沙戈荒極限高低溫環境對碳纖維拉擠板的力學性能影響模擬研究

Abstract：At present，the mechanical propertiesof carbon fiber pultruded boardsare mostly studied in room temperature environment，and wind turbineblades aregraduallyappliedtothe extreme highandlowtemperature environmentof the ShagoeWilderness，buttheresearchfortheserviceconditionsof this typeof extreme highandlowtemperature environments has notbeen reported.Inthis paper，the mechanical propertiesofcarbonfiber pultruded panelsused inwind turbine blade girdercaps underhigh and low temperature extreme environments inthe Desert Gobi wasteland WindFarms were simulated andinvestigatedusingahighandlowtemperatureenvironmentchamber.Theresultsshowthatthetensile，compresiveand flexural mechanical properties ofcarbon fiber pultruded boards decayed in the high temperature environment （50°C，3h） ， with the greatest decrease in flexural strength（modulus） in the 0^° and 90^° directions，which were 8.22% （ 3.50% ）and 17. 76% （ 3.61% ），respectively.Whereas，in the low- temperature environment ）enhancement，the greatest performance gains in the 0^° and 90^o directions were in flexural strength（modulus） and compressve strength（modulus），which were 6.41% 0 4.67% ）and 18.00% （4.49 % ），respectively. The above performance changes are mainly related tothe fiberandresinmaterials themselvesandthe interfacial bondbetween thetwoasaffcted bytemperature.

Keywords：desert gobi wasteland;highandlowtemperatureenvironment，wind turbine blade；carbon fiberpultruded board；mechanical properties

1引言

風能因儲量巨大、開發成本低以及技術相對成熟而被普遍認為是化石能源的主要替代方案之二[1]。我國已連續12年成為全球最大的風電裝機市場，且先前主要裝機地區多為內陸，少量海上[2]。我國沙戈荒區域面積巨大，空曠無人，適宜百來級超大風電葉片風機的運行，且《“十四五”可再生能源發展規劃》文件明確指出，沙戈荒風光大基地逐步成為風電領域陸上裝機的重點區域[3-4]。隨著風電葉片的大型化發展，葉片的主梁材料逐漸由玻璃纖維過渡到碳纖維。碳纖維拉擠板因具有比強度和比模量高、抗沖擊性能強等優點[5]，成為目前超大風電葉片主梁設計中首選材料。

沙戈荒地區的氣候通常較為惡劣，夏季干旱少雨，太陽熱輻射強，5-9月份最高環境溫度高達35^qC 。11-12月時，最低溫度可達 -40°C ，風電葉片面臨極端低溫環境的侵蝕。所以研究沙戈荒環境下葉片梁帽用碳纖維拉擠板耐高低溫性能顯得尤為重要。目前有關碳纖維拉擠板力學性能的研究多集中在常規環境地區或常溫環境[6-8]，斷裂行為和失效特性與極端高低溫環境不同。有關沙戈荒環境地區服役用風電葉片用復合材料的研究多集中在玻璃纖維拉擠板。玻璃纖維與碳纖維材料特性受溫度影響差異極大，無法提供參考。碳纖維拉擠板在沙戈荒環境條件下的力學性能研究未見報道。為此，本文研究了我國沙戈荒地區環境特點，模擬了該類地區極限高低溫環境，分析了風電葉片梁帽用碳纖維拉擠板的力學性能變化規律，為未來沙戈荒地區大型風電葉片梁帽的設計和材料選擇奠定基礎。

2 試驗部分

2.1材料

試驗用材料如表1所示，主要材料為國內知名碳纖維拉擠板生產廠家的碳纖維拉擠板，材料牌號為CFP-WE100，規格為幅寬 120mm ，厚度 5mm 。

2.2 試驗設備

試驗設備包括萬能材料試驗機、恒定濕熱試驗箱、高低溫試驗箱和掃描電子顯微鏡，具體型號如表2所示。

表1試驗材料

2.3 試樣制備

據某風場葉片實測結果表明[3]：當大氣溫度為35^°C 時，用溫度傳感器得風電葉片內腔溫度達到49°C ，且每日最高氣溫時刻出現在14： 00～17 ：00左右，持續時間為 ³h 。用溫度傳感器的風電葉片表面溫度低于 -40°C 的時刻為01：00-04：00左右，持續時間為 ³h ，為了模擬研究碳纖維拉擠板制作的葉片在沙戈荒環境下服役可靠性，采用恒定濕熱試驗箱，設定濕度為 50±10%RH ，溫度分別為模擬最低環境溫度 -40^°C ，模擬最高環境溫度50^qC ，對比測試室溫溫度 23°C ，老化處理時間3h，碳纖維拉擠板在上述條件下老化處理后切割出力學性能測試樣品。

