶片结构 中如主梁 帽和
3 提高叶 片对恶劣环境的适应性 .
风 机 长期 在 恶 劣 的 自然 条 件 下 工作, 湿度 、 劳 、 风雨 和雷 击等 因 疲 暴 素都可 能使 风 电叶 片易于 受到 损坏 。 CFRP 不仅具有 高的抗压缩 强度 和优
- 垒球 最电年 度絮计装 枫窑惫
向发展 。 图 2 以看 出 , 世 纪 8年 从 可 2 0 0 代 末期 到 9 年代 初期 , 流 的风 电机 0 主
组单机容量 为 5 0 , 0 kw 发展到今 天 , 已 经 出现 了单 机容 量 为 7 MW 的风力 发 电机组 , 美国爱那康公司 ( n r o ) E e c n 的
随着 叶 片长度 的 增加 , 材料 的 对 强度 和刚度等性 能提 出了更 加苛 刻的 要求, 尤其 是近 几 年发展 迅速 的海 上 风 电开发需要 更轻质 、 抗拉力更强 、 更
耐腐 蚀的 新材料 。 玻璃 纤维 复合 材料 ( F ) 代风 电叶片采用最普遍 G RP 是现 的复 合材料 , 占据着 大 型风 机 叶片材
1提高 叶片刚度 ,减轻叶片质量 .
CF RP的 比强度 ( 强度/ 度 ) 密 约 是GFRP 2 , 的 倍 比模 量 ( 模量/ 度 ) 密 约是GF 的 3 。 RP 倍 对于用 于相 同功率 机组 的风 电叶片 , 碳纤 维 的使用 可使 叶 片 的重 量 大 幅 下 降 ( 3 。 中材 图 )如

碳纤维的十六个主要应用领域及近期技术进展(一)

碳纤维的十六个主要应用领域及近期技术进展(一)
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综 述
产业用纺织品
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川 川 l J 造I 仆 流 、 复 支 架 、 仪 器 舱 诱 舱 发利简 等 i / 7 R J 构 部件 ( 1 ) ; J J j 、 J } j 力 ’ …, ( I { l ’ r , f 确f 结 构 变 形 / 卜、 承 载 J 人 { 4 = f I j j l l J 、 埘 琶f k ̄ l l 。 l J 环 境 埘受性 良好 主要 J I J j : 川造 l
第3 5卷 2 0 1 7年 第 1 期
产业用纺织品
综 述
碳 纤 维 的十 六 个主 要应 用领 域 及 近 期技 术 进展 ( 一)

周 宏
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军委 后 勤保 障部 军需 装备研 究所 , 北 京 1 0 0 0 8 2 ¨ p

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要: 对碳 纤 维 在 导弹 、 空 间 平 台和 运 载 火箭 , 航 空器, 舰船 , 轨 道 交通 车辆 , 电动汽车 , 卡 车, 风电叶 片, 燃 料
关键词 : 碳纤维 , 碳 纤 维 增 强 树 脂 ,应 用

中 图分 类 号 : 。 i 。 ( . 1 3 2 7 . 3 , T S 1 0 2 . 4
文 献标 志 码 : A
文章编号 : 1 0 0 4 7 0 9 3 - ( 2 0 1 7 } o l 一 ( ) ( ) ( ) l I O 6

