CC BY
52
II КОНСТРУКЦ1ЙН1 I ФУНКЦ1ОНАЛЬН1 МАТЕР1АЛИ
УДК 541.64: 678.064.3
Д-р техн. наук Л. Р. Вишняков1, канд. техн. наук Б. Н. Синайский1, О. П. Яременко1,
канд. техн. наук В. С. Петропольский2, З. Н. Демиденко2
1 Институт проблем материаловедения им. И. Н. Францевича НАНУ, 2 АНТК им. О. К. Антонова,
г. Киев
ПОЛИМЕРНЫЕ ГИБРИДНО-АРМИРОВАННЫЕ КОМПОЗИТЫ ДЛЯ ЛОПАСТЕЙ МАЛЫХ ВЕТРОДВИГАТЕЛЕЙ
С использованием метода вакуумной пропитки и вакуумно-автоклавного формования разработаны гибридно-армированные полимерные композиционные материалы для лопастей малых ветродвигателей с заменой части армирующих углеродных волокон (от 20 до 40 %) базальтовыми волокнами, определены механические свойства композитов и сделан сравнительный анализ с имеющимися литературными данными.
Введение
В разных отраслях современной техники широко используются композиционные материалы с полимерной матрицей (ПКМ), армированные стеклянными, органическими и углеродными волокнами. Это связано с высокой удельной прочностью и повышенными эксплуатационными и технологическими свойствами ПКМ при низких энерго- и трудозатратах изготовления деталей из ПКМ [1-3].
Так, например, лопасти ветродвигателей, работающие в условиях воздействия больших статических и динамических нагрузок, изготавливаются, как правило, из гибридных ПКМ, армированных стеклянными и углеродными волокнами, которые нашли применение как в малых ветротурбинах (мощностью до 100 к^, так и ветротурбинах большой мощности - до 4 МW [1; 4-5].
Поскольку стоимость лопастей составляет 15-20 % от общей стоимости ветровых турбин [6], важным путем снижения стоимости ветроагрегата, и, соответственно, стоимости вырабатываемой электроэнергии является использование более дешевых армирующих волокон при условии сохранения высоких упругих и прочностных характеристик ПКМ.
В последнее время большое внимание для использования в композитах уделяется базальтовым непрерывным волокнам. Базальтовые волокна изготовляются из горных пород по технологии получения стеклянных волокон, что обуславливает их низкую цену (в некоторых случаях на порядок) по сравнению с углеродными волокнами [7-9]. Можно отметить, что по величине модуля упругости (70-90 ГПа) и прочности (1,9 ГПа) базальтовые волокна при диаметре 10-18 мкм приближаются к характеристикам среднемодульного углеродного волокна (табл. 1). При снижении их диаметра до 8 мкм прочность базальтового волокна возрастает до 2,6 ГПа, что соответствует прочности высокомодульных углеродных волокон [3, 9].
Это дает основание ожидать, что при замене в лопастях ветротурбин части углеродных волокон базальтовыми при сохранении высоких упругих и прочностных характеристик ПКМ можно снизить их стоимость. В настоящей работе мы стремились без существенных потерь в механических характеристиках достичь уде -шевления ПКМ за счет изготовления новых армирующих структур, улучшения адгезии связующего и волокон, а также путем использования упрочняющих порошковых добавок для эпоксидного связующего.
Таблица 1 - Характеристики углеродных и базальтовых волокон [3]
Тип волокон р, г/см3 Е, ГПа ст, ГПа S, %
Углеродные волокна
Карбонизованные 1,5-1,6 20-50 0,4-1,0 2,0-2,5
Графитизированные
низкомодульные 1,4-1,6 30-70 0,5-1,0 1,5-2,0
среднемодульные 1,4-1,8 70-80 1,0-2,5 1,0-1,8
высокомодульные 1,6-2,0 300-700 2,5-4,0 0,5-0,7
высокопрочные 1,7-1,9 200-300 3,0-5,0 0,6-1,0
Базальтовые волокна 2,7-2,9 70-90 1,9 -
© Л. Р. Вишняков, Б. Н. Синайский, О. П. Яременко, В. С. Петропольский, З. Н. Демиденко, 2009
ISSN 1607-6885 Hoei Mamepia.nu i технологи в металурги та машинобудувант №2, 2009
41
Разработку подобных гибридно-армированных ПКМ для лопастей ветротурбин вели применительно к конструкции адаптивной лопасти (длина до 3 м) для малых ветровых турбин, которые все чаще используются в фермерских хозяйствах в различных климатических условиях с переменными ветровыми нагрузками [10-13].
