大作业风电叶片最终版DOC.docx
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大作业风电叶片最终版DOC
材料科学与工程学院
论文题目大型风电叶片复合材料应用
院(系)名称材料科学与工程学院
学生姓名毕嘉宇(39011104)
牛艺蒙(39011105)
刘艺(39011107)
指导教师张佐光老师
顾轶卓老师
李敏老师
2012年6月10日
大型风电叶片复合材料应用
摘要
本文针对大型风电叶片夹层结构外壳及主梁,介绍了现有复合材料风电叶片的结构特点、性能要求;阐述了复合材料在风电叶片上的应用及生产现状;分析了其材料体系、制造工艺,并针对目前大型风电叶片生产过程中遇到的一些问题提出解决方案,通过对比得出了较先进且应用广泛的成型工艺;并讨论了复合材料性能测试、评价及影响因素。
关键词:
风电叶片;复合材料;制造工艺;性能测试
Abstract
Thisessayfocusesonsandwichstructureshellforlarge-scalewindturbinebladesandthemainbeam,introducingthestructuralcharacteristicsandperformancerequirementsoftheexistingcompositewindturbineblades;describingtheapplicationandproductionstatusofthecompositewindturbineblades;analyzingthematerialsystem,manufacturingprocess.Alsoweproposesolutionsforsomeoftheproblemsencounteredintheproductionprocessofthelarge-scalewindturbineblades,obtainedthemoreadvancedandwidelyusedmoldingprocessbycomparison;andtheperformancetestingofcompositematerialsandinfluencingfactorsofsuchmaterialsarealsodiscussed.
Keywords:
windturbineblades;compositematerials;manufacturingprocess;performancetest
1、风电叶片结构特点及国内外应用情况
随着世界能源危机的日益严重,以及公众对于改善生态环境要求的呼声日益高涨,风能作为一种清洁的可再生能源日益受到各国政府的重视。
目前,全世界约有50个国家颁布了支持可再生能源发展的相关法律法规,对风电发展起到了至关重要的作用,风力发电产业正逐步发展成为初具规模的新兴产业。
目前,各国正加快对风力发电机组的研究步伐,不断推出新的技术装备。
1.1风电叶片夹层结构的特点与性能要求
风力发电机组是由叶片、传动系统、发电机、储能设备、塔架及电器系统等组成的发电装置,如图1。
要获得较大的风力发电功率,其关键在于要具有能轻快旋转的叶片。
所以,风力发电机叶片技术是风力发电机组的核心技术。
风力发电机的风轮叶片是接受风能的主要部件。
叶片的设计除了要求有高效的接受风能的翼型,合理的安装角,科学的升阻比、尖速比和叶片扭角外,叶片系列的参数见表1。
由于叶片直接迎风获得风能,所以还要求叶片具有合理的结构、优质的材料和先进的工艺以使叶片可靠的承担风力、叶片自重、离心力等给予叶片的各种弯矩、拉力,而且还要要求叶片质量轻、结构强度高、抗疲劳强度高、运行安全可靠、易于安装、维修方便、制造容易、制造成本和使用成本低。
另外叶片表面要光滑以减少叶片转动时与空气的摩擦阻力。
