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高性能竹木复合风力发电机叶片材料的研究

张晓春  
【摘要】:本文在毛竹竹篾和桦木单板基本物理力学性能及表面润湿性能研究的基础上,进行了竹木复合层积材热压传热分析,通过正交试验确定了竹木复合层积材的制备工艺;在此基础上探讨了竹木复合层积材的胶合性能与耐老化性能,并分析了热压温度、热压压力在热压过程中对竹木复合层积材组织结构、力学性能的影响,最后运用经典层合板理论对竹木复合层积材的抗拉弹性模量进行预测,主要结论如下: 1.试验用毛竹竹篾与桦木单板的顺纹抗拉强度(模量)分别达到234.22MPa (28.93GPa)和68.38MPa (16.92GPa);不同施胶方式对单板的力学性能有不同程度的增强,干物质含量相当时,浸胶方式的增强效果优于涂胶方式。 试验用桦木单板表面粗糙度(Ra)大于竹材竹篾,表面润湿性能随材料表面粗糙度的变化而变化,通过3种不同溶液测定材料表面润湿性,润湿角均小于90°,说明酚醛树脂可以润湿桦木单板与竹篾。 2.涂胶量、热压温度、组坯方式及板材密度对竹木复合层积材中心层的热压传热影响较为显著,常压条件下单板浸渍时间对板坯中心层的热压传热过程影响不显著。 3.单板涂胶量对板材顺纹抗拉强度影响达到显著水平,板材密度对各力学性能影响均达到显著水平;其余因素各水平在试验选定范围内,并未对板材各性能指标有显著的影响。综合考虑,竹木复合层积材较佳生产工艺为:采用全浸胶单板和3层竹篾帘分别置于板坯的上、下表层及芯层的组坯方式、热压压力4Mpa,密度0.9~1.0g/cm3;板材顺纹抗拉强度可达241.92MPa,顺纹抗压强度可达167.03MPa,顺纹抗拉弹性模量达25.27GPa。 4.热压压力、施胶量、表面粗糙度及单板施胶方式对竹木复合层积材的胶合性能影响显著;显微镜切片显示,竹木复合层积材基材与胶黏剂形成了稳定、连续的胶合界面,两种材料有着良好的胶合性能。 5.热压压力、热压温度及板材密度对竹木复合层积材尤其单板基体的微观组织结构有显著的影响;随着各因素水平的升高增大,板材基体细胞出现不同程度的变形和滑移,甚至损伤压溃。 6.竹木复合层积材、竹材层积材以及竹材重组材的力学性能随人工老化周期的进行而出现不同程度的降低;老化处理后各板材的力学性能具有较高的保留率(均在75%以上);采用曲线估计法对竹木复合层积材和竹材层积材老化处理后的力学性能进行回归分析,发现竹木复合层积材采用对数回归趋势线拟合效果较好,对于竹材层积材采用指数回归趋势线拟合效果较好。 7.由经典层合板理论建立起来的竹木复合层积材弹性模量预测模型,通过对拉伸模量的预测值和实测值对比,证明该模型具有相当高的准确性;模型预测值与实验值之间的相对误差平均值均小于15%。 8.竹木复合层积材的顺纹抗拉强度可达241.92MPa,顺纹抗压强度可达167.03MPa,顺纹抗拉弹性模量达25.27GPa,垂直剪切强度为14.54MPa,水平剪切强度为17.47MPa;比拉伸强度可达249.48MPa,比压缩强度可达172.16MPa,比拉伸模量可达26GPa。


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