用于涡轮机叶片应用的微波吸收复合材料的制作方法
【专利摘要】本发明提供了复合层压材料(11)，其包括：外部、中间部和内部(15,17,19)，它们分别包括复合材料第一层(21)和具有印刷电路的一个或多个功能层(31)，用于吸收入射到复合层压材料(11)上的电磁辐射；复合材料第二层(23)；与中间部(17)相连续的导电层(41)和复合材料第三层(25)。功能层(31)的电阻率值与中间部(17)的厚度被包括在预定范围内，用于在S频段或X频段将复合层压材料(11)的电磁辐射的反射衰减至高达?20dB的最大值。本发明还涉及复合层压材料(11)的制造方法以及包括该复合层压材料(11)的风力涡轮机叶片。
【专利说明】用于涡轮机叶片应用的微波吸收复合材料
【背景技术】
[0001 ]随着风力发电场的日益普及，风力发电厂的位置与雷达系统的电磁辐射之间的冲 突也日益增加。美国能源部的目标是到2030年为止利用可再生能源发电比例占国家电力的 30%。这将需要安装成千上万台风力涡轮机，从而开发全部的丰富区域。然而，大约20GW的 潜在风能是无法获得的，这是因为其在导航雷达范围内。风力涡轮机是大电磁辐射反射器 并且影响雷达运行。风力涡轮机的组件造成的雷达反射引起几个问题，诸如"用于监控航空 交通的雷达系统不能容易地区分运动的涡轮机叶片和飞行器"。尽管塔架和其它组件是固 定的，但是它们仍然会引起问题。它们的存在可以与飞行器区分开，但是它们会产生阴影区 域，在该阴影区域内很难识别出飞行器的存在。下表解释了不同雷达系统使用的波长。
[0003] 这些频段中S频段和X频段对风力祸轮机雷达截面积(radar cross section，RCS) 是最重要的。需要减小S频段和X频段风力涡轮机的RCS，以利于该区域中的风能。减小涡轮 机叶片的RCS是最重要的任务，这是因为叶片通常包含高反射铜棒，并且具有重量和形状限 制。因此，将努力集中在修改风力涡轮机叶片上，从而使它们对雷达系统不可见。不可见的 可接受的标准是将雷达反射/传播衰减至高达_20dB。此外，需要可应用于大规模风力涡轮 机的稳健设计将风力涡轮机安装到雷达区域中。因此，风力涡轮机叶片的设计和复合结构 应该对制造过程中的变化和不可避免的错误有低敏感度。
[0004] 已知现有技术利用反雷达覆层或利用如W02010/122350中描述的Frequency Selective Surfaces来使风力祸轮机叶片对雷达不可见。然而，现有技术还没有具体地集 中于在S频段或X频段上衰减辐射，在这些频段上对风力涡轮机影响最多。
【发明内容】
[0005] -方面，本发明提供了复合层压材料(laminate )，其包括:外部、中间部和内部，它 们分别包括复合材料第一层和具有印刷电路的一个或多个功能层，用于吸收入射到复合层 压材料上的电磁福射;复合材料第二层;与中间部相连续(cont iguous)的导电层和复合材 料第三层。功能层的电阻率值与中间部的厚度被包括在预定范围内，用于在S频段或X频段 将复合层压材料的电磁辐射的反射衰减至高达_20dB的最大值。
[0006] 在一个实施例中，所述复合材料层的树脂是聚合物或环氧材料，功能层的电阻率 (术语电阻率(resistivity)用于指在本说明书中施加到功能层上时的该层的薄层电阻 (sheet resistance))在40-60 Ω /sq之间，并且中间部的厚度在9-llmm之间，最佳的在10-11mnin
[0007] 在一个实施例中，中间部包括并入其中的陶瓷颗粒(29) (ceramic particle)，优 选地，尺寸在20-500nm范围内的二氧化娃颗粒(s i I i ca part i c I e)。
[0008]在另一方面，本发明提供利用预浸料(pre-peg)技术或注入(infusion)技术制造 所述层压材料的方法。
[0009]在另一方面，本发明提供风力涡轮机叶片，该叶片具有的至少一个组件，特别是壳 体，包括以上提到的层压材料。
