一种多层结构组成的复合材料及其制备方法和风轮叶片与流程

本发明涉及复合材料领域，尤其涉及一种多层结构组成的复合材料及其制备方法和风轮叶片。

背景技术：

1、风轮发电机是指风轮在升力的作用下产生旋转运动，依靠风轮的旋转带动电机旋转发电，把机械能转化为电能的一种发电机。因此，风轮机叶片要具有较高的强度和硬度，能够承受较高的工作温度和压力；并具有较好的耐磨和耐腐蚀性能。风轮机叶片材料主要分为纤维复合材料和金属材料，金属材料叶片强度、刚度以及疲劳和腐蚀性能都比较优秀，具有良好的加工性和可塑性，也易于回收和再利用，具有较好的环保性能。纤维复合材料是指将纤维与树脂等有机物共同组成的复合材料，其中纤维包括玻璃纤维、碳纤维以及棉花纤维制成的棉线，通过浸渍酚醛树脂、环氧树脂或聚酯树脂制备成复合材料。

2、合金材料的风轮机叶片导热性高，易受环境温度影响，工作效率不稳定；同时耐磨性弱，长时间使用容易在高温环境下变形或被氧化，影响叶片的使用寿命；合金材料的成本也较高，限制了合金材料在其领域的广泛应用。纤维材料具有重量轻、强度高、刚度好、耐腐蚀好等特点，从而得到了广泛的使用。

3、cn102358047b公开了一种利用真空吸注制作风轮叶片的方法。该方法包括：将玻璃纤维铺层铺设在表面设有脱模布的特定叶片模具中；在所述玻璃纤维铺层表面铺设脱模布、隔离膜、导流网、用于吸附气泡且具有特定渗透率的气泡吸附层；利用密封膜将所述特定叶片模具进行密封处理；将输送树脂混合物的注胶管插入到所述密封膜以下；对密封处理后的特定叶片模具抽真空，以引导所述树脂混合物在真空负压作用下被吸注进入所述玻璃纤维铺层中，经过固化后，进而形成所需的风轮叶片。

4、cn102187091b公开了一种风轮机叶片，该风轮机具有末端和根部并且包括至少一个由纤维复合材料形成的组件，所述纤维复合材料是指由其内分布有加强纤维的树脂组成的材料，所述纤维复合材料包括弹性模量彼此不同的两种或多种不同类型的碳纤维。所述不同类型的纤维的比例沿叶片的纵向方向变化使得纤维复合材料的弹性模量朝向叶片的末端增加。

5、玻璃纤维加强复合材料通常用于制造风轮机叶片。但是，为得到较长和/或较窄的叶片所需的更高水平的刚度，需要使用大量的玻璃纤维。这致使叶片较重，叶片的效率降低，且会出现分层。棉线制成的复合材料存在强度低、耐磨性能低等缺点，在使用过程中极易出现磨损失效、磨损导致材料折断等问题，这就导致该材料使用的寿命大大缩短，提高了使用成本。目前使用棉线布与酚醛树制作的复合材料寿命大致为15天左右，更换频繁。本领域技术人员曾使用芳纶纤维替换普通棉布纤维，制备复合材料用作风轮机叶片。

6、cn101538398a公开了一种芳纶纤维/环氧树脂复合材料的制备方法，首先对芳纶纤维进行马来酸酐接枝改性处理;然后将处理后的芳纶纤维同环氧树脂复合，进行机械共混，控制芳纶纤维的重量百分比为混合粉料的10-20%，再将混合粉料放入不锈钢模具中压制成型，经过高温烧结制成马来酸酐接枝改性芳纶纤维/环氧树脂复合材料。

7、芳纶纤维复合材料的耐用性较高，力学性能较好，但芳纶纤维复合材料的模量高，在切割过程中会出现毛边，使复合材料更容易磨损，会降低材料的使用寿命，在复合材料额度加工过程中产生的毛边飞丝也会在切割过程中进入人体，对人体健康有害。

8、在现有技术中的风轮机叶片一般为纤维浸渍的树脂材料，但由于风轮机叶片使用过程中持续进行旋转，因此对材料的耐磨性及力学性能要求较高，纤维、棉布等材料在使用过程中力学性能差、耐用性低、工作效率低等，仍是亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、针对以上问题，本发明提供一种多层结构组成的复合材料及其制备方法和风轮叶片，所述复合材料具有高耐磨性、高力学性能和高耐温性，且使用寿命长。