Материалы и методика исследования
При разработке ПКМ для малых аэроупругих вет-ролопастей мы исходили из конструкции лопасти, состоящей из оболочки и лонжерона. Для оболочки лопасти за основу были взяты гибридные композиты, где углеродные и базальтовые волокна находятся под углом к продольной оси лопасти, а перпендикулярно к ним располагают стеклянные волокна. Для лонжерона был применен однонаправленный композит, в котором углеродные и базальтовые волокна расположены вдоль продольной оси (рис. 1).
В качестве армирующих волокнистых наполнителей (АВН) были использованы разработанные нами уточновязаные трикотажные структуры с применением в полотне углеродных, базальтовых и стеклянных
Оболочка
70 ТВ
70%УВ 70%(УВ+20% БВ) 70%(УВ+40% БВ) +30% СВ +30%СВ +30% СВ
Лонжерон
УВ
УВ+20% БВ
УВ -углеродные волокна; БВ - базальтовые волокна; Сб - стеклянные волокна
Рис. 1. Схема укладки армирующих углеродных, базальтовых и стеклянных волокон в гибридных полимерных композиционных материалах для лопастей ветротурбин
нитей. Принцип изготовления уточновязаного трикотажа состоял в прокладывании в каждом петельном ряде вязаного полотна уточных углеродных и базальтовых нитей. На рис. 2 показан типичный образец армирующей уточновязаной структуры из высокомодульных углеродных волокон УКН-5000. В этом образце используется также технологическая полиэфирная нить, которая образует петли, объединяющие однонаправленные углеродные и базальтовые нити в процессе их укладки при получении ПКМ.
Рис. 2. Образец армирующей уточновязаной структуры из высокомодульных углеродных волокон УКН-5000
В качестве связующего для ПКМ была выбрана эпоксидная смола типа ЭДТ-69Н с температурой отверждения (125+5) °С. Это связующее используется в ПКМ, получаемыми различными методами: вакуумным, вакуумно-автоклавным и прессовым.
Опытные панели из ПКМ имели форму многослойных пластин размером 470x440 мм при толщине 2 и 4 мм. Их получали из уточновязаного трикотажа методом вакуумной пропитки (инфузии), предварительно уложенных слоев по следующей технологической схеме рис. 3:
- на подготовленный металлический лист (1), обработанный антиадгезионным маслом, укладывались послойно сухие слои наполнителя (уточновязаный трикотаж или стеклоткань) (2), соответствующие варианту выбранной конструкции панели;
- сверху слоев наполнителя укладывался слой впитывающей ткани (4) и устанавливалась полимерная сетка (6) для равномерного распределения связующего;
- по середине панели устанавливалась и закреплялась профилем 7 перфориванная или спиральная полимерная трубка (8) для подачи связующего, соединенная с емкостью со связующим;
- на двух противоположных сторонах листа устанавливались металлические перфорированные вакуумные трубки (3) для подсоединения к вакуумной системе;
- поверх пакета укладывалась разделительная полипропиленовая пленка, и весь пакет герметизировался с помощью полиамидной пленки (9) и герметизирующего жгута (5).
Рис. 3. Технологическая схема пакета для вакуумной пропитки связующим:
металлический лист (форма); 2 - пакет выложенных наполнителей; 3 - вакуумные трубки; 4 - впитывающая стеклоткань; - герметизирующий жгут; 6 - полимерная сетка; 7 - профиль для фиксации полимерной трубки: 8 - полимерная трубка
для подачи связующего; 9 - полиамидная вакуумная пленка
1 -5
После подключения вакуумных мешков к вакуумному насосу проводилось вакуумирование пакета в течение 20-30 мин. После вакуумирования пакета с сухими наполнителями полимерные трубки помещались в емкость со связующим и осуществлялась подача связующего до полной пропитки наполнителей без отключения вакуумной системы. После окончания процесса пропитки пакет повторно герметизировался, после чего проводилось вакуум-автоклавное формование панелей.