為了獲得碳纖維拉擠板在服役環境下的性能結果，在力學性能測試試驗機上加裝高低溫試驗箱，設定測試溫度為最低溫度 -40^°C 、最高溫度 50^qC ，對比測試常溫條件 23°C 。葉片服役過程中承受多方向載荷，為此測試了碳纖維拉擠板 0^° 和 90^° 代表性方向的性能。

綜合試驗溫度（ -40°C ， 23°C ， 50% ）和測試項目（ 0^° 拉伸性能、 90^° 拉伸性能、 0^° 壓縮性能和 90^° 壓縮性能、 0^° 彎曲性能、 90^° 彎曲性能），采用正交試驗法，共設計18組試驗。為了降低數據離散對實驗規律的影響，每組測試有效數據個數設定為10個，最終制得的試樣如圖1所示。

圖1力學性能測試前樣品圖

2.4測試項目及參考標準

壓縮和彎曲性能，具體測試內容及參考標準如表3

測試項目主要為拉擠板材關鍵性能指標拉伸、 所示。

表3測試項目及標準

3 結果與討論

3.1模擬高溫環境老化后碳纖維拉擠板的力學性能及分析

3.1.1 0^° 方向的力學性能測試結果及分析

碳纖維拉擠板經過模擬高溫服役環境 50^qC ，3h后， 0^° 方向的拉伸、壓縮和彎曲（4點彎曲）性能測試結果如表4和圖2所示。經過高溫處理后，碳纖維拉擠板在 0^° 方向上的拉伸、壓縮和彎曲性能均出現了下降，但拉伸和壓縮強度和模量最大下降率為 2.29% ，而彎曲性能降低幅度較大，強度和模量分別降低 8.22% 和 3.5% 。說明碳纖維拉擠板經過高溫處理，彎曲性能衰減更大，這主要是由于碳纖維拉擠板的拉伸性能和壓縮性能主要取決于纖維的性能。在 50% 高溫下，碳纖維性能幾乎無變化[9-10]，因此衰減幅度較低。彎曲性能取決于纖維和樹脂的結合強度，高溫處理后，碳纖維拉擠板四點彎曲前后對照如圖3所示，碳纖維拉擠板 0^° 方向彎曲強度和模量的下降率分別為 8.22% 、3.55% 。由于基體和纖維的熱膨脹系數不同，產生的內應力會降低纖維與基體間結合，從而導致彎曲性能大幅下降[]

表4力學性能測試結果

圖2碳纖維拉擠板在高溫 50‰ 和常溫 30^qC 下的 0^° 方向性能對比

圖3碳纖維拉擠板四點彎曲前后對照圖

3.1.2 90^° 方向的力學性能測試結果及分析

碳纖維拉擠板經過模擬高溫服役環境 50^°C ，3h后， 90^° 方向的拉伸、壓縮和彎曲（三點彎曲）性能測試結果如表5和圖7所示。 90^° 方向的拉伸、壓縮、彎曲強度和模量均呈現下降趨勢，強度下降率分別為 8.27% 、 7.32% 、 17.76% ；模量下降率分別為 6.43% 、 9.19% 、 3.61% 。 90^° 方向上的性能衰減比 0^° 方向衰減程度更大。這是因為 90^° 方向的拉伸、壓縮和彎曲性能主要由樹脂決定。在50% 高溫下，樹脂處于玻璃態向高彈態轉化過程，分子鏈中的鍵角活躍，柔性增加[12-13]，表現為強度和模量的下降，同樣，彎曲衰減更大。碳纖維拉擠板在高溫 50^qC 和常溫 23^°C 下的 90^° 方向性能對比如表5和圖4所示。

表5力學性能測試結果

圖4碳纖維拉擠板在高溫 50% 和常溫 23% 下的 90^° 方向性能對比

3.2模擬低溫環境老化后碳纖維拉擠板的力學性能及分析

3.2.1 0^° 方向力學性能

碳纖維拉擠板經過模擬低溫服役環境 -40°C ，³h 后， 0^° 方向的拉伸、壓縮和彎曲（3點彎曲）性能測試結果如表6和圖5所示。可以看出，經過低溫處理后， 0^° 方向拉伸、壓縮強度、模量均呈現增長的趨勢。這主要是由于基體樹脂的膨脹系數大于碳纖維的膨脹系數使碳纖維在低溫環境下會受到樹脂的夾緊力，即增加了基體與纖維的結合度，形成了強界面，提高了界面的相容性[14]，使纖維間的載荷傳遞更緊密，進而提高了低溫測試環境下 0^° 拉伸強度，而 0^° 拉伸彈性模量主要由纖維的彈性模量決定，這主要是因為低溫對纖維彈性模量影響較小[15]。 0^° 方向的彎曲強度和模量的增加率為2.03% 、 4.67% 。表明在低溫下基體樹脂的分子鏈會變得更緊密導致其承載能力提高[15]，強度提升，脆性增大。

