專利名稱：具有改善特性的外表面的風(fēng)輪機(jī)葉片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
根據(jù)權(quán)利要求I中的前序部分，本發(fā)明涉及一種包括外表面的風(fēng)輪機(jī)葉片，當(dāng)物體的外表面經(jīng)受氣流時(shí)，該外表面用作空氣動(dòng)力表面。本發(fā)明主要涉及在風(fēng)輪機(jī)工業(yè)中由復(fù)合材料制造商制造的風(fēng)輪機(jī) 葉片，其中，該風(fēng)輪機(jī)葉片設(shè)計(jì)有空氣動(dòng)力表面。
背景技術(shù)：
部件例如那種具有空氣動(dòng)力功能的風(fēng)輪機(jī)葉片的復(fù)合材料機(jī)體結(jié)構(gòu)被設(shè)計(jì)并制造為具有某種影響風(fēng)輪機(jī)葉片蒙皮表面(即外表面)之上的氣流的表面紋理/粗糙度、容許的梯級(jí)、間隙和波紋。如今使用的產(chǎn)生這種表面粗糙的材料及制造技術(shù)限制了風(fēng)力發(fā)電站的空氣動(dòng)力效率。通過當(dāng)前的將覆層(漆層)應(yīng)用于機(jī)體上以提供光滑的保護(hù)蒙皮表面的標(biāo)準(zhǔn)程序并未使該狀況得到改善。風(fēng)輪機(jī)葉片的蒙皮表面也傾向于由于例如在風(fēng)輪機(jī)葉片的制造期間聚合材料的固化收縮而產(chǎn)生表面缺陷，并且該蒙皮外表面還可能在風(fēng)輪機(jī)葉片的使用期間暴露于撞擊和損害。如今存在不同類型的風(fēng)輪機(jī)葉片蒙皮覆層，例如具有強(qiáng)度特性的涂料覆層、用于保護(hù)并保持外表面的光滑從而促進(jìn)風(fēng)輪機(jī)葉片在使用期間的空氣動(dòng)力性能的涂料系統(tǒng)。如今，在風(fēng)力發(fā)電廠工業(yè)中存在為了產(chǎn)生更高效的風(fēng)力電力站的研究和開發(fā)努力。一個(gè)解決方案是開發(fā)風(fēng)力發(fā)電廠的發(fā)電機(jī)以使得它們更高效。在本發(fā)明中提出的另一個(gè)可能的解決方案是改善風(fēng)輪機(jī)葉片的空氣動(dòng)力效率。由于制造方法不足以及操作性使用(雨水以及沙侵蝕等)，當(dāng)前技術(shù)的以現(xiàn)有制造方法由鋁、碳纖維復(fù)合材料、陶瓷以及其他的材料制成的風(fēng)輪機(jī)葉片部件存在明顯的表面粗糙度、梯級(jí)、間隙和波紋等。對(duì)于聚合物基纖維復(fù)合材料的空氣動(dòng)力表面例如風(fēng)輪機(jī)葉片蒙皮，外表面層由非增強(qiáng)型塑性材料構(gòu)成，通常由一層涂料覆蓋。由于多種起作用的效果例如聚合材料的固化收縮、樹脂在表面層中的不均勻分布(富樹脂區(qū)域)以及表面材料的不同的熱延伸率，表面層將產(chǎn)生明顯的表面粗糙度。當(dāng)前使用的技術(shù)還導(dǎo)致具有這樣的外表面的表面層該外表面傾向于在部件的制造期間產(chǎn)生表面缺陷、在使用期間由于侵蝕而產(chǎn)生損壞、以及產(chǎn)生其他的縮短風(fēng)輪機(jī)葉片表面的使用壽命以及(主要關(guān)注點(diǎn))降低空氣動(dòng)力效率的特性。當(dāng)前所使用的技術(shù)的所述缺點(diǎn)對(duì)于所有類型的空氣動(dòng)力機(jī)體部件例如風(fēng)輪機(jī)葉片的小翼等也是有效的。納米結(jié)構(gòu)技術(shù)(例如在聚合物材料中的納米纖維/管)是風(fēng)力復(fù)合材料工業(yè)感興趣的新興技術(shù)。這是由于嵌入到聚合物材料中的納米纖維/管的高強(qiáng)度和硬度以及其他的特性例如低熱延伸率。W02008/070151公開了一種風(fēng)力發(fā)電站塔，其包括納米管樹脂的轉(zhuǎn)子葉片。
期望的是以有效的方式在層壓材料的制造期間提供并保持層壓材料的風(fēng)輪機(jī)葉片的外表面的光滑度。還期望在風(fēng)輪機(jī)葉片的服務(wù)和/或使用期間保持外表面的光滑度。因此，如果外表面在整個(gè)使用壽命期間是光滑的，則對(duì)于風(fēng)輪機(jī)葉片的空氣動(dòng)力效率是有益的，由此促進(jìn)具有長(zhǎng)壽命期限的高效的風(fēng)力發(fā)電站。還期望提供具有生產(chǎn)成本效益的風(fēng)輪機(jī)葉片，該風(fēng)輪機(jī)葉片本身對(duì)生產(chǎn)期間在外表面上的損壞具有抵抗力，并且該風(fēng)輪機(jī)葉片具有堅(jiān)硬、光滑且構(gòu)型穩(wěn)定的外表面。一個(gè)目標(biāo)是使風(fēng)輪機(jī)葉片的維護(hù)成本最小化，同時(shí)實(shí)現(xiàn)與風(fēng)力發(fā)電站的作用相關(guān)的提聞的效率。另一個(gè)目標(biāo)是還消除已知技術(shù)的缺點(diǎn)并通過有效的生產(chǎn)來改善物體的特性。

發(fā)明內(nèi)容