Был также разработан и опробован вариант изготовления панелей, альтернативный применению описанного выше уточновязанного углеродно-базальтового трикотажа, - совместная намотка углеродных жгутов и базальтовых волокон на барабан с последующими разрезкой, выкладкой и отверждением. После укладки необходимого количества слоев такого наполнителя и сборки заготовки проводилось вакуум-автоклавное формование по режиму отверждения связующего ЭДТ-69Н, как и в случае использования уточно-вяза-ной структуры.
С целью повышения поперечной прочности и модуля упругости в одном из вариантов конструкции композита для материала оболочки лопасти в связующее ЭДТ-69Н были введены мелкодисперсные добавки из частиц муллита (3А1203-28Ю2) [14]. Модуль упругости этих частиц составлял Е = 187±1,1 ГПа, а твердость -Н = 18,7±2,1 ГПа. Введение частиц муллита в связующее осуществлялось с помощью высокоинтенсивной мешалки (миксера).
На вырезанных из полученных панелей образцах были определены механические характеристики ПКМ, предназначенных для изготовления оболочки и лонжерона лопасти ветротурбины.
Учитывая анизотропию свойств разработанных материалов, механические характеристики определя-
лись на образцах, вырезанных вдоль продольной оси панелей и в поперечном направлении. Методы проведения испытаний, размеры и количество образцов отвечали стандартам на каждый вид испытаний.
Механические испытания проводили на универсальных испытательных машинах типа 1231 У-10, 1958 У-10, УМЕ-10ТМ, которые обеспечивали приложение нагрузки к образцам с постоянной скоростью и ее измерение с погрешностью не более 1 %.
Результаты исследований
Результаты исследования механических свойств образцов ПКМ и для сравнения их с наиболее близкими литературными данными [12] приведены в таблице 2.
Сравнительный анализ механических характеристик, разработанных ПКМ, в том числе данных, которые представлены в табл. 2, показал следующее. При замене 20 % углеродных волокон на базальтовые (см. п.п. 1, 2 табл. 2) в однонаправленном ПКМ для использования в лонжероне лопасти можно отметить улучшение механических характеристик материала. Так, значения модуля упругости при растяжении вдоль продольной оси составили соответственно для п. 1 и п. 2 165,5 и 162,2 ГПа, поперек - 9,3 и 10,4 ГПа, при сжатии - 126,7 и 131,6 ГПа. Прочность ПКМ с базальтовыми волокнами возросла на 25-50 %, как при растяжении вдоль и поперек волокон, так и при сжатии. На наш взгляд, этот эффект можно объяснить лучшей адгезией базальтовых волокон к связующему.
Для гибридных ПКМ, предназначенных использованию в оболочке (см. п.п. 5, 6, 7 табл. 2), введение 20 и 40 % базальтовых волокон вместо углеродных привело к снижению прочностных характеристик (до 3040 %). Что касается модуля упругости для варианта с 20 % базальтовых волокон, то он практически не изменился (33,9 и 34,6 ГПа). Вместе с тем, разработанные
1607-6885 Новi матерiали i технологи в металурги та машинобудувант №2, 2009
43
Таблица 2 - Механические свойства разработанных ПКМ
№ пп Тип композита Растяжение вдоль (0 °) Растяжение поперек (90 °) Сжатие вдоль (0 °) Сдвиг в плоскости листа Межслоевой сдвиг
Ex, ГПа Vxy МПа E L^y, ГПа Vyx Y, МПа EX, ГПа МПа Gxy, ГПа S, МПа т, МПа
Лонжерон
1 CUD 165,5 0,36 1259 9,3 0,016 10,3 126,7 439 - - 7,79
2 80CUD/20BUD 162,2 0,30 1598 10,4 0,090 12,0 131,6 656 - - 9,84
3 CUD [ 12 ] 127,3 0,328 1585,3 8,8 0,023 34,2 122,8 956,2 5,1 73,6 67,5
4 GUD [ 12 ] 36,5 0,257 703,9 12,6 0,093 58,3 37,9 791,1 3,9 62,5 56,1
Оболочка
5 (70C-20°)+ 30G70° 33,9 0,618 161 17,6 0,19 108 40,8 352 - - 7,8
6 (70(80C/20B)-20°) + 30G70° 34,6 0,698 100 10,9 0,369 65,6 22,1 141 - - 8,4
7 (70(60C/40B)-20°) + 30G70° 26,9 0,527 98,0 12,7 0,284 72,0 25,5 172 7,8
8 (70(80C/20B)-20°) + 30G70° (с упрочняющим наполнителем 3 % муллита) 3,9 0,576 87 14,8 0,218 77 37,2 164 15,8 134 13,3
9 (10CUD/75C20) +15GBD [12] 29,2 0,591 269,4 9,3 0,170 54,5 31,3 329,8 6,5 116,2 51,5
Примечание: С — углеродные волокна, В — базальтовые волокна, О — стеклянные волокна, 70С — 70 % масс. углеродных волокон (С), ЦО- однонаправленные композиты; -20° — угол наклона к продольной оси, 30 070 — 30 % масс. стеклянных волокон (О) под углом 70 ° к продольной оси.
