Композиционный материал для сэндвич-структур и облегченная лопасть ветрогенератора на их основе
COMPOSITE MATERIAL FOR SANDWICH STRUCTURES AND WIND GENERATOR LIGHTWEIGHT BLADES BASED THEREON

Композиционный материал для сэндвич-структур и облегченная лопасть ветрогенератора на их основе, преимущественно могут использоваться в областях техники, где распространены конструкции из сэндвич-структур. Например, ветроэнергетика, авиация, автомобилестроение, кораблестроение, вагоностроение. Известны, множество решений для композиционных материалов, улучшающих их свойства. В диссертации кандидата химических наук Зараменских К.С. «Углеродные нанотрубки для керамических композитов» исследовано влияние концентрации углеродных нанотрубок. Получен композит с повышенным значением коэффициента интенсивности напряжений. Этот материал с сетчато-каркасным распределением углеродных нанотрубок по периферии кристаллов корунда. Что способствует уменьшению рекристаллизации и увеличению трещиностойкости в 1,5 раза. Коэффициент интенсивности напряжений оптимизирован при концентрации 0,2% углеродных нанотрубок. С диссертацией можно ознакомиться в Информационно-библиотечном центре РХТУ им. Д.И. Менделеева. Известен, патент на изобретение 2012 г. RU №2522884. Изобретение относится к области получения композиционных материалов на основе смол, диспергированных наномодификатором в виде углеродных нанотрубок, которые могут быть использованы для введения в высоковязкие основы при получении полимерных композиционных материалов широкого спектра применения. В качестве основы используют фурфуролацетоновую смолу. Углеродные нанотрубки вводят в основу в количестве 0,001-30 мас. %. Производятся, углепластик КМУ-7э, органопластик 16Т, стеклопластик ВПС-30. Эти композиционные материалы характеризуются высокими показателями статической прочности в направлении армирования, теплостойкостью, длительным ресурсом работы. Однако из-за низкой эластичности матрицы они обладают ограниченной прочностью в трансверсальном направлении.
Также пониженной выносливостью и живучестью в условиях динамического нагружения вследствие лавинообразного характера деградации по механизму многократного хрупкого разрушения. В патенте на изобретение 2004 г. RU №2254329, решены следующие задачи. Разработаны на основе модифицированной матрицы полимерных композитов, углепластиков, органопластиков и стеклопластиков с повышенной вязкостью разрушения, выносливостью и живучестью. Путем добавления в матрицу фуллерена С60 в количестве 10,2-60,6 мас. ч. на 100 мас. ч. эпоксидной основы. Существует патент на изобретение. Способ изготовления композиционного материала RU №2094229. 1991 г. Этот патент принят за прототип предлагаемой заявки. В патенте разработан способ изготовления композиционного материала. Путем размещения ленты, состоящей из непрерывных, продольно ориентированных волокон или нитей, с последующей пропиткой ее материалом матрицы. В качестве дискретного волокнистого наполнителя используют волокно, полученное измельчением ленты, состоящей из непрерывных, продольно ориентированных волокон или нитей. В качестве связующего, используют объемную мезофазу-пек, фуран, фуриловый спирт, фуриловый сложный эфир, полиарилацетилен, полибензимидазол, полифениленсульфид, эпоксидную смолу, полиамидную или фенольную смолу или их смеси. В матрицу добавляют углерод и соединения на основе кремния, полисилен или полисилазан. Диапазон состава от 30 до 50 объема ленты из волокон и от 10 до 25 объема равномерно распределенных частиц, остальное связующее. Отличием от описанных выше решений, предлагаемой заявки на изобретение, композиционный материал для сэндвич-структур и облегченная лопасть ветрогенератора на их основе, является комплексное применение многокомпонентных волокон и модификаторов. Композиционный материал изготавливается из смеси волокна сверхвысокомолекулярного полиэтилена в количестве от 10% до 50% объема или веса волокна, волокна стекла в количестве от 50% до 90% объема или веса волокна. Композиционный материал пропитывается матрицей из полимерного связующего модифицированого нано-наполнителями. С содержанием мультислойного графена от 0,02% до 0,2% от веса полимерного связующего, астралены от 0,002% до 0,02% от веса полимерного связующего, фуллерена от 0,002% до 0,02% от веса полимерного связующего, корундовых нано-трубок от 0,01% до 0,3% от веса полимерного связующего. Мультислойный графен, является универсальной добавкой, улучшающей физико-химические свойства композиционного материала. Добавка астрален это фуллероидное соединение, представляющие собой многослойные полиэдральные структуры из атомов углерода размером 80÷150 нм. В заявке на патент используется, как добавка-модификатор. Технический результат, осуществления заявки на изобретение заключается в увеличении срока эксплуатации, повышении надежности, удельной прочности и весовой эффективности изделий из сэндвич-структур с применением матрицы из нано-наполненного полимерного связующего. Известен способ изготовления лопасти винта вертолета из полимерных композиционных материалов лонжеронной конструкции. Заявка США US 2010/0266416 А1, 2010 г. Конструкция включает в себя D-образный лонжерон, хвостовой отсек из полимеров, размещенный между ними заполнитель из термореактивного полимерного материала и обшивку. Размещают верхние и нижние многослойные пакеты из термореактивного полимерного материала на соответствующих формах и спекают их, затем на формах размещают соответственно полученные верхнюю и нижнюю части обшивки, верхнюю и нижнюю части лонжерона и верхнюю и нижнюю части хвостового отсека и спекают.