這已經(jīng)通過以在由權(quán)利要求I的特征部分的特征為特征的導(dǎo)言中所限定的風(fēng)輪機(jī)葉片而得以實(shí)現(xiàn)。 以這樣的方式，實(shí)現(xiàn)了具有改善特性的風(fēng)輪機(jī)葉片(在導(dǎo)言中討論)。通過納米絲的單向定向，將提供層壓板的有效生產(chǎn)。這可以通過呈納米結(jié)構(gòu)簇的形式的上層片而實(shí)現(xiàn)，該納米結(jié)構(gòu)簇嵌入到樹脂中并具有在平面中隨機(jī)定向的細(xì)絲，使得細(xì)絲與該上表面的平面相平行。該生產(chǎn)包括將樹脂(用作嵌入納米絲的基體)引入到納米絲簇中或者引入到分離的單向納米絲之間的步驟。二維延伸或一維延伸的納米絲因此設(shè)置為彼此平行，以便在層壓板的生產(chǎn)期間樹脂的最佳填充。樹脂的引入將不受阻塞或阻礙并且樹脂將填充納米絲之間的所有空間。因而，外表面將是光滑的、堅(jiān)硬的和構(gòu)型穩(wěn)定的。由此提供了用于設(shè)計(jì)和制造相比于現(xiàn)有技術(shù)表面在形狀和表面質(zhì)量上完美得多的空氣動(dòng)力表面的材料和方法。與在現(xiàn)存技術(shù)表面的情況下的可能相比，這些改善質(zhì)量的表面更大程度地支持引入層流風(fēng)輪機(jī)葉片部件。以這樣的方式實(shí)現(xiàn)了 風(fēng)輪機(jī)葉片的外表面(空氣動(dòng)力表面)近乎完美的形狀和表面質(zhì)量以及與現(xiàn)存技術(shù)的表面相比的更強(qiáng)的耐損壞性、持久性和硬度。因此，在風(fēng)輪機(jī)葉片的制造期間在不同層片中的樹脂最終的固化收縮、以及在制造期間在外層片中的樹脂最終的不均勻分布和外層片或多個(gè)層片中不同的熱延伸將不再影響蒙皮表面的光滑性，這是由于嵌入在外層片/層片中的納米結(jié)構(gòu)將使得外表面變堅(jiān)硬而抵擋最終的固化收縮力。層壓板的樹脂基體將不具有氣袋或樹脂的不均勻分布，這是通過使層片中的細(xì)絲具有相對(duì)于層壓板的外表面的平面相同的定向而實(shí)現(xiàn)的，其中，樹脂在層壓板的制造期間將有效地填充納米絲之間的間隙。通過形成層片的層壓板的風(fēng)輪機(jī)葉片、每個(gè)層片具有特定的纖維定向以使得層片一起形成風(fēng)輪機(jī)葉片結(jié)構(gòu)、并且外層片設(shè)置有納米結(jié)構(gòu)，風(fēng)輪機(jī)葉片將因而具有光滑及堅(jiān)硬的空氣動(dòng)力表面。該風(fēng)輪機(jī)葉片因而能抵抗在外表面中的裂縫并且能抵抗在其使用中的侵蝕。因而本方案將獲得具有長(zhǎng)的使用年限的光滑外表面，這是節(jié)約能量并且是有效率的。替代性地，外層片包括納米結(jié)構(gòu)，納米結(jié)構(gòu)以如下方式嵌入外層片中使得層片中的納米結(jié)構(gòu)的納米絲相對(duì)于外表面的平面具有相同的角度定向，這意味著納米絲能夠被定向?yàn)槠叫泄裁娴幕蛘咴谄叫械钠矫嬷校蛘咭馕吨{米絲能夠在至少一個(gè)平面中具有不同的定向、但具有平行于所述平面的延伸或相對(duì)于所述平面成角度。
替代性地，納米結(jié)構(gòu)的至少一部分暴露于外表面中。部分暴露在風(fēng)輪機(jī)葉片的外表面中以及嵌入到外層片中的納米結(jié)構(gòu)帶來了這樣的效果就熱延伸而言，外層片與玻璃纖維增強(qiáng)塑料(GFRP)和碳纖維增強(qiáng)塑料(CFRP)的結(jié)構(gòu)都是相適宜的。如今用于增加層流的常規(guī)的外表面膜或?qū)悠?例如普通的涂料)經(jīng)常不具有增強(qiáng)件，這使其由于外層片較高的熱膨脹而與GFRP和CFRP幾乎不相適宜，這可引起剝
離、裂縫等。納米結(jié)構(gòu)的細(xì)絲各自包括延伸的納米絲，該納米絲包括第一端部和第二端部。該納米結(jié)構(gòu)適當(dāng)?shù)夭糠直┞队谕獗砻嬷?，使得納米結(jié)構(gòu)的一部分包括暴露于外表面中的第一端部。納米結(jié)構(gòu)可包括碳納米管、碳納米纖維、碳納米管線等。除了具有恒定的或接近恒定的厚度的在空氣動(dòng)力方面高效的表面覆層之外，CNT 增強(qiáng)表面材料還能夠替代性地應(yīng)用為有紋理的或具有微小結(jié)構(gòu)的表面層被應(yīng)用，即所謂的肋條。該肋條技術(shù)是基于現(xiàn)有知識(shí)的，但CNT增強(qiáng)材料可用來實(shí)現(xiàn)這種具有耐久的、光滑的外表面的表面紋理。這是通過前面提到的改善的材料特性例如抗腐蝕性、硬度、圖案準(zhǔn)確性、剛度以及其他的由于將CNT用作為增強(qiáng)材料而獲得的功能特性而得以實(shí)現(xiàn)的。以這樣的方式，覆層的外表面實(shí)現(xiàn)改善風(fēng)輪機(jī)葉片的空氣動(dòng)力特性，例如，提高效率等。覆層的納米結(jié)構(gòu)能夠應(yīng)用于風(fēng)輪機(jī)葉片的一部分上或所有部分上，也能應(yīng)用于使用機(jī)械緊固件的區(qū)域中，以便覆蓋這些緊固件并使在層流區(qū)域中具有機(jī)械緊固件所引起的消極的空氣動(dòng)力作用減小。適合地，外層片為包括至少兩個(gè)層片的層壓板的層片，其中，每個(gè)層片包括大纖維(例如碳纖維或玻璃纖維)，所述大纖維具有與相鄰的層片的大纖維的纖維定向不同或相同的纖維定向。