2、本发明提供一种多层结构组成的复合材料，所述复合材料由耐磨层、增强层和填充层加压固化制备而成；所述复合材料的拉伸强度为259.7-264.9mpa、最大载荷为13122.7-25975.2n、断裂强度为259.7-264.9mpa、层间剪切强度为29.8-30.6mpa；所述复合材料的磨损率为4.3-6.5%，所述复合材料的使用寿命为59-68天，所述复合材料的热变形温度＞200℃、阻燃等级为v0；所述耐磨层由间位芳纶纤维布和棉线布浸渍树脂后加压预固化制备而成，所述增强层由对位芳纶纤维布和棉线布浸渍树脂后加压预固化制备而成，所述填充层由棉线布浸渍树脂后加压预固化制备而成。

3、本发明还提供一种所述复合材料的制备方法，包括以下步骤：

4、步骤1、将间位芳纶纤维布浸泡在去离子水中，取出经第一次烘干后，在室温下使用活化液洗涤，取出经第二次烘干后，得到活化间位芳纶纤维布；

5、将所述活化间位芳纶纤维布与棉线布分别浸渍树脂，并将浸渍树脂后的所述活化间位芳纶纤维布与浸渍树脂后的所述棉线布叠放入热压机中加压预固化，得到耐磨层；

6、步骤2、将对位芳纶纤维布浸泡在去离子水中，取出经第一次烘干后，在室温下使用活化液洗涤，取出经第二次烘干后，得到活化对位芳纶纤维布；

7、将所述活化对位芳纶纤维布与棉线布分别浸渍树脂，并将浸渍树脂后的所述活化对位芳纶纤维布与浸渍树脂后的所述棉线布叠放入热压机中加压预固化，得到增强层；

8、步骤3、将棉线布浸渍树脂，并将浸渍树脂后的所述棉线布放入热压机中加压预固化，得到填充层；

9、步骤4、将所述耐磨层、所述增强层和所述填充层叠放入热压机中加压固化，得到所述复合材料。

10、进一步地，所述步骤1中所述间位芳纶纤维布的密度为200-240g/m2，间位芳纶纤维布的断裂强力为1200-2000n/50m。

11、进一步地，所述步骤1中所述去离子水的温度为30-60℃，浸泡的时间为30-60s。

12、进一步地，所述步骤1中所述第一次烘干的温度为90-120℃，第一次烘干的时间为1.5-2h。

13、进一步地，所述步骤1中所述活化液由己内酰胺封闭性二苯基甲烷二异氰酸酯、山梨醇缩水甘油醚和去离子水按质量比为4：2：90组成。

14、进一步地，所述步骤1中所述活化液洗涤的时间为5-10s。

15、进一步地，所述步骤1中所述第二次烘干的温度为150-230℃，第二次烘干的时间为60-70s。

16、进一步地，所述步骤1中所述树脂为环氧树脂或酚醛树脂中的一种或几种，树脂的25℃混合粘度为200-1100mpa·s。

17、进一步地，所述步骤1中所述叠放的方式为：下层为浸渍树脂后的活化间位芳纶纤维布、中间层为浸渍树脂后的棉线布、上层为浸渍树脂后的活化间位芳纶纤维布；所述下层中浸渍树脂后的活化间位芳纶纤维布的层数为1-2层，所述中间层中浸渍树脂后的棉线布的层数为2-4层，所述上层中浸渍树脂后的活化间位芳纶纤维布的层数为1-2层；所述树脂的质量为所述间位芳纶纤维布与所述棉线布总质量的20-40%，浸渍过程中，所述活化间位芳纶纤维布和所述棉线布分别在所述树脂中浸渍。