варианты ПКМ с 20 и 40 % базальтовых волокон имеют модуль упругости при растяжении на уровне данных [12] (см. п.п. 6, 7, 9): 34,6 и 26,9 ГПа по сравнению с 29,2 ГПа для Е и 10,9 и 12,7 ГПа по сравнению с 9,3 ГПа для Е
Разработанный гибридный ПКМ с упрочняющим наполнителем из частиц муллита по значению модуля упругости при растяжении и сжатии превосходит на 20-60 % характеристики известного материала [12] (см. п.п. 8, 9 табл. 2). Так, например, модуль упругости при растяжении в продольном и поперечном направлениях (Ех и Е) составляет соответственно 33,9 и 14,8 ГПа в сравнении с 29,2 и 9,3 ГПа известного материала. Получен также больший модуль упругости (Ес ) при сжатии 37,2 ГПа в сравнении с 31,3 ГПа. Коэффициенты Пуассона (V и V ) разработанного композита и варианта материала [12] близки друг к другу.
Вместе с тем следует отметить, что прочность известного материала [12] при растяжении и сжатии вдоль продольной оси (X и Хс) больше прочности разработанного ПКМ, но в трансверсальном направлении большую прочность (У) имеет разработанный ПКМ (77 МПа в сравнении с 54,5 МПа). Преимущество известного материала [12] по показателям прочности по продольной оси можно объяснить тем, что 10 % углеродных волокон, в отличие от разработанного материала, направлены вдоль продольной оси. Что касается значений модуля упругости и прочности в плоскости листа (0у и 5), то здесь преимущество имеет разработанный нами материал. Модуль упругости в плоскости
листа составляет, соответственно, 15,8 и 6,5 ГПа, а прочность - 134 и 116,2 МПа. Расхождение в данных по прочности при межслоевом сдвиге (т) можно объяснить разными методиками испытаний.
Более высокие механические характеристики получены и у однонаправленных ПКМ для лонжерона лопасти по сравнению с известным вариантом [12]. Однонаправленные ПКМ с использованием 20 % базальтовых волокон имеют упругие свойства, которые несколько выше, чем свойства известного ПКМ [12]. Так, например, модуль упругости ПКМ при растяжении вдоль и поперек продольной оси (Ех и Е) составляет соответственно 162,2 и 10,4 ГПа по сравнению с 127,3 и 8,8 ГПа [6].
Таким образом, гибридный ПКМ для оболочки лопасти с АВН на основе углеродных волокон с заменой их части базальтовыми волокнами с добавлением 3 % упрочняющих добавок муллита сохраняет достаточно высокие упругие свойства и прочность по сравнению с известным вариантом. Аналогичные преимущества получены и для однонаправленных ПКМ, которые предназначены для использования в лонжероне лопасти малого ветродвигателя.
Выводы
1. Разработаны гибридные полимерные композиционные материалы на основе углеродных, базальтовых и стеклянных волокон и эпоксидного связующего ЭДТ-69Н с использованием технологии вакуумной пропитки (инфузии) и вакуум-автоклавного формова-
ния. В качестве армирующих волокнистых наполнителей использованы уточно-вязаные углеродно-базальтовые ткани, однонаправленные слои, полученные методом намотки углеродных и базальтовых волокон и стеклоткани.
2. Установлено, что введение в армирующие структуры разработанных композитов вместо углеродных базальтовых волокон позволяет сохранить высокие упругие характеристики и прочность материалов как в продольном, так и поперечном направлениях.