以這樣的方式，在層壓板的制造期間，由于樹脂的最終的不均勻分布以及在風(fēng)輪機(jī)葉片殼體的制造期間在層片中的不同的熱延伸所引起的樹脂在不同的層片中的最終的固化收縮將因而不會(huì)影響外表面的光滑度。優(yōu)選地，納米結(jié)構(gòu)在外層片中非常密集以使其盡可能的堅(jiān)硬，但納米結(jié)構(gòu)不會(huì)密集到使其失去導(dǎo)電性。因而，堅(jiān)硬且光滑的空氣動(dòng)力表面適合于用作風(fēng)輪機(jī)葉片的雷電保護(hù)。用于雷電保護(hù)功能的、包含傳導(dǎo)性納米結(jié)構(gòu)的有效系統(tǒng)將基于這樣的事實(shí)來設(shè)計(jì)使用了這些填充料的疏松材料例如聚合體的導(dǎo)電性將隨著填充料的含量而變化。根據(jù)特定的條件，這種系統(tǒng)的導(dǎo)電性可例如隨著CNT填充料的含量而增加或減少。替代性地，納米結(jié)構(gòu)位于葉片頂端的區(qū)域中。以這樣的方式，能夠更安靜地使用風(fēng)力發(fā)電站，這是由于就葉片頂端而言較高的速度是適當(dāng)?shù)?。因而能夠在速度最高的位置處產(chǎn)生層流，其中，沒有紊流，提供了安靜的操作。生產(chǎn)這種風(fēng)輪機(jī)葉片是有成本效益的。替代性地，納米結(jié)構(gòu)的絲定向?yàn)闄M向于外表面的平面。以這樣的方式，風(fēng)輪機(jī)葉片的機(jī)械強(qiáng)度在橫向于層壓板的平面的方向(Z-方向)上得到提高。因而，實(shí)現(xiàn)了該層壓板的額外的強(qiáng)度，對(duì)與層壓板的平面的延伸相平行地延伸的大纖維的強(qiáng)度進(jìn)行補(bǔ)充。
適合地，納米結(jié)構(gòu)的絲定向?yàn)橄鄬?duì)于外表面的平面傾斜。以這樣的方式，納米結(jié)構(gòu)既有助于在z方向上的增強(qiáng)，還促進(jìn)了有益于雷電保護(hù)的導(dǎo)電性。優(yōu)選地，納米結(jié)構(gòu)的絲定向?yàn)槠叫杏谕獗砻娴钠矫?。以這樣的方式，能夠在納米結(jié)構(gòu)的在外表面中的最終暴露的納米絲(S卩，從細(xì)絲的第一端部延伸至第二端部的細(xì)絲的區(qū)段可能暴露)為提供長(zhǎng)期的光滑度的外表面硬度做出貢獻(xiàn)的同時(shí)使導(dǎo)電性最佳，因而促進(jìn)了高效的風(fēng)力發(fā)電站。替代性地，納米結(jié)構(gòu)包括碳納米管。因而，為外表面實(shí)現(xiàn)了適當(dāng)限定的納米結(jié)構(gòu)，該納米結(jié)構(gòu)具有最佳的機(jī)械強(qiáng)度和其他的特性(堅(jiān)硬度、熱膨脹等)，這些特性在應(yīng)用中是重要的。碳納米管的適當(dāng)限定的尺寸促進(jìn)能夠盡可能薄的納米結(jié)構(gòu)層。 優(yōu)選地，納米絲(CNT、納米纖維、納米多層絲、納米雙層絲、納米線等)具有小于或等于0. 125mm的長(zhǎng)度。這適用于普通的使用在飛機(jī)的生產(chǎn)中的厚度為0. 125mm的預(yù)浸層片。如果是傾斜的，或者是在使用定向的納米絲的平面中，該長(zhǎng)度優(yōu)選為更長(zhǎng)。納米的限定意味著細(xì)絲微粒具有至少一個(gè)不大于200nm的尺寸。Inm (納米)定義為1(T9米(0. 000000001米)。優(yōu)選地，多層納米管的直徑為15-35nm，適合地為18-22nm。適合地，單層納米管的直徑為 I. 2-1. 7nm，優(yōu)選地為 I. 35-1. 45nm。適合地，碳納米管為對(duì)齊的碳納米管的林狀簇的形狀。可通過為高效而獲得CNT的生長(zhǎng)林的新興的CNT技術(shù)來生產(chǎn)CNT(碳納米管)。已知CNT能生長(zhǎng)為具有豎直的、傾斜的或水平設(shè)置的納米管的“林”的形狀(成簇的對(duì)齊的CNT)。這些設(shè)置的組合也是可能的，例如兩個(gè)或更多的單獨(dú)的層彼此上下疊置。還可使CNT生長(zhǎng)為適當(dāng)限定的圖案，適于期望的應(yīng)用。在該申請(qǐng)中，術(shù)語CNT包括所用類型的碳納米管。這些碳納米管可以是單層的、雙層的或多層的納米管。此外，可以使用類CNT材料如石墨烯、石墨化炭黑(grapheme)和類似的具有適合的電特性的碳基材料。這包括設(shè)置在外表面的平面中或相對(duì)于該平面成適合的角度設(shè)置的單層或多層。CNT以及上述類似的材料具有非常良好的導(dǎo)電性并且因而非常適于物體的雷電保護(hù)功能。