[0010]通过结合以下绘示了其目标的实施例的详细描述及相关附图，本发明的其它特征 和优点将更明显。
【附图说明】
[0011] 图1、图2和图3是根据本发明的具有增强吸波性能的复合层压材料的实施例的示 意剖面图。
[0012] 图4示出了具有增强吸波性能的复合层压材料的两个样本的图像。
[0013] 图5示出了用于具有增强吸波性能的复合层压材料的两个样本#1和#2的吸波性能 (dB)和频率(GHz)的关系图表。
[0014]图6示出了用于具有增强吸波性能的复合层压材料的两个样本#3和#4的吸波性能 (dB)和频率(GHz)的关系图表。
【具体实施方式】
[0015] 本发明主要涉及层压材料，其被用于，例如风力涡轮机叶片的组件的整个层压材 料层(不管其是单片层压材料还是夹层层压材料)的外部部分。
[0016] 参考图1，层压材料11的实施例的基本结构开发用于在S频段和X频段吸收微波辐 射，其包括：由复合层21与一个或多个功能层31形成的外部部分15、由复合层23形成的中间 部分17、以及由复合层25和至少一个导电层41形成的内部部分19。
[0017] 复合层21、23、25由树脂材料和纤维制成，其具有高机械属性，形成彼此相接的硬 片层，固化(curing)之后提供所需的机械强度(硬度、抗张强度等）。复合层21、23、25可以包 括玻璃纤维或碳纤维布以及环氧树脂或聚合树脂。它们还可以包括其它纤维，诸如芳纶纤 维、玄武岩纤维或硼纤维，以及聚合树脂，诸如聚酯或乙烯基酯树脂。
[0018] 功能层31由玻璃纤维和导电墨水(碳基)组成，并且位于复合层21，23之间。
[0019] -导电层41-薄层、网或箱片，由例如，错、铜或碳制成，位于复合层23,25之间。
[0020] 层压材料11的其他特征
[0021] a)为了在宽频谱上获得衰减，导电图案的功能分级在图2中示出。在层压材料的不 止一个位置采用具有不同功能（即不同图案或不同电阻率值)的两个功能层31。这样的组合 产生不止一个导致宽频带衰减的电容值。
[0022] b)宽频带衰减对于将本发明的层压材料实践应用于风力涡轮机叶片是非常重要 的。叶片的尺寸可能大于80m(长度）。从以上制造的角度看，所述层将被结合在一起，用于形 成大叶片的组件(例如壳体）。在这个过程中，功能层31在间隔、距离、电阻率、平坦度和平滑 度方面的变化会影响衰减结果。图2中示出的设计忽略了（forgiving to)生产过程中的误 差和变化。
[0023] c)图3示出了将纳米陶瓷颗粒(具有合适的介电常数(permittivity)值)并入层压 材料11中，该纳米陶瓷颗粒对层压材料的属性有两个主要影响。首先，其增大介电常数值， 其减小功能层31与导电层41之间距离，从而增大生产过程中灵活性，尤其对于复杂的形状， 诸如前缘曲线，其中的间隔距离更加难以控制，因为受限于高度弯曲的复合层压材料的制 造工艺。其次，增加特定陶瓷颗粒，诸如二氧化硅纳米颗粒，提高了层压材料11的抗压韧性/ 强度，并且也可能减小碳纤维层的数量，从而节省成本并减轻重量。陶瓷颗粒可以在层压材 料11中任何位置。典型的，尺寸范围为20-500nm的SiO 2纳米颗粒可以用作填充物。此外，陶 瓷填充物的数量可以在重量比〇至20%之间变化。
[0024]层压材料11的制造方法
[0025]在一实施例中，制造方法包括以下步骤：
[0026] a)以图1中所示的方式设置布置复合层21、23、25，功能层31和导电层41，其中复合 层21、23、25为预浸料(pre-peg)层。确保这些层完全是平的，没有褶皱和空隙。功能层31准 备由半自动丝印机利用具有合适电阻率的墨水在纤维玻璃布上打印导电图案。打印的图案 的特点为4-点电阻率测量。
[0027] b)将层21、31、23、41、25形成的装置密封在真空袋中，在压缩机的帮助下维持 0.9ATM的真空度。
