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题目：飞轮材料及制作工艺研究
关键技术指标：参考附件中红色部分参考附件：
复合材料转子结构设计及加工工艺
飞轮转子是飞轮储能系统中关键储能部件，相关转子结构设计和分析，中国外已经有部分相关综述。现在国外研究热点关键集中在转子断裂损伤、疲惫、蠕变等方面和和此相关试验技术。中国对转子结构研究关键侧重于针对强度理论和计算，对于转子工艺和试验研究较少，飞轮实际达成储能密度也远低于国际水平。
转子结构研究关键包含到转子材料和工艺、结构设计、结构分析和试验技术等四部分内容。
1 转子材料及制作工艺
1.1 飞轮转子材料
储能密度是衡量飞轮转子性能关键指标。转子储能密度正比于材料比强度。所以，要想取得较大储能量和储能密度，必需采取高比强度材料。早期飞轮多采取铝、高强度钢等金属材料制作。多年来，伴随材料技术发展，优异复合材料逐步成为制作高速储能飞轮首选材料。
复合材料是六十年代中期崛起一个新型材料，它由两种或两种以上材料独立物理相，经过复合工艺组合组成。其中，连续相当为基体，分散相当为增强体，两相相互之间有显著界面。它既保留原组分材料关键特点，又可经过复合效应取得原组分材料所不含有性能。经过材料设计可使各组分材料性能相互补充，相互联络，从而取得优越性能。优异复合材料已经在航空航天结构中取得了广泛应用。
复合材料按基体不一样可分为，树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料等。按增强体形式分为连续纤维增强复合材料、短纤维、晶须、颗粒等增强复合材料等。常作为飞轮转子材料复合材料关键是纤维增强树脂基复合材料。其中增强体关键是碳纤维和玻璃纤维两种，而基体关键是环氧树脂、聚酰亚胺树脂或双马树脂。优异复合材料分类如Error! Reference source not found.所表示。

图1 复合材料分类示意图
从结构应用角度分析，复合材料性能和金属材料相比，关键有以下性能特点：高比强度和比模量、各向异性和可设计性、良好抗疲惫性、成型工艺性好、良好尺寸稳定性。复合材料也有弱点，关键表现在层间承载能力低，原材料成本较高等。伴随材料技术发展和设计手段提升，这些弱点也可逐步克服。
现在，复合材料转子结构关键应用纤维增强树脂基复合材料是由纤维、基体和界面三个结构单元组成二维编织物。高模量、高强度纤维是承载主体，决定了沿纤维方向强度和模量；树脂基体提供了对纤维支持和保护，同时决定横向(垂直纤维方向)强度和模量，层合结构层间性能也关键由基体性能决定；界面将纤维和基体粘接在一起，并实现纤维和基体间载荷传输。
常见复合材料还包含金属基复合材料，和金属基复合材料料相比，树脂基复合材料各项异性较大，沿纤维方向强度高，但径向强度较小，同时密度远小于金属基复合材料。从提升储能密度角度来说，使用树脂基复合材料制造储能飞轮通常含有更优异性能。但在高温或其它对树脂基复合材料影响较大环境下，使用金属基复合材料可能更有优势。
三维编织复合材料是20世纪80年代发展起来一个新型织物复合材料。三维编织复合材料构件使用了三维整体纺织预制件作为增强相，克服了以往多种结构复合材料层间强度弱致命缺点，含有优异整体受力性能。三维编织复合材料在飞轮转子制造中有较大发展前景。
多个经典飞轮转子材料特征及所能达成最大储能密度。
材料
纤维强度(GPa)
材料强度(GPa)
密度
(kg/m3)
材料许用系数
最大储能密度(Wh/kg)
铝合金
—
0.6
2800
0.8
47.6
高强度钢
—
2.8
8000
0.8
77.8
玻璃纤维/树脂
3.0
1.8
2100
0.6
142.8
碳纤维/树脂
3.5
2.1
1600
0.6
218.8
碳纤维/树脂
7.0
4.2
1600
0.6
437.5
在复合材料飞轮系统中，轮毂往往和飞轮转子作为整体一起设计。在飞轮系统中，轮毂是直接和飞轮相连部件，它也需要承受旋转带来巨大载荷。所以，也需要采取高比强度材料。
1.2 复合材料转子制作工艺
常见复合材料转子关键是纤维沿环向缠绕单环转子或多环过盈配合多环转子。转子本体制作工艺关键有预压缠绕和多环热装两种。
预压缠绕可分为线缠绕和织带缠绕。依据缠绕时树脂基体物理化学状态不一样，又可分为干法缠绕和湿法缠绕两种。因为湿法缠绕成本低，缠绕气密性好，在复合材料缠绕过程中采取湿法缠绕工艺。Error! Reference source not found.是湿法缠绕纤维导向示意图。