风力发电叶片材料及工艺研究

风力发电叶片材料及工艺研究

风力发电叶片材料及工艺研究风力发电是当前世界上新能源领域发展最为迅速的技术之一。

而风电机组的核心部件之一便是叶片。

随着近年来风力发电技术的快速发展,人们对叶片材料和工艺的研究也越来越深入,以期提高叶片的效率和使用寿命。

本文将就风力发电叶片的材料以及工艺研究作一全面的探讨。

一、叶片材料1. 玻璃纤维增强塑料(Glass Fiber Reinforced Plastics,简称GFRP)GFRP是目前主流的叶片材料。

它广泛应用于各个领域,包括建筑、运动器材、航空航天和汽车制造等。

GFRP的优点包括强度高、重量轻、刚度大、不易疲劳、绝缘性好等。

由于风力发电叶片需要忍受长期的机械弯曲和拉应力,因此选择GFRP作为叶片材料非常合适。

2. 碳纤维增强塑料(Carbon Fiber Reinforced Plastics,简称CFRP)CFRP的强度、刚度和冲击性能均更好于GFRP。

然而,由于其成本较高,CFRP在风电行业的应用较少。

随着技术的不断进步,人们正在研究如何将CFRP应用于风电叶片,以期提高风力发电的效率和降低成本。

3. 木材在某些情况下,木材也可以作为叶片材料。

它的成本相对较低,而且可以被视为一种可再生的资源。

然而,木材的抗弯强度和疲劳性能都较差,需要做出一些复杂的设计和加固工作。

4. 其他材料还有一些材料正在被研究用于风力发电叶片的制造中。

例如,纳米增强复合材料、生物基复合材料等。

这些“绿色材料”由于其资源环保、能耗低等特点受到高度关注。

二、叶片制造工艺1. RTMRTM(Resin Transfer Molding,树脂注塑)是现在最主流的叶片制造工艺之一。

在RTM工艺中,树脂通过注塑进入预先设计好的模具中,充填到各个纤维层之间。

当树脂固化之后,叶片结构就得以形成。

RTM工艺的优点之一是制造过程中可以控制材料的粘度,以确保树脂在模具中充分填充各个空间。

2. VARTMVARTM(Vacuum Assisted Resin Transfer Molding,真空辅助树脂注塑)是一种与RTM类似的注塑工艺。

碳纤维及复合材料在风电叶片中的应用进展

碳纤维及复合材料在风电叶片中的应用进展

碳纤维及复合材料在风电叶片中的应用进展随着风电行业的快速发展,对于风电叶片的要求也越来越高。

传统的风电叶片主要使用玻璃纤维增强塑料(Glass Fiber Reinforced Plastics, GFRP),但其在抗风荷载、承载能力、疲劳性能等方面存在一定的不足。

为了提高叶片的性能,碳纤维及复合材料得到了广泛研究和应用。

1.碳纤维增强塑料(Carbon Fiber Reinforced Plastics, CFRP):以碳纤维为增强体的塑料基质材料,能够显著提高叶片的强度和刚度。

与传统的GFRP相比,CFRP具有更高的拉伸强度和模量,能够有效地减缓叶片在风荷载下的振动,并提高承载能力。

2.碳纤维树脂复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer, CFRP):由碳纤维和树脂组成的复合材料,具有优异的力学性能和耐久性。