Недостатком такого технического решения является сравнительная механическая слабость термореактивного полимерного материала и наличие большого количества швов. Известна лопасть ветроэнергетической установки, срок эксплуатации которой увеличен за счет усложнения конструкции лопасти. Патент Германии DE 4225599, 1994 г. Лопасть по этому патенту состоит из двух частей - лобовой и хвостовой. Хвостовая часть заполнена пенопластом. Обе части лопасти, а также верхняя и нижняя оболочки ее соединены между собою с помощью клея и заклепок. Недостатком этого технического решения является, невысокая удельная прочность, так как лопасть утяжелена крепежными металлическими деталями. Для производства крупнейших в мире ветрогенераторов применяются лопасти В75 концерна Siemens, длинною 75 м. http://www.facepla.net/the-news/energy-news-mnu/2594-siemens-b75.html http://energysafe.ru/altemative_energy/altemative_energy/955/ Их изготавливают с использованием технического процесса «Integral Blade», патент концерна Siemens. Технический процесс позволяет изготовить лопасти в форме моноблочной конструкции без клеевых соединений на 20% легче по сравнению с традиционными аналогами. Процесс осуществляется вакуумированием стеклотканей и углетканей, конструкционного пенопласта или бальсы пропитанных полимерными смолами в металлических формах длиной около ста метров. Недостатком данной технологии является уникальность и эксклюзивность применяемых дорогостоящих материалов и оборудования, малый запас прочности конечного изделия. Экономическая эффективность реализации этого технического решения является не явной. Известен патент 2001 г. RU №2205130 «Лопасть ветрового колеса из композиционного материала и способ ее изготовления». Этот патент принят за прототип. Лопасть ветрового колеса из композиционных материалов на основе тканого наполнителя и полимерного связующего, выполняется выкладкой в виде двух полу оболочек. Внутренняя полость лопасти заполняется легким заполнителем пористой структуры. С этой целью используется пенополистирол ПСВ-А ОСТ 6-05-202-83 с размером гранул 5-6 мм либо стеклосферы (полые микросферы) с размером частиц от 50 до 500 мк, ТУ 6-48-168-94. В качестве тканой основы использовалась стеклоткань Э3-200, Т-10-80, Т10, Т14; углеродные ленты: ЛУ-2, ЛУ-3, ЭЛУР, ВМН-3, ВМН-4; органические волокна СВМ и ткани на их основе. В качестве связующего, использовалась смола К-115 ТУ 222-004-17411121-98 и отвердитель Л-20М ТУ 2433-360-09201208-96. В качестве связующего можно использовать полиэфирные насыщенные смолы ОСТ 6-05-431-78 г. инициатора - перекись бензола МРТУ-6-05-1122-68 г. и ускорителя - нафтенат кобальта ТУМХП 6-05-211-798-72 г. Кроме того, применялись полиэфирные связующие: ПН-1, ПН-3, ТУ 6-05-1082-76 и фенольные связующие: ФН ТУ 6-05-1187-75. Предлагаемое в патенте техническое решение основано на применении в качестве подкрепляющей силовой конструкции полистирол или стеклосферы. Эти подкрепляющие материалы применимы исключительно при малых нагрузках и в разы уступают по механическим качествам сотовым конструкциям. Перечисленные в патенте тканевые материалы для изготовления оболочки лопасти по своему весу на 30% тяжелее сверхвысокомолекулярного полиэтилена. Полимерные смолы, использованные в качестве связующего, морально устарели. Предлагаемое в заявке на изобретение техническое решение преодолевает указанные в перечисленных выше патентах недостатки. Облегченная лопасть ветрогенератора на основе композиционного материала из сэндвич-структур, содержит внешнюю оболочку, внутреннюю полость и заполнитель внутренней полости из многослойной сотовой конструкции с различным размером и толщиной стенки ячейки. Технический результат получается за счет применения композиционного материала. В состав, которого входят волокна сверхвысокомолекулярного полиэтилена и волокна стекла и полимерного связующего, модифицированного нано-наполнителями. Волокно из сверхвысокомолекулярного полиэтилена в сочетании с волокном из стекла, делает лопасть на 30% легче и дешевле чем лопасть, изготовленною исключительно из препрегов на основе стеклоткани и углеткани. Волокно из сверхвысокомолекулярного полиэтилена предварительно обрабатывается по принципу магнетронного распыления. Технический результат достигается за счет того, что в состав облегченной лопасти ветрогенератора входит внешняя оболочка, имеющая различную толщину, а внутренняя полость, рисунок 1, позиция 5, заполнена многослойной полимерной композиционной сотовой конструкцией. С сотовой ячейкой шестигранной формы и толщиной стенки от 0,2 мм до 0,5 мм. Для оптимизации аэродинамической формы и прочностных характеристик, толщина стенки внешней оболочки облегченной лопасти ветрогенератора, равномерно уменьшается от основания до ее окончания, рисунок 1 позиция 1. Толщина стенки внешней оболочки лопасти ветрогенератора определяется по формуле.