現(xiàn)在將參照附隨的示意圖以示例的方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)行描述，附圖中圖I示出了風(fēng)輪機(jī)葉片的截面，包括樹脂基體，該樹脂基體具有外層片，該外層片包括暴露于外表面中的納米結(jié)構(gòu)；圖2a_2g不出了根據(jù)多種應(yīng)用的外表面覆層的截面部分；圖3示出了包括雷電保護(hù)外表面的風(fēng)輪機(jī)葉片的一部分的截面；圖4示出了從上方所見的圖3中的外表面的放大部分；圖5示出了直接從上層片的大纖維生長(zhǎng)為“林”的傾斜的CNT的截面；圖6示出了風(fēng)輪機(jī)葉片；圖7a_7b示出了包括納米纖維的外表面；圖8a示出了暴露于物體的外表面中的橫向(在z方向上)定向的CNT的區(qū)段的立體圖8b示出了在圖8a中的物體的截面；圖9a_9b示出了風(fēng)輪機(jī)葉片的實(shí)施方式；圖10示出了層壓板，該層壓板包括增強(qiáng)外表面和位于層壓板的下側(cè)的納米結(jié)構(gòu)增強(qiáng)層，其用于在層壓板的生產(chǎn)期間避免所謂的反彈效應(yīng)；圖Ila示出了現(xiàn)有技術(shù)中的層壓板；圖Ilb示出了根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方式的層壓板。
具體實(shí)施例方式在下文中，將參照附圖詳細(xì)地描述本發(fā)明的實(shí)施方式，其中 ，為了清楚以及對(duì)本發(fā)明的理解，從附圖中刪除了一些不重要的細(xì)節(jié)。另外，示例圖示出了不同類型的納米結(jié)構(gòu)，為了理解本發(fā)明而以極度夸張及示意性的方式示出。另外為了理解傳導(dǎo)性納米絲的定向和對(duì)準(zhǔn)，在附圖中夸張地示出傳導(dǎo)性納米結(jié)構(gòu)。圖I示出了具有空氣動(dòng)力功能的復(fù)合風(fēng)輪機(jī)葉片結(jié)構(gòu)I的截面。風(fēng)輪機(jī)葉片殼體3由樹脂基體制成，其包括層片7的層壓板5。每個(gè)層片7包括具有與相鄰層片的大纖維(大纖維的直徑約為6-8微米)定向不同或相同的定向的纖維9 (在本發(fā)明申請(qǐng)中也稱作大纖維或傳統(tǒng)層壓板增強(qiáng)纖維)。層壓板5的外層片Pl形成外表面Ilo外層片Pl包括定向?yàn)樵诘谝环较蛏掀叫杏谕獗砻?1的大纖維9，在外層片Pl之下的第二層片P2包括也與外表面11平行布置但相對(duì)于第一方向呈90度方向的大纖維9。下一層P3包括相對(duì)于第一方向呈45度方向的大纖維9。在風(fēng)輪機(jī)葉片結(jié)構(gòu)I經(jīng)受氣流a時(shí)用作空氣動(dòng)力表面的風(fēng)輪機(jī)葉片的外表面11設(shè)置有納米結(jié)構(gòu)13，該納米結(jié)構(gòu)13包括碳納米管(CNT) 15。CNT 15嵌入上層片Pl中，使得納米結(jié)構(gòu)13的至少一部分暴露在外表面11中。CNT 15基本上相對(duì)于外表面11的平面P橫向地定向，多數(shù)CNT 15的一個(gè)端部暴露在外表面11中。CNT 15的另一端部被引導(dǎo)朝向大纖維9，但不與這些大纖維9接觸。包括外表面11的CNT增強(qiáng)表面層因而一體形成于儲(chǔ)存件(在固化之后形成層壓板5的預(yù)浸層片P1、P2、P3等的儲(chǔ)存件)中并因此在風(fēng)輪機(jī)葉片結(jié)構(gòu)I的固化中一體形成。以這樣的方式，風(fēng)輪機(jī)殼體3的外表面11在較長(zhǎng)的時(shí)間段內(nèi)將是光滑的。通過嵌入上層片Pl中的暴露的碳納米管CNT 15實(shí)現(xiàn)了此光滑度。單向的CNT 15的定向使得用于嵌入CNT的樹脂將在層壓板的生產(chǎn)期間填充在層壓板中的CNT 15之間的所有空間。因而該風(fēng)輪機(jī)葉片結(jié)構(gòu)I是有成本效益的，并且可以另外的方式生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)具有即使是在高速度下滿足對(duì)于層流的要求的空氣動(dòng)力表面的風(fēng)輪機(jī)葉片。在該外層片Pl (外層)中增加CNT 15 (單層或多層的碳納米管和/或其他具有類似功能的納米級(jí)添加物)獲得外表面11的紋理/光滑度的顯著提高，結(jié)合了外表面11的提高的硬度和抗腐蝕性。這是由于通過CNT 15的納米級(jí)增強(qiáng)所引起的，所述增強(qiáng)防止在成型工具(未示出)中形成外表面11期間的另外的特性表面粗糙度。外表面11將是堅(jiān)硬的并提高了與熱固性聚合材料相關(guān)的抗腐蝕性。CNT增強(qiáng)外表面11因而與復(fù)合機(jī)體結(jié)構(gòu)I 一體形成，該復(fù)合機(jī)體結(jié)構(gòu)I由聚合復(fù)合材料制成，包括若干層片PU P2、P3等。圖2a示意性示出風(fēng)輪機(jī)葉片的一部分，該風(fēng)輪機(jī)葉片包括外層片P1、P2、P3，外層片P1、P2、P3包括水平納米絲13’(與外表面11的平面P相平行地延伸)。上層片Pl為覆蓋風(fēng)輪機(jī)葉片結(jié)構(gòu)的覆層且包括嵌入到其中的納米結(jié)構(gòu)13，使得納米結(jié)構(gòu)13的至少一部分暴露在外表面11中，即，納米絲13’的一部分暴露以產(chǎn)生堅(jiān)硬的外表面11，由此在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持外表面11的光滑度，用于促進(jìn)在使用期間在外表面11上的層流并且由此實(shí)現(xiàn)高效的風(fēng)力發(fā)電站。