题目：飞轮材料及制作工艺研究
主要技术指标：参考附件中的红色部分
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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主要的储能部件，关于转子的结构设计和分析，国内外已有一些相关的综述。

目前国外研究热点主要集中在转子的断裂损伤、疲劳、蠕变等方面和与此相关的实验技术。

国内对转子结构的研究主要侧重于针对强度的理论和计算，对于转子工艺和试验的研究较少，飞轮实际达到储能密度也远低于国际水平。

转子结构的研究主要涉及到转子的材料和工艺、结构的设计、结构分析和实验技术等四部分内容。

1 转子的材料及制作工艺
1.1 飞轮转子的材料
储能密度是衡量飞轮转子性能的重要指标。

转子的储能密度正比于材料的比强度。

因此，要想获得较大的储能量和储能密度，必须采用高比强度的材料。

早期的飞轮多采用铝、高强度钢等金属材料制作。

近年来，随着材料技术的发展，先进复合材料逐渐成为制作高速储能飞轮的首选材料。

复合材料是六十年代中期崛起的一种新型材料，它由两种或两种以上材料独立物理相，通过复合工艺组合构成。

其中，连续相称为基体，分散相称为增强体，两相彼此之间有明显的界面。

它既保留原组分材料的主要特点，又可通过复合效应获得原组分材料所不具备的性能。

通过材料设计可使各组分材料的性能互相补充，彼此联系，从而获得优越的性能。

先进复合材料已经在航空航天结构中获得了广泛的应用。

复合材料按基体不同可分为，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的复合材料主要是纤维增强树脂基复合材料。

其中增强体主要是碳纤维和玻璃纤维两种，而基体主要是环氧树脂、聚酰亚胺树脂或双马树脂。

先进复合材料的分类如图1所示。

图1 复合材料分类示意图
从结构应用的角度分析，复合材料性能与金属材料相比，主要有以下性能特点：高的比强度和比模量、各向异性和可设计性、良好的抗疲劳性、成型工艺性好、良好的尺寸稳定性。

复合材料也有弱点，主要表现在层间承载能力低，原材料成本较高等。

随着材料技术的发展和设计手段的提高，这些弱点也可逐渐克服。

目前，复合材料转子结构主要应用的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构成的二维编织物。

高模量、高强度的纤维是承载主体，决定了沿纤维方向的强度和模量；树脂基体提供了对纤维的支持和保护，同时决定横向(垂直纤维方向的)的强度和模量，层合结构的层间性能也主要由基体性能决定；界面将纤维和基体粘接在一起，并实现纤维与基体间载荷的传递。

常见的复合材料还包括金属基复合材料，与金属基复合材料料相比，树脂基复合材料的各项异性较大，沿纤维方向的强度高，但径向的强度较小，同时密度远小于金属基复合材料。

从提高储能密度的角度来说，使用树脂基复合材料制造的储能飞轮通常具有更优异的性能。

但在高温或其它对树脂基复合材料影响较大的环境下，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年代发展起来的一种新型织物复合材料。

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，克服了以往各种结构复合材料的层间强度弱的致命缺点，具有优异的整体受力性能。

三维编织复合材料在飞轮转子制造中有较大的发展前景。

几种典型的飞轮转子材料特性及所能达到的最大储能密度。

度(GPa) (GPa) (kg/m3) 系数度(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，轮毂往往与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的部件，它也需要承受旋转带来的巨大载荷。

因此，也需要采用高比强度的材料。

1.2 复合材料转子的制作工艺
常见的复合材料转子主要是纤维沿环向缠绕的单环转子或多环过盈配合的多环转子。

转子本体的制作工艺主要有预压缠绕和多环热装两种。

预压缠绕可分为线缠绕与织带缠绕。

根据缠绕时树脂基体的物理化学状态的不同，又可分为干法缠绕和湿法缠绕两种。

由于湿法缠绕的成本低，缠绕的气密性好，在复合材料的缠绕过程中采用湿法缠绕工艺。

图2是湿法缠绕的的纤维导向示意图。

图2 湿法缠绕过程示意图
多环热装用于多环过盈配合的复合材料转子的装配，通过将转子的外环升温或内环降温后与其它轮环套装，恢复常温后在接触面产生均匀压力。

形成多环过盈装配的复合材料转子。

2 复合材料转子的结构
早期的飞轮转子通常采用金属材料。

对于金属材料飞轮，文献中给出了几种典型的结构形式，如表1所示，采用等应力设计时，可达到最大储能密度。

表2中是几种各向异性材料飞轮的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
修正的等应力圆盘
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
由于复合材料工艺复杂，不宜制作形状复杂的飞轮，目前的复合材料轮缘多采用实心或空心圆环状。

主要的结构形式有以下几种：
(a)单环纤维缠绕复合材料转子
纤维沿环向缠绕的复合材料单环是复合材料转子的基本结构形式。

单环的设计可以为复合材料圆盘或拉长的复合材料圆筒。

轮缘和轮毂间多采用过盈配合连接。

单环复合材料转子的设计中，采用大半径的圆环设计可以获得较大的瞬时功率和储能密度，但是体积的限制使得半径不可能很大，这就限制了转子的储能量。

同时，如果要获得较大的体积储能密度，就应采用较厚的转子，但是这会使得径
向应力过大，引起径向失效，又限制了转子转速的提高。

更好的办法是采用多环复合材料转子。

(b)多环纤维缠绕复合材料转子
多环复合材料转子是目前广泛使用的一种转子的结构形式。

这种设计中每个单环采用高性能的纤维缠绕而成，圆环之间以及圆环和轮毂之间都采用过盈配合连接。

环间的过盈量使得沿轮缘径向产生了一个负的预应力，以减小转子高速旋转时产生的径向应力。

多环复合材料转子可分为同种材料的复合材料转子和环间混杂复合材料转子两种。

同种材料的复合材料转子各环都采用同种材料制作。

环间混杂复合材料转子在不同圆环使用不同性能的复合材料，采用合理的材料排列顺序来调整径向的应力分布，从而提高转子的转速，进而提高储能量和储能密度。

环间混杂复合材料转子在降低径向应力方面是非常有效的，同时比起全部采用高性能碳纤维的复合材料转子来说，它的制造成本明显降低。

但是设计这种复合材料转子的轮毂是一个较大的挑战，因为使用较软的材料制作的内层会产生很大的径向位移。

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
极向编织的复合材料转子是一种区别于纤维缠绕复合材料转子的转子结构形式。

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。

这种设计的目的是平衡转子沿径向和环向的强度，以得到更高的转速。

与纤维缠绕的复合材料转子相比，这种设计提高了径向的强度和刚度，以克服旋转过程在厚轮缘中产生的较大的径向应力。

此外，比起多环纤维缠绕的复合材料转子来说，极向编织复合材料转子的制造和组装都更简单。

但是，实验表明
层间连接的树脂部分有失效的倾向，并且，由于纤维扭折造成的很大应力，容易出现基体开裂的现象。

长期运行时出现的脱层和基体开裂是今后必须解决的问题。

图4 极向编织复合材料转子示意图
(d)其它结构形式
除常见的圆环状飞轮外，也有少量飞轮转子采用了其它形状。

多向缠绕的复合材料转子结构在纤维环向缠绕的铺层中间，分布了若干纤维沿径向分布的铺层，用来改善转子的径向强度。

美国休斯顿大学的德克萨斯超导中心开发了纺缍形飞轮，这是一种等应力设计,形状系数等于或接近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技术公司开发的伞状飞轮结构有利于电机的位置安放，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。