因此叶片技术成为制约风力发电大力发展的瓶颈。
纺织复合材料在比强度、比刚度方面具有金属材料无可比拟的优越性,加之他们耐疲劳、结构稳定、抗腐蚀、耐高温等优异性能。
因此,复合材料成为目前大型风力发电叶片的首选材料。
风力发电叶片用的材料根据叶片长度不同而选用不同的复合材料,目前最普遍采用的是玻璃纤维增强聚酯树脂、玻璃纤维增强环氧树脂,并局部采用玻纤或碳纤增强环氧树脂作为主承力结构。
总体而言,对同风轮直径叶片采用玻璃纤维增强聚酯树脂作为叶片用复合材料比采用玻璃纤维增强环氧树脂作为叶片材料时,叶片要重不少。
而同型号同材料叶片,因控制方式(失速控制与变桨控制)的不同,重量也不一样。
图1风力发电机组及其零部件
表1叶片系列参数
1.2复合材料在风电叶片结构中的应用实例
1.2.1使用可回收再利用热塑性塑料的风涡轮叶片
世界上第一个大规模风力设施使用可回收再利用热塑性塑料的风涡轮叶片已经实行了。
爱尔兰GaothTecTeo公司与日本长崎的三菱重工业和与英国CyclicsCorp签署了合作协议来发展风叶片,将透过Cyclics公司的CBT树脂和玻璃纤维补强材料来研发出产品。
根据Cyclics公司的报道,已可生产出可再回收利用的风叶片,材料平均同收达19t,这是在产业界史无前例的数据。
Cyclics公司认为这项新发展将强调对环保有效益、将持续获得可用的风能并且将改进工作场所的安全性。
使用Cyclics公司树脂的涡轮叶片对于目前的制程方式有重大改善,包括减低系统负荷、制程更快速和更安全、增加的叶片性能和可再回收利用;在初期阶段的项目中将利用Gaoth技术制造业设计制造一系列的12.6m风涡轮叶片。
这也体现了热塑性树脂的综合风涡轮叶片在全球风涡轮市场的潜力正迅速增长,对节省成本与环保有极大的效益。
1.2.2碳纳米管增强聚氨酯风电叶片的研制
为了扩大风力发电规模,更有效地利用风电资源,美国科学家首次制造出了碳纳米管增强聚氨酯风电叶片。
与传统材料如玻璃纤维增强环氧树脂复合材料(GFEP)等相比,碳纳米管增强聚氨酯复合材料重量轻、强度大、耐久性好,可提高涡轮风机的效率,有望成为制造下一代风力发电机叶片的理想材料。
测试表明,该碳纳米管增强聚氨酯复合材料单位体积的重量轻于碳纤维增强复合材料和铝,而其抗张强度是碳纤维增强复合材料的5倍、铝的60倍。
用其制造的风电叶片的寿命比用GFEP制造的风电叶片长8倍,断裂韧性也优于GFEP风电叶片。
这种新型复合材料风电叶片将首先安装在1台400瓦的涡轮风机上进行测试。
科学家还将对碳纳米管的分散性进行改进,以提高复合材料的性能。
1.3复合材料风电叶片待解决的问题及发展趋势
风电技术发展的一个重要标志是单机容量的增加。
在欧洲,尤其是德国、丹麦、西班牙,自1997年以来,风力机组的平均单机容量已经增加了一倍多。
其次是减少风场对陆上景观的影响。
为适应海上风电的需求,制造商已制造出单机容量为2~5MW的风力机组,与其配套的复合材料叶片长40~60m。
在未来10年,还有可能出现大于5MW机组用的更长的叶片。
叶片长度增加势必增加叶片的重量。
对10~60m长度的叶片进行了统计研究,发现叶片重量按长度的三次方增加,如图2所示。
图2叶片重量与叶片长度的关系
叶片重量对运行、疲劳寿命、能量输出有重要的影响。
由于叶片运行,重力产生交变荷载,使叶片本身及机组产生疲劳。
叶片减重可相应减少轮毂、机舱、塔架等结构的重量。
对于大型叶片,刚度成为主要问题。
为了保证在极端风载下叶尖不碰塔架,叶片必须具有足够的刚度。
减轻叶片的重量,又要满足强度与刚度要求,有效的办法是采用碳纤维增强。
碳纤维复合材料的弹性模量是GRP的2~3倍。
大型叶片采用碳纤维增强可充分发挥其高弹轻质的优点。
用真空灌注工艺生产碳纤维复合材料存在困难。
碳纤维比玻纤更细,表面更大,更难有效浸渍,适用的树脂粘度更低。