層片PI、P2、P3在此示例中應(yīng)用于現(xiàn)存的、已經(jīng)制造并組裝的風(fēng)輪機(jī)葉片結(jié)構(gòu)的外部。通過粘接件18完成該應(yīng)用。外表面11的光滑度是通過在標(biāo)記H處暴露的納米結(jié)構(gòu)13來實(shí)現(xiàn)的。復(fù)合蒙皮層壓板的這種納米增強(qiáng)層片P1、P2、P3可用作外覆層。圖2b示意性示出用于實(shí)現(xiàn)堅(jiān)硬且光滑的外表面11的單一上預(yù)浸層，其中，CNT 15相對(duì)于外表面11傾斜設(shè)置并且嵌入在上預(yù)浸層中且具有相對(duì)于該外表面11大體相同角度的定向。以這樣的方式，風(fēng)輪機(jī)葉片實(shí)現(xiàn)為具有改善的特性，例如光滑度、硬度、構(gòu)型穩(wěn)定 的層壓板等，以促進(jìn)最佳的空氣動(dòng)力表面。通過納米絲的單向定向，將提供層壓板的高效生產(chǎn)。該生產(chǎn)意味著在CNT 15之間流動(dòng)的樹脂(用作嵌入有納米絲的樹脂基體)將不再具有障礙且該樹脂將填充CNT 15之間的所用空間。因而，外表面11將是光滑的、堅(jiān)硬的和構(gòu)型穩(wěn)定的。通過該實(shí)施方式，CNT結(jié)構(gòu)還有助于在Z-方向z中的增強(qiáng)(抵抗垂直作用于外表面11上的力和沖擊)，并且同時(shí)促進(jìn)對(duì)雷電保護(hù)有益的導(dǎo)電性，其中，沖擊流在平行于外表面11的平面P的方向上傳播，其中風(fēng)輪機(jī)葉片的內(nèi)部將被保護(hù)。圖2c示意性示出在固化前應(yīng)用于固化工具23中的預(yù)固化表面層21 (或外層片)。該固化表面層21包括面對(duì)工具23的成型表面的外表面11。預(yù)固化表面層21包括另外的兩個(gè)CNT增強(qiáng)子層21’、21”，每個(gè)子層都是在與納米絲的單向定向相對(duì)應(yīng)的特定方向上被增強(qiáng)的納米結(jié)構(gòu)。因此，對(duì)預(yù)固化表面層21本身而言實(shí)現(xiàn)了多向增強(qiáng)。通過每個(gè)層21、21’、21”中的納米絲的單向定向，將提供層壓板的有效生產(chǎn)。圖2d示意性示出具有空氣動(dòng)力表面(外表面11)的風(fēng)輪機(jī)葉片的一部分的截面。表面層21包括設(shè)置在表面層21中的橫向地(垂直于外表面11的平面P)定向的碳納米纖維13”，使得碳納米纖維13”部分地暴露在表面層21的外表面11中。在外表面中未暴露的納米結(jié)構(gòu)絲在例如圖2b的實(shí)施方式中示出。圖2e示意性示出將應(yīng)用于由CFRP (碳纖維增強(qiáng)塑料(CFRP)結(jié)構(gòu))制成的風(fēng)輪機(jī)葉片殼體3的復(fù)合殼體的表面層21的示例。該層在應(yīng)用CFRP之前以及在用以形成固化組件的外表面11的固化操作之前被設(shè)置到凹形工具中。因此表面層21也包括嵌入樹脂中的大的碳纖維(未示出)，由此另外增強(qiáng)殼體3的結(jié)構(gòu)。碳納米纖維13”嵌入表面層21 (上層片)中并且基本上橫向于外表面11的平面P定向，多數(shù)CNT 15的一個(gè)端部與外表面11間隔開。CNT 15的另一端部被引導(dǎo)為朝向大纖維9，但不與這些大纖維接觸(圖5的實(shí)施方式示出與大纖維接觸的納米絲)。圖2f示意性示出作為單獨(dú)的覆層而應(yīng)用于金屬的風(fēng)輪機(jī)葉片結(jié)構(gòu)27的覆層25的示例。覆層25包括在與外表面11的平面P相平行的平面中隨機(jī)分布的CNT 15 (CNT的沿著層壓板的平面P的不同方向的延伸，但CNT與平面P相平行地延伸)。因此覆層25包括嵌入在上層片Pl的基體中的CNT 15。因此樹脂基體由覆層25或一個(gè)層片的層壓板制成，其包括外表面11。覆層25包括嵌入在該覆層25中的CNT 15，使得覆層25中的CNT結(jié)構(gòu)的細(xì)絲具有相對(duì)于外表面11的平面P相同的定向。因此CNT 15的特定定向使得用于嵌入CNT 15的樹脂將在層壓板的生產(chǎn)期間填充層壓板中的CNT 15之間的所有空間。圖2g示意性示出包括若干層片的層壓板，所述層片包括納米結(jié)構(gòu)絲。每個(gè)層片Pn包括具有相同定向(單向定向)的納米絲。每個(gè)層片Pn包括與其他層片的納米絲的定向不同的納米絲定向。這促進(jìn)了提供所述光滑度的最佳的機(jī)械強(qiáng)度。圖3示意性示出風(fēng)輪機(jī)葉片殼體3’的一部分的除冰/防結(jié)冰系統(tǒng)29。系統(tǒng)29包括用作加熱元件35的傳導(dǎo)性結(jié)構(gòu)。該加熱元件35包括傳導(dǎo)性納米結(jié)構(gòu)33，傳導(dǎo)性納米結(jié)構(gòu)33具有這樣的定向和密度使得對(duì)于通過加熱元件35傳導(dǎo)的電流的電阻增加，從而產(chǎn)生熱量以融化冰或防止冰形成。傳感器37也設(shè)置在外表面11中。當(dāng)傳感器37檢測(cè)到冰的存在時(shí)，從傳感器37中饋送信號(hào)至控制單元39，其中，該控制單元39啟動(dòng)加熱元件35。包括外表面11的外層片Pl設(shè)置在加熱元件35之上。