[0028] c)将该整个装置放置在烤炉中，将温度设定在90°C，并且烘烤过程中具有从室温 (25°C)开始的最大温度斜率。
[0029] d)加热两个小时之后，关闭真空栗，并且将烤炉温度设定为25°C。
[0030] e)将层压材料从烤炉中取出，空气将其冷却至室温。
[0031] 也可以利用注入技术制造层压材料11，将第一、第二和第三层21、23和25设置为干 层，注入树脂并且使外部、中间部和内部部分15、17和19整体经受压力和温度周期，从而加 固（(3〇]18〇11(^七6)该复合层压材料11。
[0032] 层压材料吸波
[0033] 已经示出利用层压材料的样本(参考图4)进行的实验性测试，在S频段和X频段吸 波的重要参数一方面是功能层31的电阻率，另一方面是功能层31和导电层41之间的间隔。 [0034]图5示出了功能层的电阻率的变化的影响，样本#1、#2代表的功能层31的电阻率分 别为47.47 Ω/sq和57.53 Ω/sq，当功能层31的电阻率增加时，吸波能力向高频转移，并且减 小了衰减度。可以通过改变沉积在玻璃纤维布上的墨水数量来改变功能层31的电阻率。 [0035]图6示出了功能层31和导电层41之间的间隔的影响，样本#3、#4代表的间隔分别为 11 · 46mm和9 · 43mm:功能层31与导电层41之间的间隔增加时，吸波能力向低频转移，并且增 大衰减度。所述间隔由层23的数量控制。
[0036] 从进行的实验性工作可以得出的结论是:在S频段和X频段的吸波波长需要特定的 间隔（功能层31与导电层41之间的）和电阻率(功能层31的)值对，它们的范围分别为:9.0-11，0mm(优选地为10.0:11，0mm)，40_60 Ω /sq〇
[0037] 优点
[0038]-功能层31和导电层41增加到风力涡轮机叶片上的重量相比于雷达吸波涂层的重 量是最小的。
[0039] -本发明的层压材料特别解决了对风力涡轮机来说是非常重要的S频段或X频段的 吸波问题。
[0040] -本发明的层压材料实现反射及传播衰减高达-20dB的峰值。
[0041 ]-本发明的层压材料具有高度的稳健性，并且可以忽略生产误差和变化。
[0042]-生产的本发明的层压材料可以具有3D特征，因此，可以适应对风力涡轮机的性能 来说非常重要的叶片的形状。
[0043]尽管结合不同的实施例描述了本发明，但是从说明书中应当理解的是，可以将其 中的元素进行不同的结合、变形或改进，都在本发明的范围内。
【主权项】
1. 一种复合层压材料(11)，包括： -外部部分（15)，包括复合材料第一层(21)和具有印刷电路的一个或多个功能层(31)， 用于吸收入射到所述复合层压材料(11)上的电磁辐射； -中间部分(17 )，包括复合材料第二层(23); -内部部分（19)，包括与所述中间部分（17)相连续的导电层（41)和复合材料第三层 (25); 其中，所述功能层(31)的电阻率值与所述中间部分（17)的厚度被包括在预定范围内， 用于在S频段或X频段将所述复合层压材料（11)的电磁辐射的反射衰减至高达_20dB的峰 值。2. 根据权利要求1所述的复合层压材料(11 )，其中： -所述第一层、第二层以及第三层(21，23,25)的复合材料的树脂是聚合物或环氧材料； -所述功能层（31)的电阻率在40-60 Ω/sq之间，并且所述中间部分（17)的厚度在9-Ilmm之间。3. 根据权利要求2所述的复合层压材料（11)，其中，所述中间部分（17)的厚度在ΙΟ-? Imm之间。4. 根据权利要求3所述的复合层压材料（11)，其中：所述第一层、第二层以及第三层 (21，23，25)的复合材料的纤维是玻璃纤维或碳纤维。5. 根据权利要求2所述的复合层压材料（11)，其中，所述中间部分（17)包括并入其中的 陶瓷颗粒(29)。6. 根据权利要求5所述的复合层压材料（11)，其中，所述陶瓷颗粒（29)是尺寸在20-500nm范围内的二氧化娃颗粒。