碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料在大型復(fù)合材料葉片上的應(yīng)用

張宗偉 徐建英 南洋

摘? 要：本文結(jié)合碳纖維的諸多優(yōu)點(diǎn)及實(shí)際項(xiàng)目情況，較為詳細(xì)地介紹了碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料在大型復(fù)合材料風(fēng)力機(jī)發(fā)電葉片上的應(yīng)用實(shí)例及應(yīng)用前景等，這有益于大型復(fù)合材料風(fēng)力機(jī)發(fā)電葉片的應(yīng)用推廣。

關(guān)鍵詞：碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料，應(yīng)用，葉片

1 本項(xiàng)目概況及意義

碳纖維是一種含碳量在90%以上，并具有碳素材料的結(jié)構(gòu)特性以及纖維材料的形態(tài)特征的一種高性能纖維，根據(jù)制造原料的不同可以分為聚丙烯腈基碳纖維、瀝青基碳纖維和膠粘基碳纖維，其中聚丙烯腈基碳纖維的使用量最多。

它的性能十分優(yōu)異，密度為1.7～2.0g/cm^3，僅為鋼材的1/4，拉伸強(qiáng)度卻達(dá)到3000MPa以上，是鋼的四倍，熱膨脹系數(shù)小，導(dǎo)熱率隨溫度的升高而下降，耐高溫和低溫，抗蠕變，穩(wěn)定性好，使用壽命長(zhǎng)。

樹(shù)脂在材料成型中的作用主要包括三個(gè)方面，第一：它為纖維提供一種剛性支撐，將纖維在預(yù)定的位置和方向固定下來(lái);第二：傳遞載荷;第三：隔離纖維免受周圍環(huán)境的影響。

樹(shù)脂體系分為熱固性樹(shù)脂和熱塑性樹(shù)脂兩大類。熱固性樹(shù)脂有環(huán)氧、酚醛和不飽和聚酯樹(shù)脂等。其中環(huán)氧樹(shù)脂是由具有環(huán)氧基的化合物與多元羥基化合物進(jìn)行縮聚反應(yīng)而得到的產(chǎn)品，固化后的環(huán)氧樹(shù)脂具有良好的物理、化學(xué)性能，與金屬和非金屬材料的表面有優(yōu)異的粘結(jié)強(qiáng)度，介電性能良好，變定收縮率小，是目前最常用的復(fù)合材料基體材料之一。

碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料具有輕質(zhì)、比強(qiáng)度高、比剛度大等特征，可替代傳統(tǒng)玻璃纖維等材料在復(fù)合材料葉片上的應(yīng)用。近年來(lái)隨著風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展，風(fēng)電機(jī)組向著大功率、高效能、輕量化發(fā)展，有利于提高風(fēng)能利用率、降低單位功率造價(jià)，研究開(kāi)發(fā)大功率風(fēng)電機(jī)組及其配件將是風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)。

為了進(jìn)一步擴(kuò)大風(fēng)力發(fā)電規(guī)模，更有效地利用風(fēng)電資源，降低風(fēng)力發(fā)電成本，風(fēng)電機(jī)組的單機(jī)容量越來(lái)越大，葉片的長(zhǎng)度也在不斷增加。葉片長(zhǎng)度的增加勢(shì)必導(dǎo)致重量的增加，從而推動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)就需要更大的風(fēng)力，這意味著更多的風(fēng)力被浪費(fèi)在了推動(dòng)轉(zhuǎn)子上而非發(fā)電。因此，重量更輕、強(qiáng)度及剛度更高的超大型葉片成為近年來(lái)葉片設(shè)計(jì)與制造企業(yè)研究的重點(diǎn)。隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組單機(jī)功率的增大，葉片長(zhǎng)度不斷增加，剛度和強(qiáng)度要求越來(lái)越高，對(duì)葉片材料提出了更高的要求。碳纖維與玻璃纖維相比，彈性模量和強(qiáng)度要高出2到3倍，采用碳纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料葉片與采用玻璃纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料葉片相比，在重量相同情況下長(zhǎng)度可以做得更長(zhǎng)，葉片的尺寸增長(zhǎng)可以提高風(fēng)機(jī)的風(fēng)能利用率;在長(zhǎng)度相同情況下葉片的重量更輕，降低塔筒、輪轂等部件的造價(jià)，提高風(fēng)機(jī)綜合經(jīng)濟(jì)性能。此外碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有更出眾的抗疲勞特性，是風(fēng)力發(fā)電機(jī)適應(yīng)惡劣氣候條件的最佳材料之一。碳纖維復(fù)合材料葉片也將成為未來(lái)葉片發(fā)展的趨勢(shì)。在氣動(dòng)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和復(fù)合材料技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上，碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基大型復(fù)合材料葉片，可以進(jìn)一步提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)的推重比和發(fā)電效率，降低噪聲和自重，減輕塔筒的承重，增加經(jīng)濟(jì)性，為碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料在風(fēng)力發(fā)電等清潔能源方面的推廣使用提供了最大的機(jī)遇。