3. Гибридные углеродно-базальтовые композиты можно использовать для лопастей ветротурбин как экономическую альтернативу более дорогим композиционным материалам на основе углеродных волокон.
Перечень ссылок
1. Углеродные волокна и углекомпозиты : пер. с англ. / Под ред. Э. Фитцера. - М. : Мир, 1988. - 336 с.
2. Композиционные материалы: Справочник / В. В. Васильев, В. Д. Протасов, В.В.Болотин и др. ; под общ. ред.
B. В. Васильева, Ю. М. Тарнопольского. - М. : Машиностроение, 1990. - 512 с.
3. Перепелкин К. Е. Полимерные волокнистые композиты, их основные виды, принципы получения и свойства // Химические волокна. - Ч. 1, № 4. - 2005. - С. 722; Ч. 2, № 5, 2005. - С. 54-69; Ч. 3, № 1. - 2006. -
C. 41-50.
4. Griffin D.A. Alternative Composite Materials for Mégawatt Scale Turbine Blades:Design Consideration and Test Evaluation / Griffin D.A., Aswill T.D. // Proceedings of the 48 International SAMPE Symposium and Exhibition. Long Beach, CA. (May11-15, 2003).
5. Marsh G. Reinforced plastics transform small wind market / Marsh G. // Reinforced Plastics, Vol. 48, I. 1, Jan. 2004. -P. 22-26.
6. Chris Red. Wind turbine blades: Big and getting better / Chris Red // Composites Technology, 6/1/2008.
7. Mislavsky B. Basalt fibre an option for filament winding / Mislavsky B. // Reinforced Plastics, V50, I. 10, Nov. 2006. -12 p.
8. Артеменко С. Е. Полимерные композиционные материалы на основе углеродных, базальтовых и стеклянных волокон / Артеменко С.Е., Кадыкова Ю.А. // Химические волокна, 2008. - №1. - С. 30-32.
9. Джигирис Д. Д. Основы производства базальтовых волокон и изделий / Джигирис Д. Д., Махова М. Ф. - М. : Теплоэнергетик, 2002. - 416 с.
10. Griffin D. A. Blade System Design Studies Volume 1: Composite Technologies for Large Wind Turbine Blades / Griffin D.A. // SAND2002-1879. Albuquerqur, NM : Sandia National Laboratories (July, 2002).
11. Karen Mason. Anisotropic wind blade expected to reduce wind energy costs / Karen Mason // Composites Technology, 11/1/2004.
12. Sandia Report. SAND2005-5748. Fabrication, testing and Analysis of Anisotropic Carbon / Glass Hybrid Composites. Vol.1. Technical Report/ Sandia National Laboratories, Print. Nov. 2006. - 60 p. ; Vol. 2. Test Data/ Sandia National Laboratories, Print. Nov. 2006. - 301 p.
13. Полимерные композиционные материалы на основе углеродных и базальтових волокон для лопастей малых ветроэлектрогенераторов / [Вишняков Л. Р., Синайский Б. Н., Яременко О. П. и др.] // Повышение эффективности производства электроэнергии : материалы VI Междунар. научн.-техн. конф. - Новочеркасск, Оникс+, 2007. - С. 53-57.
14. Структура и некоторые свойства оксидных кристаллов на основе муллита и армированных ими композитов с алюминиевой матрицей / [Вишняков Л. Р., Мороз В. П., Синайский Б. Н. и др.] // Новые материалы и технологии в металлургии и машиностроении. - 2006. - № 2. -С. 27-31.
Одержано 25.08.2009
З використанням методу вакуумного просочення й вакуумно-автоклавного формуваннярозроблен гiбридно-apMoeaHi полiмернi композицшш матерiали для лопастей малих втродвигутв i3 замтою частини армувальних вуглецевих волокон вд 20 до 40 %) на базальтовi волокна, визначенi механiчнi властивостi композитiв i зроблений порiвняльний анализ i-з наявними лiтературними даними.
The methods of vacuum impregnation and the vacuum-autoclave formation have been used to develop hybrid-reinforced polymer composite materials for implementation into low wind engine blades with partial replacing of reinforcing carbon fibers (between 20 % and 40 %) with basalt fibers, the mechanical properties of the composites have been determined and the comparative analysis versus the published data available was done.
ISSN 1607-6885 Новi матерiали i технологи в металурги та машинобудуванш №2, 2009 45