3.2.2 90^° 方向力學性能

碳纖維拉擠板經過模擬低溫服役環境 -40°C ，³h 后， 90^° 方向的拉伸、壓縮和彎曲（3點彎曲）性能測試結果如表7和圖6所示。可以看出，碳纖維拉擠板經過低溫 -40°C 后， 90^° 方向拉伸、壓縮、彎曲出現了升高，強度變化率分別為 13.58% 、18% 、 6.45% ；模量也出現了上升，變化率為9.8% 、 4.49% 、 2.43% ；由于 90^° 拉伸、壓縮和彎曲性能主要取決于基體樹脂的性能，樹脂性能受溫度影響較大，在低溫環境下樹脂收縮，伸長率降低，脆性增加，碳纖維拉擠板強度增加較大[15]，如圖7所示，彎曲試樣斷裂形貌呈現出較為明顯的脆斷特征。如圖8所示，彎曲試樣斷口微觀形貌SEM觀察結果也呈現了脆性斷裂特征，進一步證明了該結論。

表7力學性能測試結果

以上研究結果均基于模擬環境條件下的研究結果，為了進一步證明該結果，后期擬開展為期1000h的老化試驗以模擬葉片在該環境服役20年情況研究，且計劃制作一支碳纖維拉擠板梁帽的葉片，在沙戈荒環境中服役20年來深度跟蹤研究和評估。

圖6碳纖維拉擠板在低溫 -40‰ 和常溫 23°C 下的 90^° 方向性能對比

圖7碳纖維拉擠板在低溫 -40^qC 和常溫 下的彎曲試樣前后對比圖

圖8碳纖維拉擠板在低溫 -40^°C 的彎曲試樣斷口微觀形貌SEM圖

4結語

本文研究了模擬沙戈荒地區極限高低溫環境下碳纖維拉擠板經歷高、低溫后的代表性受力方向（ 0^° 和 90^° ）的力學性能，得出以下主要結論。

（1）在高溫 50^qC 環境下老化 ³h 后，碳纖維拉擠板在 0^° 方向上的拉伸、壓縮性能降低，強度（模量）的下降率最大為 2.29% ？ 2.07% ，而彎曲強度（模量）下降率為 8.22% （ 3.50% ），性能下降幅度較大。碳纖維拉擠板在 90^° 方向上的拉伸、壓縮強度（模量）下降率分別為 8.27% （ 6.43% ）和 7.32% （ 9.19% ），彎曲強度（模量）下降率為 17.76% 1 （3.61% ）。該溫度下纖維及樹脂性能穩定，是 0^° 方向性能衰減比 90^° 方向小的主要原因。纖維與樹脂的界面因熱變形不協同而導致界面結合強度降低，是彎曲性能下降率高于拉伸和壓縮性能的主要原因。

（2）在低溫 -40°C 環境條件下，碳纖維拉擠板在 0^° 方向上的拉伸、壓縮性能升高，強度（模量）的提升率最大為 3.68% （ 2.03% ），彎曲強度（模量）提升率為 6.41% （ 4.67% ），性能提高幅度較大。碳纖維拉擠板在 90^° 方向上的拉伸、壓縮強度（模量）提升率分別為 13.58% （9.80% ）和 18.00% 1 4.49% ），彎曲強度（模量）提升率為 6.45% 1 2.43% ），提升幅度較小。低溫度下樹脂基體因收縮而脆性增大是導致性能提升的主要原因。纖維與樹脂粘結力增加是 90^° 方向性能提高比 0^° 方向大的主要原因。

碳纖維拉擠板的力學性能在高溫環境下衰減，低溫環境下提升，且彎曲性能比拉伸和壓縮性能受環境影響更大。對于受力方向而言，碳纖維拉擠板在 90^° 方向上的性能比 0^° 方向性能受環境影響更大。在葉片結構設計的時，應充分考慮碳纖維拉擠板材料上述特性，為結構件預留充足的容許值。

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