CFRP在风电叶片中的应用可以大幅度减轻叶片的重量,提高叶片的结构强度和疲劳寿命。

3.纳米碳管/纤维复合材料:纳米碳管和纤维相结合的复合材料,具有高强度、高导热性和良好的阻尼效果。

纳米碳管/纤维复合材料在风电叶片中的应用可以提高叶片的力学性能和耐久性,特别是在复杂的风荷载环境下表现出优异的阻尼效果。

4.天然纤维增强复合材料:将天然纤维(如竹纤维、麻纤维等)与树脂相结合形成的复合材料,具有较低的成本和环境友好性。

天然纤维增强复合材料在风电叶片中的应用可以减少对有限资源的依赖,并降低生产过程的能耗和排放。

5.混合增强复合材料:将碳纤维、玻璃纤维和天然纤维等不同种类的纤维相结合,形成混合增强复合材料。

混合增强复合材料在风电叶片中的应用可以充分利用不同纤维的优势,提高叶片的综合性能。

总的来说,碳纤维及复合材料在风电叶片中的应用进展迅速,为提高叶片的性能和可靠性提供了新的解决方案。

随着技术的不断创新和进步,碳纤维及复合材料在风电叶片中的应用将会得到进一步推广和应用。

碳纤维材料在风电领域中的应用

碳纤维材料在风电领域中的应用
4 2 .0 9 15 4 6 .6 068
省( 、 ) 区 市 江苏 福建
生产 叶片 , 要 的 1 大供 应 商见 表 2 主 0
力 技术 集 团 ( 以下 简称 “ 斯塔 斯 ” 、 维 ) 通用 电气公司等 国外风 电供应商 的市 场份 额则急剧 下降。
计安 装 风 电机组 3 8台 、 机 容量 445 装
4 3 .9 W , 比增 长 7 .%。00 4 73 2M 同 3 3 2 1
碳纤维材料在风电领域中的应用
一 文/ 李 峰
河 南永 煤碳 纤维有限公 司
风 能作为最 清洁 、 安全 的能源 , 最
望2 1) 00) 显示 , 0 0 报告 到22  ̄风能可满足 全球 1%的 电力 需求,00 2 2 3 ̄可达 20, 20 /
2 国内发展现状 .
目前 , 国 平 均 风 功 率 密 度 为 我 10 / 陆 地 风 能资 源 总储 量 约 ow m ,
时闻/ 年
图 1 20 - 00 0 0 2 1 年全球风电累计和新增 装机容量
新鲫捌产业 N .1 0 1删 O 1 1 2
量 1 2 .9 89 7 9MW , 同比增长 3 .%; 7 1 累
二、风 电企业生产现状
1 国外风 电企业 .
全球 大型风 电供应 商均 自主研 发
预 计到 2 1年 末 , 国风 电累计 装机 05 我
容量 将达到 10~1 0 0 5 GW 。
装机容量见表 3 所示 。





时蝴/ 年
图2 0 0 2 1 年我国风 电累计和 新增装机容量 2 0 — 0 0 表1 2 0 - 0 0 9 2 1 年我国部 分省市风 电累计装机容 量 0

大型碳纤维复合材料风机叶片成型工艺与发展

大型碳纤维复合材料风机叶片成型工艺与发展
, ,
不 ,




表 1 各 种 增 强 材 料 主 要 性 能
3期
马祥林 , : 等 大型碳纤维复合材料风机叶片成 型工艺 与发展
碳纤 维 的刚度 是 玻 璃 纤 维 的 3倍 , 成 的 复 合 制 材料 是玻 璃 钢 的 2倍 , 且碳 纤 维 增 强 叶片 的质 量 比 纯玻纤 的轻 约 3 % 。特 别 是 制 造 承 载 能 力 高 的 大 2 型 叶片时 , 强度 和 刚度要 求 较 高 的部 位 ( 如翼 缘 ) 必
须使 用碳 纤维 作增 强材 料 。碳纤 维 的导 电性还 可 有
采 用不 同 的成型工 艺 。
目前 , 电领 域 纤 维 复合 材 料成 型 工艺 主 要包 风 括 :1 传 统工 艺 , 手 糊 、 绕 、 () 如 缠 热压 罐 、 挤 ;2 拉 () 预成 型工 艺 , 如树脂 转 移模 塑 R M、 空辅 助 V R T 真 A . T 树 脂渗 透 R I树脂 注入 S RMP ( ) M、 F、 C I ;3 其它 成 型
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风力发电叶片制作工艺介绍

风力发电叶片制作工艺介绍

风力发电叶片制作工艺介绍Company Document number:WTUT-WT88Y-W8BBGB-BWYTT-19998风力发电叶片制作工艺介绍风力发电机叶片是接受风能的最主要部件,其良好的设计、可靠的质量和优越的性能是保证发电机组正常稳定运行的决定因素,其成本约为整个机组成本的15%-20%。

根据“风机功价比法则”,风力发电机的功率与叶片长度的平方成正比,增加长度可以提高单机容量,但同时会造成发电机的体积和质量的增加,使其造价大幅度增加。

1碳纤维在风力发电机叶片中的应用叶片材料的发展经历了木制、铝合金的应用,进入了纤维复合材料时代。

纤维材料比重轻,疲劳强度和机械性能好,能够承载恶劣环境条件和随机负荷,目前最普遍采用的是玻璃纤维增强聚酯(环氧)树脂。

但随着大功率发电机组的发展,叶片长度不断增加,为了防止叶尖在极端风载下碰到塔架,就要求叶片具有更高的刚度。

国外专家认为,玻璃纤维复合材料的性能已经趋于极限,不能满足大型叶片的要求,因此有效的办法是采用性能更佳的碳纤维复合材料。

1)提高叶片刚度,减轻叶片质量碳纤维的密度比玻璃纤维小约30%,强度大40%,尤其是模量高3~8倍。

大型叶片采用碳纤维增强可充分发挥其高弹轻质的优点。

荷兰戴尔弗理工大学研究表明,一个旋转直径为120m的风机的叶片,由于梁的质量超过叶片总质量的一半,梁结构采用碳纤维,和采用全玻璃纤维的相比,质量可减轻40%左右;碳纤维复合材料叶片刚度是玻璃纤维复合材料叶片的2倍。