2
где: С - толщина оболочки в определяемом сечении лопасти; 21 - коэффициент корреляции; R - радиус ветроколеса, м; r - радиус определяемого сечения лопасти, м; V - скорость, ветра, м/с; σ- разрушающее напряжение на сжатие, кг/см. Многослойная полимерная композиционная сотовая конструкция, заполняющая внутреннюю полость облегченной лопасти ветрогенератора, приклеена к стенкам внутренней полости облегченной лопасти ветрогенератора. Имеет геометрические размеры соответствующие внутренней полости. Состоит из нескольких слоев сот наложенных друг на друга и склеенных между собой через перегородочный лист из композиционного материала. Многослойная полимерная композиционная сотовая конструкция, в первом слое имеет размер стороны основания сотовой ячейки от 5 мм до 15 мм, во втором слое, имеет размер стороны основания сотовой ячейки от 15 мм до 30 мм.
Первый и второй слои многослойной полимерной композиционной сотовой конструкция, изготовлены методом склеивания гофрированного листа. Многослойная полимерная композиционная сотовая конструкция, в третьем слое, имеет размер стороны основания сотовой ячейки от 10 мм до 100 мм. Занимает от 50% до 75% длины внутренней полости облегченной лопасти ветрогенератора. Третий слой полимерной сотовой конструкции изготовлен монолитным формованием с применением формообразующих элементов. Предлагаемую в заявке на патент облегченную лопасть ветрогенератора изготавливают в следующей последовательности. В двух формах, по одинаковой технологии изготавливаются две полу-лопасти. Для формирования полу-лопасти, на форму наносят разделительный состав и слой гелькоута. Затем формируется внешняя оболочка облегченной лопасти ветрогенератора, путем нанесения композиционной смеси из рубленного стеклянного волокна и полимерного связующего. После отверждения, на поверхность оболочки облегченной лопасти ветрогенератора наносят полиуретановый клеевой состав и укладывают первый слой сотового наполнителя на рисунке 1 позиция 3. На сотовый наполнитель укладывается перегородочный лист из композиционного материала, на рисунке 1 позиция 6, с нанесенным полиуретановым клеевым составом. На перегородочный лист композиционного материала наносят полиуретановый клеевой состав и укладывают второй слой сотового наполнителя, на рисунке 1 позиция 4. Первый и второй слои сотового наполнителя укладываются на всю длину внутренней полости облегченной лопасти ветрогенератора. Аналогично укладывается перегородочный лист композиционного материала. Третий слой сотового наполнителя, на рисунке 1 позиция 2, укладывается на перегородочный лист композиционного материала и занимает, от 50% до 75% длинны внутренней полости. Во второй форме проделывают аналогичные операции, за исключением установки третьего слоя сотового наполнителя, так как он уже установлен в первой форме. Первую и вторую формы замыкают между собой и помещают в автоклав для склеивания и отверждения. Техническая выполнимость предложенного в заявке изобретения подтверждается успешным выполнением комплексного проекта по созданию высокотехнологичного производства с участием российского высшего учебного заведения. По теме «Разработка и постановка на производство отечественных полимерных композиционных материалов сотовой конструкции, модифицированных фуллеренами, наночастицами оксида кремния и армированных плазмообработанным стеклоровингом для изготовления изделий широкого спектра применения». Договор с Минобрнауки России от 01 октября 2014 г. №02.G25.31.0128.