碳纖維增強樹脂基復合材料在大型復合材料葉片上的應用

張宗偉 徐建英 南洋

摘? 要：本文結合碳纖維的諸多優點及實際項目情況，較為詳細地介紹了碳纖維增強樹脂基復合材料在大型復合材料風力機發電葉片上的應用實例及應用前景等，這有益于大型復合材料風力機發電葉片的應用推廣。

關鍵詞：碳纖維增強樹脂基復合材料，應用，葉片

1 本項目概況及意義

碳纖維是一種含碳量在90%以上，并具有碳素材料的結構特性以及纖維材料的形態特征的一種高性能纖維，根據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。

它的性能十分優異，密度為1.7～2.0g/cm^3，僅為鋼材的1/4，拉伸強度卻達到3000MPa以上，是鋼的四倍，熱膨脹系數小，導熱率隨溫度的升高而下降，耐高溫和低溫，抗蠕變，穩定性好，使用壽命長。

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

樹脂體系分為熱固性樹脂和熱塑性樹脂兩大類。熱固性樹脂有環氧、酚醛和不飽和聚酯樹脂等。其中環氧樹脂是由具有環氧基的化合物與多元羥基化合物進行縮聚反應而得到的產品，固化后的環氧樹脂具有良好的物理、化學性能，與金屬和非金屬材料的表面有優異的粘結強度，介電性能良好，變定收縮率小，是目前最常用的復合材料基體材料之一。

碳纖維增強樹脂基復合材料具有輕質、比強度高、比剛度大等特征，可替代傳統玻璃纖維等材料在復合材料葉片上的應用。近年來隨著風電技術的發展，風電機組向著大功率、高效能、輕量化發展，有利于提高風能利用率、降低單位功率造價，研究開發大功率風電機組及其配件將是風電產業發展的一個趨勢。

為了進一步擴大風力發電規模，更有效地利用風電資源，降低風力發電成本，風電機組的單機容量越來越大，葉片的長度也在不斷增加。葉片長度的增加勢必導致重量的增加，從而推動轉子轉動就需要更大的風力，這意味著更多的風力被浪費在了推動轉子上而非發電。因此，重量更輕、強度及剛度更高的超大型葉片成為近年來葉片設計與制造企業研究的重點。隨著風力發電機組單機功率的增大，葉片長度不斷增加，剛度和強度要求越來越高，對葉片材料提出了更高的要求。碳纖維與玻璃纖維相比，彈性模量和強度要高出2到3倍，采用碳纖維增強的復合材料葉片與采用玻璃纖維增強的復合材料葉片相比，在重量相同情況下長度可以做得更長，葉片的尺寸增長可以提高風機的風能利用率;在長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，提高風機綜合經濟性能。此外碳纖維增強復合材料具有更出眾的抗疲勞特性，是風力發電機適應惡劣氣候條件的最佳材料之一。碳纖維復合材料葉片也將成為未來葉片發展的趨勢。在氣動設計、結構設計和復合材料技術發展的基礎上，碳纖維增強樹脂基大型復合材料葉片，可以進一步提高風力發電機的推重比和發電效率，降低噪聲和自重，減輕塔筒的承重，增加經濟性，為碳纖維增強樹脂基復合材料在風力發電等清潔能源方面的推廣使用提供了最大的機遇。

2研究內容

2.1具體研究開發的內容

（1）碳纖維與環氧樹脂基體的相容性;

（2）通過碳纖維對聚合物基復合材料力學性能影響的研究，利用碳纖維改性環氧樹脂、聚酯樹脂等基體材料，提高材料的力學性能，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，提高粘接質量;

（3）通過碳纖維對聚合物導電性能影響的研究，提高聚合物的導電性能，開發具有良好導電性能的環氧樹脂基玻璃纖維增強塑料。利用導電材料通電發熱的特點，實現葉片現場修復材料的自加熱，解決低溫寒冷地區葉片大面積修復，固化溫度無法保證、影響修復質量的問題;

（4）進行碳纖維基復合材料葉片結構設計、生產工藝研究及產品試制工作;

（5）進行碳纖維制品缺陷分析，嘗試無損檢測技術研究并對結構設計及產品性能進行驗證性試驗。

（6）通過全尺寸結構靜力試驗和疲勞試驗，對碳纖維制品品的結構設計進行驗證，并對實驗過程及數據進行分析和討論，以期為碳纖維基復合材料葉片的結構設計及生產工藝改進提供參考依據;

2.2技術路線及工藝流程示意圖

工藝路線詳述如下：

2.3重點解決的關鍵技術問題

1.碳纖維與聚合物樹脂基體相容性問題。

由于國內目前使用的環氧樹脂基體、PVC等骨架材料及固化體系都是基于常規玻璃纖維開發，而碳纖維材料與環氧樹脂、膠粘劑、芯材等材料在理化性能、力學性能、工藝性能等方面的研究是亟需解決的關鍵技術問題之一;同時應健全優化大型復合材料葉片的材料體系，以便使設計更加精準，在保證足夠安全的前提下盡可能的降低材料耗用，既有利于降低產品的制造成本，也有利于提高產品的風能利用性能。

2.大尺寸、大厚度碳纖維制品缺陷分析與無損檢測技術研究。

與玻璃纖維增強環氧樹脂基復合材料相比，碳纖維增強環氧樹脂基復合材料界面結合較差，基體中氣孔較多，彎曲、壓縮、沖擊等力學性能較差。通過X射線檢測、超聲檢測等無損探傷技術，發現材料或產品內部和表面所存在的缺陷，確定適合于大尺寸、大厚度復合材料制品現場無損檢測方法，為穩定產品質量提供有效保障。

3綜述

通過本文的研究，有利于提高風能利用率、降低單位功率造價、降低風電發電成本，對促進國內風力發電機組大型化發展起到積極作用，與此同時還能為高性能大型復合材料葉片設計、模具制造、原輔材料、配件、產品測試、運輸積累一定經驗。

參考文獻

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