今后大型风力机复合材料叶片对碳纤维的需求将是很大的。
但推广应用碳纤维必须先解决技术和成本问题。
大丝束碳纤维的应用技术研究、真空灌注工艺用树脂体系的配套研究和碳/玻混杂复合材料的研究还有待进一步深入。
2、复合材料原材料选择
复合材料风机叶片是风力发电系统的关键动部件,直接影响着整个系统的性能,并要具有长期在户外自然环境条件下使用的耐候性和合理的价格。
(如图3为艾飞盛300w风力发电机叶片的实物)因此,叶片材料的选择,设计和制造质量水平十分重要,被视为风力发电系统的关键技术和技术水平代表。
2.1风机叶片材料的发展
风机叶片材料的强度和刚度是决定风力发电机组性能优劣的关键。
(图4为风电发电系统图)目前,风机叶片所用材料已由木质、帆布等发展为金属(铝合金)、玻璃纤维增强复合材料(玻璃钢)、碳纤维增强复合材料等,其中新型玻璃钢叶片材料因为其重量轻、比强度高、可设计性强、价格比较便宜等因素,开始成为大中型风机叶片材料的主流。
然而,随着风机叶片朝着超大型化和轻量化的方向发展,玻璃钢复合材料也开始达到了其使用性能的极限,碳纤维复合材料(CFRP)逐渐应用到超大型风机叶片中。
具体而言,由于应用场合的不同,风机叶片材料的选择也会有所不同。
一般较小型的叶片(如22m以下)选用量大价廉的E-玻纤增强塑料(GFRP),树脂基体以不饱和聚酯为主,也可选用乙烯酯或环氧树脂;而较大型的叶片(如42m以上)一般采用CFRP或CF与GF混杂的复合材料,树脂基体以环氧树脂为主。
为满足风机叶片的使用要求,目前玻璃纤维也在发生技术革新。
与热固性复合材料相比,热塑性复合材料具有质量轻、抗冲击性能好、生产周期短等一系列优异性能。
在相同的尺寸条件下,热塑性复合材料由于密度低,叶片的质量更轻,随之带来安装塔座和发电机质量的减小。
但是,该类复合材料的制造工艺技术与传统的热固性复合材料成型工艺差异较大,制造成本较高,成为限制热塑性复合材料用于风力发电叶片的关键问题之一。
图3艾飞盛300w风力发电机叶片图4风力发电系统
2.2风机叶片的结构与材料选择原则
风机叶片的结构和材料风力发电机叶片是一个复合材料制成的薄壳结构。
结构上分3个部分:
第一部分为根部:
材质一般为金属。
第二部分为外壳:
一般为玻璃钢,通常是使用双/多轴向织物为增强体与基体树脂复合而成。
织物可以具有不同的结构,与不同的材料进行复合,再用树脂进行连结,模塑成半个外壳。
一对半个外壳粘在一起形成一个承载外壳,图5所示为纤维增强转子叶片截面图。
第三部分为龙骨,即加强筋或加强框,一般为玻璃纤维或碳纤维增强复合材料(如图6)。
在基布结构方面,单轴向经编织物、双轴向经编织物和多轴向经编织物作为增强复合材料的基布比经纬交织的机织物具有更明显的优势。
这类轴向织物承受载荷的纱线系统按要求排列并绑缚在一起,因此能够处于最佳的承载状态。
图7表示了机织物中纱线层与单轴向经编织物中纱线层的比较。
除了上述经编轴向织物外,利用纬编绑缚系统开发出纬编多层双轴向织物和纬编多轴向织物,使织物具有较经编绑缚结构更好的可成型性。
因此在叶片结构中具有极好的应用前景。
风能的转化大小,除了与风速有关外,还与叶轮直径的平方成正比,愈来愈大的叶片对叶片的材料要求愈来愈高,要求由特轻的碳纤维构成,在达到同样刚度、强度的前提下,要求增强基布尽可能轻。
例如,一个46m直径的浆叶5年前的单片叶片质量为3500kg,而现在采用碳纤维材料,其质量仅为1600kg,而使用针织轴向织物的在减重方面比机织物更具有优越性。
图5纤维增强转子叶片截面图
图6典型叶片结构
图7机织物中纱线层与单轴向经编织物中纱线层的比较
2.3增强体材料的选择
对于同一种基体树脂来讲,采用玻璃纤维增强的复合材料制造的叶片的强度和刚度的性能要差于采用碳纤维增强的复合材料制造的叶片的性能。
但是,碳纤维的价格目前是玻璃纤维的10左右。