7. -种制造复合层压材料(11)的方法，所述复合层压材料(11)包括： -外部部分（15)，包括复合材料第一层(21)和具有印刷电路的一个或多个功能层(31)， 用于吸收入射到所述复合层压材料(11)上的电磁辐射； -中间部分(17)，包括多个复合材料第二层(23); -内部部分（19)，包括与所述中间部分（17)相连续的导电层(41)和一个或多个复合材 料第三层(25); 其中，所述功能层(31)的电阻率值与所述中间部分（17)的厚度被包括在预定范围内， 用于在S频段或X频段将复合层压材料(11)的电磁辐射的反射衰减至高达_20dB的峰值； 所述方法包括步骤： -提供所述第一层、第二层和第三层(21，23,25)作为预浸料层； -使所述外部部分、中间部分和内部部分（15,17，19)整体经受周期的压力和温度，从而 加固所述复合层压材料(11)。8. -种制造复合层压材料(11)的方法，所述复合层压材料(11)包括： -外部部分（15)，包括复合材料第一层(21)和具有印刷电路的一个或多个功能层(31)， 用于吸收入射到所述复合层压材料(11)上的电磁辐射； -中间部分(17)，包括多个复合材料第二层(23); -内部部分（19)，包括与所述中间部分（17)相连续的导电层(41)和一个或多个复合材 料第三层(25); 其中，所述功能层(31)的电阻率值与所述中间部分（17)的厚度被包括在预定范围内， 用于在S频段或X频段将复合层压材料(11)的电磁辐射的反射衰减至高达_20dB的峰值； 所述方法包括步骤： -提供所述第一层、第二层和第三层(21，23,25)为干层； -注入树脂； -使所述外部部分、中间部分和内部部分（15,17，19)整体经受周期的压力和温度，从而 加固所述复合层压材料(11)。9. 一种风力涡轮机叶片，所述叶片具有至少一个利用复合层压材料（11)制造的组件， 所述复合层压材料(11)包括： -外部部分（15)，包括复合材料第一层(21)和具有印刷电路的一个或多个功能层(31)， 用于吸收入射到所述复合层压材料(11)上的电磁辐射； -中间部分(17 )，包括复合材料第二层(23); -内部部分(19)，包括与所述中间部（17)相连续的导电层(41)和复合材料第三层(25); 其中，所述功能层(31)的电阻率值与所述中间部（17)的厚度被包括在预定范围内，用 于在S频段或X频段将复合层压材料(11)的电磁辐射的反射衰减至高达_20dB的峰值。10. 根据权利要求9所述的风力涡轮机叶片，其中： -所述第一层、第二层以及第三层(21，23,25)的复合材料的树脂是聚合物或环氧材料； -所述功能层（31)的电阻率在40-60 Ω/sq之间，并且所述中间部分（17)的厚度在9-Ilmm之间。11. 根据权利要求10所述的风力涡轮机叶片，其中，所述中间部分（17)的厚度在ιο? Imm之间。12. 根据权利要求11所述的风力涡轮机叶片，其中：所述第一层、第二层以及第三层 (21，23，25)的复合材料的纤维是玻璃纤维或碳纤维。13. 根据权利要求10所述的风力涡轮机叶片，其中，所述中间部分（17)包括并入其中的 陶瓷颗粒(29)。14. 根据权利要求13所述的风力涡轮机叶片，其中，所述陶瓷颗粒（29)是尺寸在20-500nm范围内的二氧化娃颗粒。15. 根据权利要求9所述的风力涡轮机叶片，其中，所述组件是所述叶片的壳体。
【文档编号】H01Q15/14GK105917526SQ201480058403
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2014年10月24日
【发明人】布什格尔·迪利普·坎和瑞, 何伟财, 武兴华, 蔡英记, 斯里坎斯·娜拉西玛鲁, 谢国祥, 陈忠, 何塞·路易斯·冈萨雷斯·摩瑞尔, 罗萨里奥·马第尼斯·奥蒂戈萨
【申请人】南洋理工大学, 歌美飒创新技术公司