据分析,采用碳纤维/玻璃纤维混杂增强方案,叶片可减轻20%~30%。

VestaWindSystem公司的V90型发电机的叶片长44m,采用碳纤维代替玻璃纤维的构件,叶片质量与该公司V80型发电机且为39m长的叶片质量相同。

同样是34m长的叶片,采用玻璃纤维增强聚脂树脂时质量为5800kg,采用玻璃纤维增强环氧树脂时质量为5200kg,而采用碳纤维增强环氧树脂时质量只有3800kg。

碳纤维及其复合材料产业现状及发展趋势

碳纤维及其复合材料产业现状及发展趋势

国内外碳纤维及其复合材料产业现状及发展趋势自上世纪60年代碳纤维首次商业化以来,产业规模不断扩大,产品品质不断提高,2014年全球碳纤维产能(365天连续生产12K/24K 碳纤维丝束计算)已达到12.6万吨。

尽管碳纤维与传统的玻璃纤维在价格上仍不能相比,但高性能碳纤维以其高比强度、高模量、可设计、防腐蚀和抗疲劳等突出特点,具有玻璃纤维所不能比拟的优势,已成为发展先进武器装备的关键材料,并在航空航天、国防军工、风能产业、土木工程、体育休闲等领域得到了广泛应用。

当前,国际复合材料产业呈现蓬勃发展态势,据估计,未来5年,先进复合材料将以每年5%的增速发展,而随着民用航空、汽车工业等领域的快速发展,全球高性能碳纤维需求量的年增幅可达10%,亚太地区将会有更高的增长率,即碳纤维及其复合材料产业将面临前所未有的发展空间和机遇。

因此,在目前碳纤维产业快速发展的关键时期,我们更应该认清国际碳纤维产业的发展形势、对照国外先进企业找差距找问题,通过理性思考寻求解决途径,适时把握发展机遇,落实行动、注重实效,努力推进国内碳纤维及其复合材料产业的健康快速发展。

1、国外碳纤维产业现状及发展趋势1)产业方面根据前躯体原料的不同,碳纤维可分为聚丙烯腈(PAN)基、沥青基和粘胶基碳纤维等。

由于粘胶基碳纤维在制备过程中会释放出毒性物质二硫化碳,且工艺流程长、生产成本高、整体性能不高,因此目前,国际碳纤维产业领域,前两种碳纤维获得了更大规模的生产和应用。

其中,PAN基碳纤维又占据绝对优势,国际市场占有率超过90%。

PAN基碳纤维的九大生产商包括:日本东丽、东邦、三菱丽阳、美国赫氏(Hexcel)、氰特(Cytec)、卓尔泰克(Zoltek,已被东丽收购)、台塑、土耳其阿克萨(AKSA)和德国西格里(SGL)。