由于价格的因素,目前的叶片制造采用的增强材料主要以玻璃纤维为主。
随着叶片长度不断增加,叶片对增强材料的强度和刚性等性能也提出了新的要求,玻璃纤维在大型复合材料叶片制造中逐渐出现性能方面的不足。
为了保证叶片能够安全的承担风温度等外界载荷,风机叶片可以采用玻璃纤维/碳纤维混杂复合材料结构,尤其是在翼缘等对材料强度和刚度要求较高的部位,则使用碳纤维作为增强材料。
这样,不仅可以提高叶片的承载能力,由于碳纤维具有导电性,也可以有效地避免雷击对叶片造成的损伤。
2.3.1强化材料
强化材料包括:
(1)玻璃纤维强化塑料。
(2)碳素纤维强化塑料。
(3)聚酰亚胺纤维强化塑料。
(4)整体性玻璃纤维强化塑料。
对于叶片材料性能,除了物理性能以外,还要从成型性能、大批量生产条件和价格等方面予以综合考虑。
叶片各种材料性能综合对比见表2。
表2叶片各种材料性能综合对比
项目
机械性能
成型性能
量产条件
价格
综合评价
碳素纤维强化塑料
高
差
少
贵
好
聚酰亚胺纤维强化塑料
高
差
少
贵
良
整体性玻璃纤维强化塑料
低
好
多
便宜
优
由表2可知,碳素纤维和聚酰亚胺纤维强化塑料的机械性能都比整体性玻璃纤维强化塑料优越,而且转轮叶片采用碳素纤维时,运行寿命较长;但是从成型性能和价格方面看,还是整体性玻璃纤维强化塑料优越。
目前世界上新增风电机组,特别是大型风轮机组还是以整体性玻璃纤维强化塑料为主流。
2.3.2填充纤维材料
早期的风轮叶片曾经采用木材、竹子、铝合金等,后来都改用人造材料。
现代风轮机转轮叶片的填充纤维材料和机械性能对比见表3。
表3风轮机转轮叶片的填充纤维材料和机械性能对比
项目
单机容量/KW
250~300
450~600
1000
2000
2400
转轮直径/m
<32
32~45
45~60
60~74
74~90
叶片长度/m
12
18~20
26~30
36
45
填充纤维含量W/%
40
52~60
64~72
72
72
填充纤维含量φ/%
14
28~42
45~54
54
54
抗张强度/MPa
120
200~360
750~920
920
920
杨氏弹性模量/MPa
12
20~25
35~45
45
45
由表3可见,当叶片长度达30~45m时,叶片的填充材料和机械性能不再变化。
如果容量超过2400kW时,单机容量与转轮直径分别为:
3500kW/92m,5000kW/120m和7300kW/122m。
2.4基体树脂材料的选择
风电叶片中树脂基体的选择也十分重要。
聚酯树脂价格低廉,成型工艺性好,但性能一般,环氧树脂则刚好相反,性能较优但价格较高且工艺操作性不好,所以目前成本和性能等介于二者之间的乙烯基树脂被一些叶片制造商大量采用。
2.4.1树脂基体
风电机组在工作过程中,风机叶片要承受强大的风载荷、气体冲刷、砂石粒子冲击、紫外线照射等外界的作用。
为了提高复合材料叶片的承担载荷、耐腐蚀和耐冲刷等性能,必须对树脂基体系统进行精心设计和改进,采用性能优异的环氧树脂代替不饱和聚酯树脂,改善玻璃纤维/树脂界面的粘结性能,提高叶片的承载能力,扩大玻璃纤维在大型叶片中的应用范围。
同时,为了提高复合材料叶片在恶劣工作环境中长期使用性能,可以采用耐紫外线辐射的新型环氧树脂系统。
2.4.2基体材料填充剂
从经济性、作业性、生产性、实用性等多方面考虑,叶片内部填充树脂被广泛采用的主要是不饱和聚酯树脂。
但随着风电设备的大型化,对抗压缩强度、抗疲劳强度的要求都很高,长度超过20m的大型叶片已广泛采用延展性被改善了的不饱和聚酯树脂和延展性、黏结性都很优越的乙烯脂。
3、复合材料制造工艺设计与评估
随着风力发电机功率的不断提高,安装发电机的塔座和捕捉风能的复合材料叶片做的越来越大。