图2 湿法缠绕过程示意图
多环热装用于多环过盈配合复合材料转子装配，经过将转子外环升温或内环降温后和其它轮环套装，恢复常温后在接触面产生均匀压力。形成多环过盈装配复合材料转子。
2 复合材料转子结构
早期飞轮转子通常采取金属材料。对于金属材料飞轮，文件中给出了多个经典结构形式，如Error! Reference source not found.所表示，采取等应力设计时，可达成最大储能密度。Error! Reference source not found.中是多个各向异性材料飞轮结构形式和储能密度对比。
表1 各向同性材料飞轮结构和形状系数
名称
几何形状
形状系数
等应力圆盘
修正等应力圆盘
圆锥断面圆盘
带轮箍等厚圆盘
薄轮缘
成型杆
带轮箍轮缘
棒状
空心等厚圆盘

1.0
0.931
0.806
0.606
0.500
0.500
0.400
0.333
0.305
表2 各向异性飞轮结构和形状系数
名称
几何形状
储能密度
薄轮缘
成型杆
带轮箍轮缘
棒状
空心等厚圆盘

高

低
因为复合材料工艺复杂，不宜制作形状复杂飞轮，现在复合材料轮缘多采取实心或空心圆环状。关键结构形式有以下多个：
(a)单环纤维缠绕复合材料转子
纤维沿环向缠绕复合材料单环是复合材料转子基础结构形式。单环设计能够为复合材料圆盘或拉长复合材料圆筒。轮缘和轮毂间多采取过盈配合连接。单环复合材料转子设计中，采取大半径圆环设计能够取得较大瞬时功率和储能密度，不过体积限制使得半径不可能很大，这就限制了转子储能量。同时，假如要取得较大体积储能密度，就应采取较厚转子，不过这会使得径向应力过大，引发径向失效，又限制了转子转速提升。愈加好措施是采取多环复合材料转子。
(b)多环纤维缠绕复合材料转子
多环复合材料转子是现在广泛使用一个转子结构形式。这种设计中每个单环采取高性能纤维缠绕而成，圆环之间和圆环和轮毂之间全部采取过盈配合连接。环间过盈量使得沿轮缘径向产生了一个负预应力，以减小转子高速旋转时产生径向应力。
多环复合材料转子可分为同种材料复合材料转子和环间混杂复合材料转子两种。同种材料复合材料转子各环全部采取同种材料制作。环间混杂复合材料转子在不一样圆环使用不一样性能复合材料，采取合理材料排列次序来调整径向应力分布，从而提升转子转速，进而提升储能量和储能密度。
环间混杂复合材料转子在降低径向应力方面是很有效，同时比起全部采取高性能碳纤维复合材料转子来说，它制造成本显著降低。不过设计这种复合材料转子轮毂是一个较大挑战，因为使用较软材料制作内层会产生很大径向位移。

图3 多环纤维缠绕复合材料转子示意图
(c)极向编织复合材料转子
极向编织复合材料转子是一个区分于纤维缠绕复合材料转子转子结构形式。这种设计中纤维沿着两个主应力方向——径向和环向——编织成圆环状。这种设计目标是平衡转子沿径向和环向强度，以得到更高转速。
和纤维缠绕复合材料转子相比，这种设计提升了径向强度和刚度，以克服旋转过程在厚轮缘中产生较大径向应力。另外，比起多环纤维缠绕复合材料转子来说，极向编织复合材料转子制造和组装全部更简单。不过，试验表明层间连接树脂部分有失效倾向，而且，因为纤维扭折造成很大应力，轻易出现基体开裂现象。长久运行时出现脱层和基体开裂是以后必需处理问题。

图4 极向编织复合材料转子示意图
(d)其它结构形式
除常见圆环状飞轮外，也有少许飞轮转子采取了其它形状。多向缠绕复合材料转子结构在纤维环向缠绕铺层中间，分布了若干纤维沿径向分布铺层，用来改善转子径向强度。美国休斯顿大学德克萨斯超导中心开发了纺缍形飞轮，这是一个等应力设计,形状系数等于或靠近1，材质为玻璃纤维复合材料,储能1kWh、重19kg、飞轮外径30.48cm。美国Satcon技术企业开发伞状飞轮结构有利于电机位置安放，对系统稳定性十分有利，转动惯量大，节省材料，轮毂强度设计合理。