另外，外層片Pl包括與除冰/防結(jié)冰加熱元件35類型相同的傳導(dǎo)性納米結(jié)構(gòu)33。在外層片Pl的區(qū)域A中，納米結(jié) 構(gòu)絲橫向地定向，部分地暴露在外表面11中，從而實(shí)現(xiàn)外表面11的最優(yōu)的強(qiáng)度。同時(shí)，也是傳導(dǎo)性納米結(jié)構(gòu)13將促進(jìn)最終的雷擊電流傳播至保護(hù)除冰/防結(jié)冰系統(tǒng)29的雷電傳導(dǎo)器(未示出)。外層片Pl通過絕緣層41相對(duì)于除冰/防結(jié)冰加熱元件35電絕緣地設(shè)置。由于用于外層片Pl中的區(qū)域A的橫向地定向的納米結(jié)構(gòu)13”(用作雷電保護(hù))，來自加熱元件35的熱也將在盡可能短的路徑中熱傳遞至外表面11，由此將熱集中到區(qū)域A，用作防結(jié)冰區(qū)段。用于區(qū)域B的外層片Pl的傾斜納米絲13”’有助于在z方向上進(jìn)行增強(qiáng)并促進(jìn)良好的導(dǎo)電性，這對(duì)雷電保護(hù)是有益的。圖4示意性示出了圖3中的殼體3’的外表面11的區(qū)段從上方所見的放大的視圖。在圖4中清晰地示出，納米結(jié)構(gòu)絲13”(在這里為納米纖維)暴露在外表面11中，因而形成堅(jiān)硬且光滑的空氣動(dòng)力表面。 圖5示意性示出了直接從包括上層片Pl的層壓板5的大纖維9延伸的生長(zhǎng)為“林”的傾斜的CNT 13””的截面。CNT 13””是通過為高效而獲得CNT的生長(zhǎng)林的新興CNT技術(shù)來生產(chǎn)的。因而CNT 13””生長(zhǎng)為“林”的形狀(成簇的對(duì)齊的CNT)并且外層片Pl由單一的層構(gòu)成。CNT 13””具有非常良好的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性，因而非常適合用于雷電保護(hù)覆蓋例如敏感的除冰/防結(jié)冰系統(tǒng)、電子系統(tǒng)等。通過將CNT 13””嵌入到上層片Pl中使得CNT相對(duì)于外表面11的定向是單向的，能夠有效地制造層壓板，這是由于將實(shí)現(xiàn)樹脂的適當(dāng)分布。因而，空氣動(dòng)力表面將是堅(jiān)硬的、光滑的和構(gòu)型穩(wěn)定的。圖6示意性示出風(fēng)輪機(jī)葉片16。物體(風(fēng)輪機(jī)葉片)的速度在葉片頂端18處為從80m/s (常規(guī))至120m/s (最大)。具有兩個(gè)葉片的風(fēng)輪機(jī)將在葉片頂端處提供約為120m/s的速度。因此頂端產(chǎn)生最多的噪音。有一個(gè)希望(用于優(yōu)化能量傳輸)是將風(fēng)力發(fā)電站設(shè)置在靠近居民區(qū)并通過本風(fēng)力葉片提供更安靜的發(fā)電站。即，光滑堅(jiān)硬的表面因?yàn)槟軌蛟O(shè)置為靠近建筑物而提供安靜的發(fā)電站并且因而節(jié)約能量。由于頂端具有最高的速度，所以圖6的風(fēng)輪機(jī)葉片設(shè)置有外表面，該外表面在該物體經(jīng)受氣流時(shí)用作空氣動(dòng)力表面，該物體包括由至少一個(gè)層片的層壓板制成的樹脂基體，該樹脂基體包括所述外表面。在葉片頂端的區(qū)域內(nèi)的外層片包括嵌入其中的納米結(jié)構(gòu)13，使得在層片中的納米結(jié)構(gòu)的細(xì)絲具有相對(duì)于外表面的平面相同的定向。通過將層壓板(對(duì)于每個(gè)層片而言)中的納米結(jié)構(gòu)絲定向?yàn)榛旧舷嗤姆较?，能夠有效制造層壓板，這是由于將實(shí)現(xiàn)在層壓板的生產(chǎn)期間的樹脂的恰當(dāng)分布。因而，該空氣動(dòng)力表面將是堅(jiān)硬的、光滑的和構(gòu)型穩(wěn)定的。因此風(fēng)輪機(jī)葉片的外表面11的光滑度能夠隨時(shí)間的推移而得以保持。該光滑度促進(jìn)在外表面11之上的層流，其中，該風(fēng)力發(fā)電站將是高效率的。此外，外表面11不會(huì)由于若干起作用的效應(yīng)例如在層壓板固化期間的聚合材料的固化收縮、在表面層(富樹脂區(qū)域)中的樹脂的不均勻分布以及因此表面材料的不同的熱延伸等而具有不期望的粗糙度。這將促進(jìn)風(fēng)輪機(jī)葉片的良好設(shè)計(jì)的層壓板。圖7a示意性示出風(fēng)輪機(jī)葉片的外表面11，該外表面11包括嵌入到塑料的上層(上層片Pl)中的納米碳纖維13’。上層為圖2a中所示的類型，碳納米纖維基本上與外表面11的平面P相平行地延伸(具有相對(duì)于外表面11的平面P相同的定向)。上層還包括大的碳纖維(未示出)，大的碳纖維嵌入到塑料中，增強(qiáng)物體的結(jié)構(gòu)(碳纖維增強(qiáng)塑料(CFRP)結(jié)構(gòu))。碳納米纖維13’嵌入到塑料中，使得碳納米纖維13’的至少一部分暴露在外表面11中，即，若干碳納米纖維13’暴露在外表面11中，以形成堅(jiān)硬的外表面，由此在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持外表 面11的光滑度以促進(jìn)具有高效率的風(fēng)力發(fā)電站。