为了保证发电机运行平稳和塔座安全,不仅要求叶片的质量轻也要求叶片的质量分布必须均匀、外形尺寸精度控制准确、长期使用性能可靠,且兼顾生产成本。
若要满足上述要求,需要相应的成型工艺来保证。
现在的叶片成型工艺一般是先在各专用模具上分别成型叶片蒙皮、主梁及其他部件,然后在主模具上把两个蒙皮、主梁及其它部件胶接组装在一起,合模加压固化后制成整体叶片。
具体成型工艺又大致可分为八种:
①手糊工艺;②树脂传递模塑(RTM);③拉挤工艺;④缠绕工艺;⑤高压真空浸渍树脂工艺;⑥真空灌注树脂工艺(VIP);⑦预浸料工艺模压。
SPRINT技术。
3.1手糊工艺
传统复合材料风力发电机叶片多采用手糊工艺(图8为手糊工艺示意图)制造。
手糊工艺的主要特点在于手工操作、开模成型、生产效率低以及树脂固化程度往往偏低,适合产品批量较小、质量均匀性要求较低复合材料制品的生产。
图8手糊工艺示意图
手糊工艺生产风机叶片的主要缺点是产品质量对工人的操作熟练程度及环境条件依赖性较大,生产效率低和产品的而且产品质量均匀性波动较大,产品的动静平衡保证性差,废品率较高。
特别是对高性能的复杂气动外型和夹芯结构叶片,还往往需要粘接等二次加工,粘接工艺需要粘接平台或型架以确保粘接面的贴合,生产工艺更加复杂和困难。
手糊工艺制造的风力发电机叶片在使用过程中出现问题往往是由于工艺过程中的含胶量不均匀、纤维/树脂浸润不良及固化不完全等引起的裂纹、断裂和叶片变形等。
此外,手糊工艺往往还会伴有大量有害物质和溶剂的释放,有一定的环境污染问题。
3.2树脂传递模塑(RTM)
RTM工艺主要原理(图9为RTM工艺示意图)为首先在模腔中铺放好按性能和结构要求设计好的增强材料预成型体,采用注射设备将专用低粘度注射树脂体系注入闭合模腔,模具具有周边密封和紧固以及注射及排气系统以保证树脂流动顺畅并排出模腔中的全部气体和彻底浸润纤维,并且模具有加热系统可进行加热固化而成型复合材料构件。
其主要特点有:
闭模成型,产品尺寸和外型精度高,适合成型高质量的复合材料整体构件(整个叶片一次成型);初期投资小(与SMC及RIM相比);制品表面光洁度高;成型效率高(与手糊工艺相比),适合成型年产20000件左右的复合材料制品;环境污染小(有机挥发份小于50ppm,是唯一符合国际环保要求的复合材料成型工艺)。
由此可看出,RTM工艺属于半机械化的复合材料成型工艺,工人只需将设计好的干纤维预成型体放到模具中并合模,随后的工艺则完全靠模具和注射系统来完成和保证,没有任何树脂的暴露,并因而对工人的技术和环境的要求远远低于手糊工艺并可有效地控制产品质量。
图9RTM工艺示意图
RTM工艺采用闭模成型工艺,特别适宜一次成型整体的风力发电机叶片(纤维、夹芯和接头等可一次模腔中共成型),而无需二次粘接。
与手糊工艺相比,不但节约了粘接工艺的各种工装设备,而且节约了工作时间,提高了生产效率,降低了生产成本。
同时由于采用了低粘度树脂浸润纤维以及采用加温固化工艺,大大提高了复合材料质量和生产效率。
RTM工艺生产较少的依赖工人的技术水平,工艺质量仅仅依赖确定好的工艺参数,产品质量易于保证,产品的废品率低于手糊工艺。
另外,RTM工艺的技术含量高于手糊工艺。
无论是模具设计和制造、增强材料的设计和铺放、树脂类型的选择与改性、工艺参数(如注射压力、温度、树脂粘度等)的确定与实施,都需要在产品生产前通过计算机模拟分析和实验验证来确定,从而有效保证质量的一致性。
这对生产风力发电机叶片这样的动部件十分重要。
3.3拉挤工艺
拉挤成型是将连续性的增强材料经树脂浸润后,通过具有截面形状的成型模具,在模腔内固化成型或在模腔内凝胶出模后加热固化,在牵引力机构拉力下,连续牵引拔出无限长的型材制品。
拉挤过程成型原理如图10。
主要特点为:
制品等截面结构、连续化生产、质量稳定性好、生产效率高。
图10拉挤过程成型原理图
1—纱架;2—排纱架;3—胶槽;4—预成型模;5—模具;6—牵引装置;7—切割装置;8—成品堆放
