一種大風機葉片上的碳纖維研究

檀憲眾 詹明樊 顧育慧 陳文光

（明陽智慧能源股份公司，廣東中山 528437）

0.引言

風能環保，作為我國新型發展戰略目標，是未來30年新能源發展的重要方向。同時，風能也是助力我國實現碳中和目標的清潔能源。我國的風電資源優沃，根據第四次風能資源調查結果，我國風能資源可以容納的裝機容量超過10億千瓦[1]。因此，加強建設高發電效率風電葉片刻不容緩。發電量的增長可以通過增加葉輪的直徑來實現，葉輪直徑越長，所獲得的捕風面積越大，從而可以實現更高的發電量。

由于葉片長度重量的增長快于葉片長度的增長，隨著風電葉片長度越來越長，玻璃纖維的性能難以滿足百米級葉片的設計需求，從而在葉片主梁的材料選擇上，碳纖維逐漸成為主流材料。相對于玻璃纖維而言，碳纖維具有密度小，強度和剛度高的性能優勢，采用碳纖維可以使葉片的設計更加方便。另外，碳纖維的使用也符合材料、結構輕量化的發展趨勢。目前，限制碳纖維應用方面在于其價格相對較高，但是隨著國內碳纖維廠家對碳纖維的深入研究，使碳纖維應用在葉片上成為可能[2-3]。

國內外學者對碳纖維已有大量研究，碳纖維的強度、模量、疲勞性能均十分優異，在風電葉片上使用可以提升風力發電的發電量。由表1可知，拉壓模量不一致現象存在于大部分復合材料中，僅程度有所差異而已。在葉片的結構設計中，合理地運用材料的強度、模量等材料性能，可以最大程度地提升材料的利用效率。因此，對碳纖維材料性能的合理評價成為風電葉片結構設計的首要問題。本文從風電葉片的主梁生產制造、不同工藝下材料的性能、以及材料評價體系等方面對碳纖維在風電葉片上的應用進行研究。

表1 常見的幾種復合材料拉伸模量與壓縮模量的關系[4]

1.工藝簡介

1.1 真空灌注工藝

真空灌注工藝是風電葉片生產的經典工藝，其示意圖如圖1所示。真空灌注成型工藝首先需要在模具上涂覆一層脫模劑，目的是方便成型后脫模；然后按照鋪層設計鋪設纖維織物；最后布置脫模布、導流網、注膠口與抽氣口、真空袋等輔材，完成真空灌注工藝的預成型體的鋪設。在真空泵的作用下，使得整個灌注體系在維持真空負壓下，在大氣負壓作用下，樹脂被吸入與纖維預成型體緊密結合在一起，最終通過固化制成纖維增強樹脂基復合材料。

圖1 真空灌注體系示意圖

真空灌注工藝優點在于重復性好，便于批量生產，產品優良率與整體性良好，與手糊工藝相比，性能較高；與熱壓罐工藝相比，成本低廉，該工藝已廣泛應用于航空航天、風電、汽車等行業[5]。

1.2 拉擠工藝

由圖2可知，拉擠工藝預制拉擠板，是由牽引設備將紗架上有序擺放的紗團上的紗線牽引而出，在通過集紗板約束紗線排布，通過浸膠槽浸膠，在模具里面擠壓，減少富余樹脂，提高纖維含量，附上脫模布后，模具中加熱成型，冷卻后，上卷切割，形成不同長度的套裁，無損探傷等檢測合格后交付客戶。

圖2 拉擠生產工藝流程示意圖

拉擠工藝已經相對成熟，拉擠型材核心尺寸信息要配合葉片設計調整而調整，碳纖理論上在纖維方向上不能拼接，故拉擠板長度要大于梁帽使用長度，不能短缺，寬度方向，梁帽設計幅寬最優為碳纖維拉擠板幅寬的整數倍，厚度方向，厚度應適中，不能過厚，過厚則影響拉擠板貼附模具成型，影響截面尺寸。拉擠工藝具備更高的設計性，可優化性，為葉片設計輕量化帶來更大的便利和自由度。拉擠板材預制件成功后，通過真空灌注工藝將拉擠預制件按照結構設計制成一體，從而制備出風電葉片所用的主梁。

1.3 纖維復合材料拉伸模量參數對比

玻璃纖維是在風電領域上使用最多的增強材料，隨著風機的發展，超大型風機基本上已經達到百米以上，超大型風機的使用，對纖維材料性能提出了更高的需求，剛度是衡量葉片的一個重要參數。從表2統計結果來看，碳纖維的模量均超過玻纖一倍以上，碳纖維紗線密度比玻纖密度低30%，綜合性能與重量，在超大型葉片上，玻璃纖維將逐漸被碳纖維替代是一種趨勢。