因而，就碳纖維增強(qiáng)塑料(CFRP)情況下的熱延伸而言，為了制成堅(jiān)硬的表面而使用納米碳纖維13’是適宜的。圖7b示意性示出從上方所見的圖7a中的外表面，其中示出了部分地暴露的納米碳纖維13’。圖8a示意性示出直接從上層片Pl的大的水平(與外表面的平面P相平行地延伸)碳纖維9延伸的橫向地生長(zhǎng)為“林”的CNT 13”的透視圖，其。CNT 13”是通過獲得CNT的生長(zhǎng)林的新興CNT技術(shù)來產(chǎn)生的。豎向的CNT 13”為適當(dāng)限定的并且還有助于在標(biāo)記為z的z方向上進(jìn)行強(qiáng)化。圖Sb示意性示出圖8a中的上層片Pl的截面。圖Sb還示出了設(shè)置在上層片Pl下方的具有(GFRP的)大的碳纖維9的層片P2，所述纖維9相對(duì)于上層片Pl的大的碳纖維9的定向成45度定向，用作為在生產(chǎn)過程中用于橫向碳納米管13”的生長(zhǎng)的基材。圖9a示意性示出離岸設(shè)置的風(fēng)力發(fā)電站。有一個(gè)希望是為風(fēng)輪機(jī)葉片16提供這樣的材料特性使得葉片不需要頻繁的維修和重新安裝動(dòng)作。風(fēng)輪機(jī)葉片16具有低重量，這是由于納米絲結(jié)構(gòu)提供了在圖％中示出的風(fēng)輪機(jī)頂端18的堅(jiān)硬的外表面。圖10示意性示出層壓板5，其包括增強(qiáng)外表面11和層壓板5的下側(cè)63的納米結(jié)構(gòu)增強(qiáng)層61，用于避免在層壓板5的生產(chǎn)期間的所謂的反彈效應(yīng)。在層壓板5的生產(chǎn)期間，納米結(jié)構(gòu)13因此還將被應(yīng)用于層壓板的與外表面11相對(duì)的一側(cè)上。這用來防止層壓板5的上側(cè)的殘余應(yīng)力使層壓板5彎曲，S卩，以與外表面11中的納米結(jié)構(gòu)絲13”’的量基本上相對(duì)應(yīng)的位于層壓板5的下側(cè)63的納米結(jié)構(gòu)絲13”’的適當(dāng)量來補(bǔ)償所應(yīng)用的外表面11的納米結(jié)構(gòu)13。圖Ila示意性示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的風(fēng)輪機(jī)葉片的層壓板的一部分。碳納米管在上層片中隨機(jī)地定向。在物體的制造期間，樹脂將受到阻礙而不能有效地流動(dòng)到碳納米管之間的空間中(以箭頭s示出)。圖Ilb示意性示出本發(fā)明的實(shí)施方式的一部分，其包括第一上層片Pl和設(shè)置在上層片Pl下方的第二層片P2。層片Pl和層片P2 二者都包括嵌入在其中的納米絲。上層片Pl包括成簇地應(yīng)用到第二層片P2上的納米絲F。所述納米絲簇是通過與普通紙的生產(chǎn)相類似的程序來制造的。納米絲F與流體混合。流體流出而留下的納米絲F將形成成簇的隨機(jī)定向的納米絲(在圖中從上方以及朝向納米絲簇的平面所見)。然而，納米絲簇將具有這樣的納米絲它們的延長(zhǎng)部分在與納米絲簇的平面相平行的方向上延伸，即，納米絲F的延伸將基本上與外表面11的平面P的延伸相平行。在層壓板的生產(chǎn)期間，用作為樹脂基體的樹脂將不受妨礙地流動(dòng)到納米絲簇中并且將填充納米絲F之間的所用空間(以箭頭S標(biāo)記)，因而提供堅(jiān)硬的和均勻(光滑)的構(gòu)型穩(wěn)定的外表面。當(dāng)然，本發(fā)明不以任何方式受限于上述優(yōu)選實(shí)施方式，而是有修改或結(jié)合上述實(shí)施方式的許多可能，因此在不違背如所附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的基本思想的情況下，這些修改或結(jié)合對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言應(yīng)當(dāng)是明顯的。納米結(jié)構(gòu)絲能夠以這樣的方式嵌入到上層片中使得納米絲的一部分暴露在外表
面中。這意味著納米結(jié)構(gòu)的一部分暴露在外表中，意味著該部分細(xì)絲-包括第一端部和
第二端部——是暴露的。因而它們可使它們的第一端部暴露于外表面中。典型的復(fù)合部件例如風(fēng)輪機(jī)葉片以及CFRP的或者類似材料的一體式葉片前緣能夠例如在凹形工具中固化。發(fā)明的表面層(預(yù)固化的或未固化的)能夠在固化操作之前設(shè)置到該工具中以形成固化組件的外層。CNT增強(qiáng)表面層能夠在復(fù)合機(jī)體部件的層疊以及固化中一體形成。CNT增強(qiáng)表面層也能夠作為噴覆層(例如通過靜電涂)來應(yīng)用或作為在固化后附接至復(fù)合結(jié)構(gòu)上的單獨(dú)制造的層來應(yīng)用。CNT能夠通過為高效而獲得CNT的生長(zhǎng)林的新興CNT技術(shù)來生產(chǎn)。已知CNT優(yōu)選地生長(zhǎng)為具有豎直的、傾斜的或水平設(shè)置的納米管的“林”(成簇的對(duì)齊的CNT)的形狀。這些設(shè)置的組合也是可能的，例如，兩個(gè)或更多的單獨(dú)的層彼此上下疊置。