18、进一步地，所述步骤1中所述浸渍的时间为30-60s。

19、进一步地，所述步骤1中所述热压机的压力为1-1.2mpa，热压机的温度为60-70℃。

20、进一步地，所述步骤1中所述预固化的时间为60-80min。

21、进一步地，所述步骤1中所述耐磨层中所述间位芳纶纤维布表面与所述树脂发生交联反应，提高了所述耐磨层的粘结力，且浸渍树脂后的间位芳纶纤维布增强了其耐磨性。

22、进一步地，所述步骤2中所述对位芳纶纤维布的密度为200-220g/m2，对位芳纶纤维布的断裂强力为7000-8500n/50m。

23、进一步地，所述步骤2中所述去离子水的温度为30-60℃，浸泡的时间为30-60s。

24、进一步地，所述步骤2中所述第一次烘干的温度为90-120℃，第一次烘干的时间为1.5-2h。

25、进一步地，所述步骤2中所述活化液由己内酰胺封闭性二苯基甲烷二异氰酸酯、山梨醇缩水甘油醚和去离子水按质量比为4：2：90组成。

26、进一步地，所述步骤2中所述活化液洗涤的时间为5-10s。

27、进一步地，所述步骤2中所述第二次烘干的温度为150-230℃，第二次烘干的时间为60-70s。

28、进一步地，所述步骤2中所述树脂为环氧树脂或酚醛树脂中的一种或几种，树脂的25℃混合粘度为200-1100mpa·s。

29、进一步地，所述步骤2中所述叠放的方式为：下层为浸渍树脂后的活化对位芳纶纤维布、中间层为浸渍树脂后的棉线布、上层为浸渍树脂后的活化对位芳纶纤维布；所述下层中浸渍树脂后的活化对位芳纶纤维布的层数为1-2层，所述中间层中浸渍树脂后的棉线布的层数为2-4层，所述上层中浸渍树脂后的活化对位芳纶纤维布的层数为1-2层；所述树脂的质量为所述对位芳纶纤维布与所述棉线布总质量的20-40%，浸渍过程中，所述活化对位芳纶纤维布和所述棉线布分别在所述树脂中浸渍。

30、进一步地，所述步骤2中所述浸渍的时间为30-60s。

31、进一步地，所述步骤2中所述热压机的压力为1-1.4mpa，热压机的温度为60-70℃。

32、进一步地，所述步骤2中所述预固化的时间为60-80min。

33、进一步地，所述步骤2中所述增强层中所述对位芳纶纤维布与所述树脂发生化学接枝，提高了增强层的粘结力，所述增强层与所述耐磨层粘结，起到抗弯折、避免材料弯折失效的作用。

34、进一步地，所述步骤3中所述棉线布的密度为100-120g/m2。

35、进一步地，所述步骤3中所述树脂为环氧树脂或酚醛树脂中的一种或几种，树脂的25℃混合粘度为200-1100mpa·s。

36、进一步地，所述步骤3中所述填充层中棉线布的层数为5层。

37、进一步地，所述步骤3中所述树脂的质量为所述棉线布总质量的20-40%。

38、进一步地，所述步骤3中所述浸渍的时间为30-60s。

39、进一步地，所述步骤3中所述热压机的压力为0.8-1mpa，热压机的温度为60-120℃。

40、进一步地，所述步骤3中所述预固化的时间为30-60min。

41、进一步地，所述步骤4中所述叠放的层数为5层，叠放的方式为：由下至上分别为耐磨层、增强层、填充层、增强层和耐磨层。

42、进一步地，所述步骤4中所述热压机的压力为1.2-1.6mpa，热压机的温度为100-150℃。

43、进一步地，所述步骤4中所述固化的时间为120-150min。

44、进一步地，所述步骤4中所述复合材料的厚度为2-3.5mm。

45、本发明还提供一种风轮叶片，所述风轮叶片由所述多层结构组成的复合材料制成。

46、本发明的有益效果：

47、1、本发明中耐磨层由间位芳纶纤维布及棉线布铺叠而成，具有优良的耐磨性能；增强层由对位芳纶纤维布及棉线布铺叠而成，对材料整体起到了骨架作用，起到了增强的效果；填充层由棉线布铺叠而成，其中纺织棉线布起改善切割效果和降成本的作用；

48、2、本发明所述多层结构组成的复合材料由耐磨层、增强层和填充层组成，其中耐磨层设置于所述复合材料的表层，耐磨；所述增强层为所述复合材料内层，力学性能强，填充层连接两侧的增强成，所述耐磨层、增强层和填充层共同经过热压固化，制备得到高耐磨性、高力学性能和高耐温性，且使用寿命长的复合材料；

49、3、本发明所述多层结构组成的复合材料提高了材料的耐磨性能以及强度，从而延长使用寿命；同时填充层又降低了材料的制造成本，实现低成本、长寿命效果；

50、4、本发明所述多层结构组成的复合材料，采用预成型法，首先将各层用树脂充分浸润，放入热压机预热使其预固化，其次各层间再进行浸润、固化，保证各层充分发挥作用的同时，提高了各纤维布间的粘接能力，避免使用过程中出现分层导致失效；

51、5、本发明所述多层结构组成的复合材料，对耐磨层及增强层中的芳纶纤维进行预处理，可提高芳纶纤维表面活性，从而提高纤维与树脂间的粘合，提高界面性能，防止材料在使用过程中因界面分离导致失效；

52、6、本发明所述多层结构组成的复合材料，与市面上普通产品相比，具有优异的耐紫外线能力、耐高温能力、阻燃能力等。

53、