沥青基碳纤维的生产和应用居其次,主要生产企业三家,分别是Cytec、三菱塑料和日本碳素纤维。

PAN基碳纤维分为小丝束(1-24K)和大丝束(36K及以上)两类。

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玻纤和碳纤在风电叶片上使用的比较 ( 74m 叶片 )
叶片 长度(m) 风轮直径(m) 额定功率(MW)
外壳材料
主梁材料
主梁设计
WEI74-7000G 74 153 7
WEI74-7000C 74 153 7
环氧树脂浸渍 环氧树脂浸渍 无碱玻璃纤维 无碱玻璃纤维
浸渍玻璃纤维 碳纤维预浸料
盒式梁(2腹板) 工字梁(1腹板)
1998-2012全球累计装机容量
中国复合材料集团有限公司
全球风电产业发展现状
(GW)
2012全球新增装机容量44.7GW 我国新增装机容量13.2GW,占 全球新增总装机的30%,居第一
1998-2012全球新增装机容量
中国复合材料集团有限公司
全球风电产业发展现状
单位:MW
2012年各国新增装 机容量
新增装机15GW以上; 2020年,我国风电并网目标要达到200GW; 全球风能理事会预测2020年中国风电装机容量达到
250GW。
中国复合材料集团有限公司
中国风电产业发展现状
海上风电目标和建设重点 风力发电厂正从内陆及大陆沿海地区逐步转向海上; 2020年前,中国将在江苏南通、盐城、上海、山东鲁北 浙江杭州等海湾建设几个百万千瓦级海上风电基地; 到2015年底,我国海上风电累计装机有望达 5GW,
/
叶 片 重 量
(千克)
碳碳纤纤维维叶叶片片 玻玻纤纤叶叶片片
叶片叶长片度长/度(/米()米)
➢提高叶片强度,减轻叶片重量
随着叶片长度的增加,为了减轻叶片重 量,同时又提高刚度,碳纤维就成了解 决这一设计难题的首选纤维材料。
中国复合材料集团有限公司
碳纤维在风电叶片中的应用优势
重量轻:在满足刚度和强度要求的条件下,比玻纤叶片轻 20%以上
2012年,我国新增装机容量为13200MW; 截至2012年底,我国累计装机容量达到了75564MW。
中国复合材料集团有限公司
全球风电产业发展现状 海上风电
2012年全球累计海上风电装机容量 5410 MW (同比增长31.4%) 全球新增海上风电装机容量 1292 MW 中国海上风电完成吊装容量 395 MW
轮毂
叶片
塔架
中国复合材料集团有限公司
碳纤维在风电叶片中的应用优势
风 轮 直 径
(米)
50KW 100KW
风力发电机成长与发展之路
海上风机
5MW 3.6MW
陆上风机 2.5MW
10MW
1.5MW
750KW 500KW
300KW
中国复合材料集团有限公司
碳纤维在风电叶片中的应用优势
大型化是风机及叶片发展的必然趋势
中国复合材料集团有限公司
玻纤和碳纤在风电叶片上使用的比较
根据东丽风能研究所资料(1.5MW)
大梁: GFRP
只在大梁处用碳纤维复合材料 替换玻璃纤维复合材料
大梁: CFRP
➢ 当主梁使用碳纤维增强复合材料时,与玻璃钢叶片比较,叶片重量 减轻12%,且具有更高刚性,更高耐疲劳性。
➢ 更低运输安装成本以及维修成本,延长风机使用寿命带来的成本的 降低等优势。
2500
UD Fabric T620S 环境:大气中
温度:R.T.
2000
Saertex T620S
材质:CFRP 载荷:控制
Saertex CF”A”
波形:sin波 周波数:5Hz
应力比:R=-1
1500
1000
500
0
1.00E+00 1.00E+01 1.00E+02 1.00E+03 1.00E+04 1.00E+05 1.00E+06 1.00E+07
—低负荷—更轻的变桨轴承、偏航系统、风机轮毂、塔筒 —更易操作,运输及吊装 —减少组件大小、重量、成本
扰度更小,机翼部分更薄: — 机翼气动效率更高,提高风能利用率和年发电量 — 动力问题少 — 预弯少,垂悬部分小
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碳纤维在风电叶片中的应用优势
成本:综合风力发电成本降低 运输、吊装成本相对降低 对机组相关部件的强度和刚度要求降低,使用寿命延长 风力发电机组的整体性能和效率提高 定期检修、维护成本降低
重 量 ( )
kg
注: 碳纤维预浸料减少叶片整体重量25-35% 从而降低了轮毂的重量
中国复合材料集团有限公司
kg
碳纤维在风电叶片中的应用优势
轮毂重量/叶片重量
轮 毂 质 量
叶片质量,kg 来源于美国国家能源部可再生能源实验室(NREL) WindPACT 报告 轮毂质量(kg)= 0.954 x (叶片质量)+ 5680 轮毂成本 = 轮毂质量 x $4.25/kg
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碳纤维在风电领域的应用进展
全球风电产业发展现状 碳纤维在叶片中的应用优势
碳纤维在叶片中应用的技术发展 中国复材——风电叶片
中国复合材料集团有限公司
碳纤维在风电叶片中的应用优势
风机主要零部件:
叶片、齿轮箱 发电机
齿轮箱
发电机
良好的设计和优越的性能 是保证机组正常稳定运行
的决定因素
中国复合材料集团有限公司
玻纤和碳纤在风电叶片上使用的比较
( 57m 叶片 )
叶片
长度(m) 风轮直径(m) 额定功率(MW)
外壳材料
WEI57-3000G
57 116 3.0
环氧树脂浸渍无 碱玻璃纤维
WEI57-3000G2 低扰度 57 116 3.0
环氧树脂浸渍无 碱玻璃纤维
WEI57-3000C
480 31,293
-39%
75,558 $ 51,254 $ 52,920 $ 26,250 $ 13,618 $ 8,064 $ 227,664 $
3,598 0
18,322* 1,377 1,040 480 25,201
叶片生产商:曾多达经近百家,经过近几年的激烈竞争,目 前能够批量供货的制造商不足10 家。 • 中国复材、中材科技、中航惠腾、LM; • 东汽、国电、明阳、上海玻钢院、VESTAS、GAMESA
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中国风电产业发展现状
风电发展目标 根据《可再生能源发展“十二五”规划》 到2015年,风电并网容量大约为120GW,需要每年
WEI74-7000C2
74
153
7
环氧树脂浸渍 碳纤维/玻璃纤
维 碳纤维预浸料
工字梁(1腹板)
仅针对材料成本
材料质量(Kg) 主梁碳纤维预浸料
主梁干玻纤+浸渍树脂 所有其他玻纤+树脂
巴尔沙木
PVC泡沫 粘合剂
总计
叶片成本
主要材料成本($)
碳纤维预浸料
23.5/kg $
干玻纤
3/kg $
环氧树脂
7/kg $
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碳纤维在风电叶片中的应用优势
假设风应力发生的频率是20年
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碳纤维在风电叶片中的应用优势
等效破坏疲劳负载
中国复合材料集团有限公司
碳纤维在风电叶片中的应用优势
叶片用碳纤维与玻璃纤维相比
叶片用碳纤维复合材料与玻璃纤维 复合材料相比:
更高的强度 (1.5)
性能
玻璃纤维
Advantex Hglass
东丽 T620S
碳纤维
东丽 ZOLTEK T700S P35 50K
三菱丽阳 P330 60k
拉伸强度 Gpa
2.206 3.060 4.4
4.9
4.15
4.9
拉伸模量 GPa
74
86 235 230
242
250
断裂伸长率 %
> 3% > 3% 1.87 2.13
在20年寿命期间,其疲劳
损伤很小。
疲劳循环次数— N
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碳纤维在风电叶片中的应用优势
静态玻璃纤维