2研究?jī)?nèi)容

2.1具體研究開(kāi)發(fā)的內(nèi)容

（1）碳纖維與環(huán)氧樹(shù)脂基體的相容性;

（2）通過(guò)碳纖維對(duì)聚合物基復(fù)合材料力學(xué)性能影響的研究，利用碳纖維改性環(huán)氧樹(shù)脂、聚酯樹(shù)脂等基體材料，提高材料的力學(xué)性能，減少材料用量，降低葉片重量，其次，提高葉片合模膠粘界面的粘接性能，提高粘接質(zhì)量;

（3）通過(guò)碳纖維對(duì)聚合物導(dǎo)電性能影響的研究，提高聚合物的導(dǎo)電性能，開(kāi)發(fā)具有良好導(dǎo)電性能的環(huán)氧樹(shù)脂基玻璃纖維增強(qiáng)塑料。利用導(dǎo)電材料通電發(fā)熱的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)葉片現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)材料的自加熱，解決低溫寒冷地區(qū)葉片大面積修復(fù)，固化溫度無(wú)法保證、影響修復(fù)質(zhì)量的問(wèn)題;

（4）進(jìn)行碳纖維基復(fù)合材料葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)工藝研究及產(chǎn)品試制工作;

（5）進(jìn)行碳纖維制品缺陷分析，嘗試無(wú)損檢測(cè)技術(shù)研究并對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及產(chǎn)品性能進(jìn)行驗(yàn)證性試驗(yàn)。

（6）通過(guò)全尺寸結(jié)構(gòu)靜力試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)，對(duì)碳纖維制品品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證，并對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程及數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和討論，以期為碳纖維基復(fù)合材料葉片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及生產(chǎn)工藝改進(jìn)提供參考依據(jù);

2.2技術(shù)路線及工藝流程示意圖

工藝路線詳述如下：

2.3重點(diǎn)解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題

1.碳纖維與聚合物樹(shù)脂基體相容性問(wèn)題。

由于國(guó)內(nèi)目前使用的環(huán)氧樹(shù)脂基體、PVC等骨架材料及固化體系都是基于常規(guī)玻璃纖維開(kāi)發(fā)，而碳纖維材料與環(huán)氧樹(shù)脂、膠粘劑、芯材等材料在理化性能、力學(xué)性能、工藝性能等方面的研究是亟需解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題之一;同時(shí)應(yīng)健全優(yōu)化大型復(fù)合材料葉片的材料體系，以便使設(shè)計(jì)更加精準(zhǔn)，在保證足夠安全的前提下盡可能的降低材料耗用，既有利于降低產(chǎn)品的制造成本，也有利于提高產(chǎn)品的風(fēng)能利用性能。

2.大尺寸、大厚度碳纖維制品缺陷分析與無(wú)損檢測(cè)技術(shù)研究。

與玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料相比，碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料界面結(jié)合較差，基體中氣孔較多，彎曲、壓縮、沖擊等力學(xué)性能較差。通過(guò)X射線檢測(cè)、超聲檢測(cè)等無(wú)損探傷技術(shù)，發(fā)現(xiàn)材料或產(chǎn)品內(nèi)部和表面所存在的缺陷，確定適合于大尺寸、大厚度復(fù)合材料制品現(xiàn)場(chǎng)無(wú)損檢測(cè)方法，為穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量提供有效保障。

3綜述

通過(guò)本文的研究，有利于提高風(fēng)能利用率、降低單位功率造價(jià)、降低風(fēng)電發(fā)電成本，對(duì)促進(jìn)國(guó)內(nèi)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組大型化發(fā)展起到積極作用，與此同時(shí)還能為高性能大型復(fù)合材料葉片設(shè)計(jì)、模具制造、原輔材料、配件、產(chǎn)品測(cè)試、運(yùn)輸積累一定經(jīng)驗(yàn)。

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