表2 碳纖維與玻璃纖維性能對比

2.碳纖維的不同工藝參數對比

目前，在風電領域上運用碳纖維的工藝有3種，分別為灌注工藝、預浸料和拉擠工藝。拉擠工藝可以最大程度地體現出碳纖維的優異性能，強度和模量較灌注工藝和預浸料工藝均有一定提升[6]。

2.1 測試樣條制樣方法

統一厚度下的關鍵測試項目測試樣條制樣方法：

灌注工藝：碳纖維布堆疊鋪層，灌注，按照標準進行制樣，試樣尺寸按照標準制作。

預浸料：預浸料碳布堆疊，加熱固化，樣條尺寸按照標準進行制作。

拉擠工藝：預制拉擠板，經雕刻機雕洗成標準測試尺寸進行測試。

2.2 不同工藝下碳纖維性能對比

關鍵性能參數如表3所示，其中0°拉伸強度、0°拉伸應變、0°壓縮強度、0°壓縮應變為GL-2010特征值，其他性能為平均值。

表3 不同工藝下碳纖維性能對比

在3個工藝中，灌注工藝是傳統工藝，應用時間較長，使用經驗最為豐富，但同種材質，它的性能最弱，纖維體積含量偏低，0°拉伸模量僅有120 GPa，比預浸料工藝低14.2%，比拉擠工藝低17.8%，材料性能利用率相對較低。另外，采用灌注工藝進行纖維鋪放時，易產生褶皺等缺陷，使材料的表觀性能降低。

采用預浸料工藝，材料性能介于拉擠工藝與灌注工藝之間，但使用條件較為苛刻，需利用機械，使用半自動化工藝慢速鋪放，才能有效減少鋪放時造成的缺陷，效率較慢，成本較高。

而采用拉擠工藝，材料的性能最高，并且作為預制件，能有效減少褶皺等缺陷，快速鋪放，提高生產效率，能最大程度地利用材料性能，是目前制備外形規則構件的首選工藝。通過拉擠工藝可使得纖維的性能提升，使得結構設計余量更大，對主梁的重量設計有所保證。

3.0°彎曲研究

材料：江蘇恒神股份有限公司。

測試機構：三點彎曲是恒神實驗室測試提供；四點彎曲是上海艾柯實驗室測試提供。

設備：萬能拉力機。

如圖3所示，在碳纖維拉擠板測試中，發現0°拉伸和0°壓縮模量相差較大，表現出拉壓不一致現象。因此引入0°彎曲測試，綜合評價碳板的力學性能。其中強度為GL2010特征值，模量為平均值。表4為碳纖維拉擠板的彎曲性能測試結果。

表4 0°彎曲測試方式對比

圖3 彎曲測試示意圖

四點和三點彎曲加載方式的最大差別在于：最大彎矩和最大彎曲應力點的位置不同。采用四點彎曲加載方式時，最大彎矩位置在兩個支座的中心位置，而最大彎曲應力位于兩個加載頭的下方。三點彎曲的最大彎矩和最大彎曲應力位置都在支座的中心位置，如圖4所示。

而彎曲強度和模量均采用撓度計從下跨距的正中間位置量取撓度進行計算模量與應變，所以，三點彎的夾具會對計算區域的試樣產生破壞，而四點彎沒有，四點彎測試結果更接近真實值。從測試結果看，三點彎強度比四點彎強度略低，三點彎模量比四點彎模量低8.6%。

四點彎曲模量在拉伸模量和壓縮模量之間，而彎曲受力模式為上表面承受壓縮，下表面承受拉伸，性能測試結果和受力模式相符合。彎曲測試數據作為碳纖維拉擠板拉伸和壓縮測試的補充測試結果，對設計具備一定的參考價值。

4.結論

截至2022年5月，各大整機廠商紛紛推出百米以上葉片，運達股份在中復連眾生產的110m葉片下線。碳纖維在超大型風機葉片上使用，具備高性能，輕量化的優勢。

從性能上，拉擠工藝拉伸模量146GPa，預浸料工藝拉伸模量130GPa，灌注工藝拉伸模量120GPa，說明最關鍵的性能上，拉擠工藝>預浸料工藝>灌注工藝。

從彎曲的研究上看，四點彎曲性能優于三點彎曲，同時更接近真實值，對結構設計具備一定的參考價值，是對碳板拉伸和壓縮性能的補充參數，更客觀地評判拉伸與壓縮性能之間的差異。