在垂直轴风力发电机组(图11为其结构示意图,其主要构件包括主轴、支持翼、叶片、发电机、刹车装置、塔架等)中,叶片为鱼骨型不变截面,且不需考虑转子动平衡问题,十分适合采用拉挤工艺生产。
表4对手糊工艺与拉挤工艺应用于垂直轴风机叶片的优缺点进行了比较。
用拉挤成型工艺生产复合材料叶片可实现工业化连续生产,产品无需后期修整,质量一致,无需检测动平衡,成品率95%,用拉挤成型工艺方法生产复合材料叶片与其他成型工艺方法生产的复合材料叶片相比,成本可降低40%,销售价格降低50%。
拉挤工艺对材料的配方和拉制工艺过程要求非常严格,国际上目前只能拉挤出600~700mm宽的叶片,用于千瓦级风力发电机上。
我国目前已研制成功用于兆瓦级垂直轴风力发电机的叶片,截面尺寸为1400x252mm,壁厚6mm,长度为80~120m,属于薄壁中空超大型型材。
图11H型垂直轴风机结构图
1—主轴;2—支持翼;3—叶片;4—刹车装置;5—发电机;6—塔架
表4不同工艺叶片的比较
手糊工艺
拉挤工艺
成本
主要取决于人工成本
大批量生产时成本较低
效率
研制及少量生产时具有较高的效率
大批量生产时具有较高的效率
结构强度
可以设计铺层,进行强度补强,但制品孔隙率较高
横向结构强度弱,可以引入玻纤布织物进行加强
密度
约为1.7g/
约为2.0g/
风机叶片受力情况复杂,其中最危险的是最高转速下的运行工况和安全风速时的刹车工况10,两种情况都对叶片横向强度提出了一定要求,而拉挤产品最大的缺点就是横向强度低。
拉挤工艺的主要解决办法是在制品中合理引入玻璃纤维布或毡,从而使制品在横向上也有纤维分布,增加制品的横向强度。
另外,风机叶片是捕获风能的重要部件,要求轻质高强,因此,拉挤制品必须要求在保证力学性能的前提下重量尽可能的轻。
设计生产薄壁拉挤产品是比较合理的选择,但这也给拉挤工艺带来了一些问题。
3.4缠绕工艺
缠绕成型工艺,是将连续纤维或带浸胶之后,按照一定的规律缠绕到芯模上,然后经过加温或常温固化,制成一定形状的制品。
能够按制品的受力状况设计缠绕规律,以充分发挥纤维的强度,比强度高。
一般来讲,纤维缠绕压力容器与同体积、同压力的钢质容器相比,重量可减轻40%~60%,可靠性高。
且纤维缠绕制品易实现机械化和自动化生产,工艺条件确定后,缠出来的产品质量稳定、精确,生产效率高。
采用机械化或自动化生产,只需少数操作工人,缠绕速度快(240m/min),成本低。
在同一产品上,可合理配选若干种材料(包括树脂、纤维和内衬),使其再复合以达到最佳的技术经济效果。
但叶片的非回转体复杂特征限制了纤维缠绕技术在叶片成型工艺中的应用。
(引用文献:
风力叶片的纤维缠绕设计)
美国生产的WTS-4型风力机叶片即采用了这种方法,(图12为其成型过程)单片叶片长度达39m,重13t,其生产过程是完全自动化的。
由计算机控制的缠绕设备非常复杂,它有五种功能,即移动台架、转动芯轴、伸缩工作臂、升降杆臂以及变动缠绕角。
国外大型风机叶片大多采用复合材料D型主梁或O型主梁与复合材料壳体组合的结构形式。
该种结构的大型叶片一般采用分别缠绕成型D型或O型主梁、真空灌注成型壳体.然后靠胶接组合成整体的工艺方法。
图12缠绕成型过程
3.5高压真空浸渍树脂工艺
大型叶片可采用高压真空浸渍树脂的现代制造工艺。
叶片外壳由三部分构成:
能够承受高压真空负压作用的薄膜,能够吸入浸渍树脂的扩散层,成型后容易脱模的剥离层。
大型叶片外壳可以分半制作,即两个半瓣的叶片分别在模具上成型固化。
固化成型的叶片内部填充以作为基材的强化玻璃丝纤维编织物等材料。
对于长度为20m的小型叶片,采用手工编织、浸渍方法,填充纤维质量含量为
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