静态碳纤维

疲劳玻璃纤维

疲劳碳纤维

叶片长度(m)
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风电叶片常用的碳纤维增强材料
目前,叶片常用的碳纤维:日本东丽:T620 /T700S
美国卓尔泰克:P35
芯材
15/kg $
粘合剂
12/kg $
根部紧固件
13.5/ $
总计
$
0 14,281 23,413 2,125
920 620 41,360
-24%
-$ 82,517 $ 80,490 $ 23,800 $ 11,590 $ 10,415 $ 208,812 $
3,598 0
23,831 2,344 1,040
• 干碳纤维用做单向带或多轴无纺织物时可以浸润树脂
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风电叶片常用的碳纤维增强材料
通过 GL 认证
T620S是日本东丽专门为风电叶片开发出的碳纤维。 中国复合材料集团有限公司
碳纤维在风电叶片中的应用优势
Maximum Sress S MPa
应力范围 Δσ
CFRP—T620疲劳实验结果
在不提高轴承、根部紧固件、风机轮毂负荷的情况下可以 增加叶片的长度,在同一平台上能捕捉更多能量
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碳纤维在风电叶片中的应用优势
疲劳性能
循 环
碳纤维扰度,因此设
应 变 幅
计者们通常无法充分利用 玻璃纤维的静应变范围。

碳结构静态时很稳定,
碳纤维及复合材料在风电叶片 领域的应用进展
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