還可使CNT生長(zhǎng)為適當(dāng)限定的圖案，適于預(yù)期的應(yīng)用。在該申請(qǐng)中，術(shù)語CNT包括所用類型的碳納米管。這些碳納米管可為單層的、雙層的或多層的納米管。此外，可以使用類CNT材料如石墨烯、石墨化炭黑和類似的具有適合的電特性和熱特性的碳基材料。外層片/外層的復(fù)合材料可以是環(huán)氧樹脂、聚酰亞胺、雙馬來酰亞胺、酚醛樹脂、氰酸酯、PEEK、PPS、聚酯、乙烯酯以及其他可固化的樹脂或者它們的混合物。如果使用，則大纖維結(jié)構(gòu)可具有陶瓷、碳和金屬或者它們的混合物。包括納米結(jié)構(gòu)的層片能夠應(yīng)用于現(xiàn)存的、已經(jīng)制造及組裝的機(jī)體結(jié)構(gòu)的外部。能夠通過在風(fēng)輪機(jī)葉片結(jié)構(gòu)上的粘結(jié)或共固化或共粘合來完成該應(yīng)用。
權(quán)利要求
1.一種包括外表面(11)的風(fēng)輪機(jī)葉片，所述外表面(11)在所述葉片(3、3’、16)經(jīng)受氣流(a)時(shí)用作空氣動(dòng)力表面，所述葉片(3、3’、16)包括樹脂基體，所述樹脂基體由包括所述外表面(11)的至少一個(gè)層片(Pl)的層壓板(5)制成， 其特征在于，所述外層片(Pl)包括以如下方式嵌入到所述外層片中的納米結(jié)構(gòu)(13)使得所述層片(Pl)中的所述納米結(jié)構(gòu)的納米絲(13’、13”、13”’、13””)基本上具有相對(duì)于所述外表面(11)的平面(P)相同的角度定向。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的風(fēng)輪機(jī)葉片，其中，所述納米結(jié)構(gòu)(13)的至少一部分暴露于所述外表面(11)中。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的風(fēng)輪機(jī)葉片，其中，所述外層片(Pl)為包括至少兩個(gè)層片(P1、P2)的層壓板(5)的層片，其中，每個(gè)層片(Pl)包括大纖維(9)，所述大纖維(9)具有與相鄰的層片(P2)的大纖維(9)的定向不同或相同的定向。
4.根據(jù)權(quán)利要求I至3中的任一項(xiàng)所述的風(fēng)輪機(jī)葉片，其中，所述納米結(jié)構(gòu)(13)在所述層片(P1、P2)內(nèi)非常密集從而使其盡可能的堅(jiān)硬，但未密集到使其失去導(dǎo)電性。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的風(fēng)輪機(jī)葉片，其中，所述納米結(jié)構(gòu)的絲(13’、13”、13”’、13””)定向?yàn)闄M向于所述外表面(11)的平面(P)。
6.根據(jù)權(quán)利要求I至4中的任一項(xiàng)所述的風(fēng)輪機(jī)葉片，其中，所述納米結(jié)構(gòu)的絲(13’、13”、13”’、13””)定向?yàn)橄鄬?duì)于所述外表面(11)的平面(P)傾斜。
7.根據(jù)權(quán)利要求I至4中的任一項(xiàng)所述的風(fēng)輪機(jī)葉片，其中，所述納米結(jié)構(gòu)的絲(13’、13”、13”’、13””)定向?yàn)榕c所述外表面(11)的平面(P)相平行。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的風(fēng)輪機(jī)葉片，其中，所述納米結(jié)構(gòu)(13)包括碳納米管。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的風(fēng)輪機(jī)葉片，其中，所述碳納米管為對(duì)齊的碳納米管(13””)的林狀簇的形狀。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的風(fēng)輪機(jī)葉片，其中，所述納米結(jié)構(gòu)(13)位于所述葉片的頂端(18)的區(qū)域內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種包括外表面(11)的風(fēng)輪機(jī)葉片，所述外表面(11)在所述葉片(3、3’、16)經(jīng)受氣流(a)時(shí)用作空氣動(dòng)力表面，所述葉片(3、3’、16)包括樹脂基體，所述樹脂基體由包括所述外表面(11)的至少一個(gè)層片(P1)的層壓板(5)制成。所述外層片(P1)包括以如下方式嵌入到所述外層片中的納米結(jié)構(gòu)(13)使得所述層片(P1)中的納米結(jié)構(gòu)的絲(13’、13”、13”’、13””)基本上具有相對(duì)于所述外表面(11)的平面(P)相同的角度定向。
文檔編號(hào)F03D1/06GK102822506SQ201080061313
公開日2012年12月12日 申請(qǐng)日期2010年1月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月14日
發(fā)明者蓬圖斯·努丁, 約特·斯特林德貝里 申請(qǐng)人:薩博公司