[发明专利]一种连续碳纳米管纤维增强树脂基复合材料、风电叶片及其制备方法

说明书

本发明涉及一种连续碳纳米管纤维增强树脂基复合材料、风电叶片及其制备方法，其中，该连续碳纳米管纤维增强树脂基复合材料包括树脂基体以及掺杂在树脂基体内部的连续碳纳米管纤维，该风电叶片由多块连续碳纳米管纤维增强树脂基复合材料堆叠而成。与现有技术相比，本发明的风电叶片具有良好的力学性能，且可实时监控碳纳米管纤维复合材料的应变，提升风电叶片和风机产品的竞争性和安全性。

技术领域

本发明涉及风力发电机技术领域，具体涉及一种连续碳纳米管纤维增强树脂基复合材料、风电叶片及其制备方法。

背景技术

风能是一种存量大、安全性高的清洁能源。风力发电需要利用风机顶端的叶片依靠风能驱动旋转来产生升力，通过机舱内的传动链进一步转化为转矩带动发电机发电。在相同情况下，叶轮越大，则能够捕捉的风能越多，因此风机的叶片越做越长，对叶片的设计提出了越来越高的要求。叶片的优化设计是风力发电的核心技术之一。目前大多数叶片的传统结构形式为两片壳体，分为压力面和吸力面，壳体由玻璃钢和芯材组成的夹层板和主承力部件——主梁和尾缘梁组成，主梁贡献了大部分挥舞刚度，而尾缘梁贡献了大部分摆振刚度。两片壳体内部布置腹板支撑保证结构足够的稳定性，并最终由粘接工艺将腹板和壳体组合在一起。叶片越长变形越大，需要更高效的材料提升叶片刚度。

例如，风电叶片传统主梁采用玻璃纤维织物铺设于主梁模具，并通过真空灌注的方式导入树脂并最终固化。而超大叶片单纯采用玻纤已不能满足对刚度的需求，因此需要引入更高模量高强度的添加物。目前有部分风电厂家利用连续碳纤维制作风电叶片主梁来提高叶片刚度，采用的传统连续碳纤维模量一般为230GPa-260GPa，但其力学性能仍无法很好满足风电叶片的需要。

中国专利公开号CN108623999A，公开了一种风力发电机叶片用复合材料及其制备方法，所述复合材料由以下质量百分含量的原料组成：环氧树脂35～60％、玻璃纤维10～30％、碳纳米管2～5％、加工助剂1.4～5.0％、稀释剂4～6％、偶联剂0.2～0.5％，余量为固化剂。但该发明所含碳纳米管为纳米颗粒状，更多是增强纤维和树脂之间的界面，提高拉伸强度、疲劳强度、剪切强度以及抗冲击性能，而复合材料的拉伸模量是由纤维本身的模量主导，因此增加分散项材料对复合材料单向拉伸模量贡献不大。

另外，风机的设计寿命一般为20-25年，在空中运行中由于恶劣天气等不利因素，常常会出现亚健康运行状态(即形变量过大且无法及时恢复)，若没有及时发现，延误了维修时间，将造成大修或不得不更换叶片的情况，提升维护成本。

因此，本领域急需一种高强度且可以监控使用状态的风电叶片。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种连续碳纳米管纤维增强树脂基复合材料。

本申请之目的还在于提供一种利用上述复合材料制备得到的风电叶片及其制备方法。

为了实现本发明之目的，本申请提供以下技术方案。

在第一方面中，本申请提供一种连续碳纳米管纤维增强树脂基复合材料，所述复合材料包括树脂基体以及掺杂在树脂基体内部的连续碳纳米管纤维。连续碳纳米管纤维具有很高的抗冲强度和拉伸强度，而这两个性能是风电叶片运行时最重要的两个因素，因此将连续碳纳米管纤维掺杂在树脂基体中制得的复合材料，完美契合风电叶片的应用需求。另外，通过研究发现，碳纳米管纤维的力学与电学性能存在一定的耦合作用。在加卸载过程中，纤维的电阻会随着应变量成应力的增加/降低而增大/减小。可知纤维电阻变化与其应变/应力变化维持一致。2％的应变量均产生了8.5～9.3Ω的电阻变化，即上述弹性变形所引起的纤维电阻变化是循环可逆的。因此，可以通过监控复合材料电阻的变化，来监控该复合材料弹性变形的大小。

在第一方面的一种实施方式中，所述复合材料中连续碳纳米管纤维的掺杂量为40％～80％。掺杂比过小，则复合材料刚度过低，达不到设计模量；掺杂比过大，则工艺难以实现。