风电叶片模具用碳化硅热容层导热性能研究.pdf

　５０　　　风电叶片模具用碳化硅热容层导热性能研究　　２０１４年７月　风电叶片模具用碳化硅热容层导热性能研究　　李义全，逢增凯，陈万康，张作朝　　　　　（北京玻钢院复合材料有限公司，北京１０２１０１）　摘要：采用真空灌注成型工艺制备了模拟叶片模具玻璃钢复合材料试板，利用碳化硅作为试板的导热层，研究了不同目　　　数的碳化硅导热均匀性。结果表明，当２２０目碳化硅与１００目碳化硅质量比为１：１时，碳化硅导热均匀；当碳化，硅ｌ／环氧树脂混　　　　合体系的黏度为２．９Ｐａ・ｓ时，体系具有适宜的刮腻性，适合将其作为叶片模具热容层；将碳化硅应用于叶片模具生产中时，模℃　具表面平均温度为６３，温度整体分布比较均匀。　　　　　　　关键词：风电叶片模具；碳化硅；导热性能　　中图分类号：ＴＢ３３２ｉＴＫ８３　　———　文献标识码：Ａ文章编号：１００３０９９９（２０１４）０７００５００３　　　　　１引言　　　环氧树脂具有优异的粘接性、力学性能、电绝缘　性、化学稳定性、收缩率低、可加工性等，在风电叶片　　　　及叶片模具领域应用广泛］。但由于环氧树脂属　　　　　　于热的不良导体（热导率入＝０．２０Ｗ／ｍＫ），将其作　为叶片模具基体树脂时，模具将会产生传热不均、模　具表面温差大的问题，造成模具自身后固化不均，部　　　　分区域玻璃化转变温度（Ｔｇ）达不到使用要求，影响　模具质量及使用寿命。　　　　目前通过结构改性制备导热环氧树脂难度较　　　大，通常采用的方法是在环氧树脂中填充高导热性　　　　　　填料，借助其原子晶体和致密结构，以声子为载流　　　　　　　子，提高环氧树脂的导热性能＿４］。碳化硅具有导　　　　　　电性优、导热性佳（热导率＝８４Ｗ／ｍＫ）、硬度高、　韧性强、耐磨损性好和耐高温性佳等诸多优异性能，　将其作为基体树脂的导热填料，可以显著提高复合　　　材料的导热性能Ｊ。　　本文采用碳化硅作为导热填料，以环氧树脂为　基体，玻璃纤维为增强材料，模拟叶片模具的结构。　　　采用真空灌注成型工艺，制备了碳化硅／环氧树脂复　　　合材料试验平板，测试了碳化硅作为热容层，模拟平　板的导热均匀性及热导率。并将碳化硅应用于叶片　模具生产中，作为模具的导热热容层，测试了模具表　　面的温度均匀性。　　　　２实验　　　　２．１实验原料　　　Ａｒａ１ｄｉｔｅ＠ＬＹ５６４环氧树脂，胺类固化剂Ａｒａｄｕｒ￣　　　　　　　　　２２９６２，美国Ｈｕｎｔｓｍａｎ公司；碳化硅（１００目、２２０　　　　　目），北京砂轮磨料磨具公司；电子称，台湾钰恒公　　　　　　　司；２０００ｇ玻璃纤维四轴布ＥＣＷ２０００（０￣／＋４５。／　　　　　９０。／一４５。）一１２６０，泰安玻璃纤维有限公司；汉高　　　５５－ＮＣ脱模剂，北京伊诺瓦科技有限责任公司。　　　　　２．２实验仪器　　２Ｘ一３０型真空泵，上海真空泵厂；ＮＤＪ．１型旋转　　　　　黏度计，上海精科实业有限公司；红外测温枪，上海　　　艾测电子科技有限公司；红外热成像仪，美国福禄克　公司。　　２．３试样制备　称取一定质量的ＬＹ５６４环氧树脂，加入一定质　　　　量胺类固化剂Ａｒａｄｕｒ＠２２９６２，环氧树脂：固化剂＝　　　　１００：２５（重量比）。缓慢加入不同粒度及级配的碳　　　　　化硅，搅拌均匀，直到体系的黏度达到适宜的刮腻　　　　性，确定碳化硅热容层腻子便于操作的最佳粘度，进　而得到腻子的最佳质量组成配比。　　取一定尺寸的光洁模具，清洁表面后涂５５．ＮＣ　　　　脱模剂，每０．５ｈ涂一次，总共涂三次。采用真空灌　　注工艺制备玻璃纤维／环氧树脂复合材料试验平板，　　　　采用５层增强纤维四轴布，平板尺寸为１．２×１．０×　　　　　０．８ｍ，模拟叶片模具内结构层，室温固化２４ｈ。在平　　　收稿日期：２０１４－０１－２３　　作者简介：李义全（１９７６一），男，工程师，主要从事风力发电配套用叶片模型模具的研制。　｜　避§　　ｌ姆　　２０１４年第７期　　　　　　　玻璃钢／复合材料　５１　　　　　板表面铺设电加热线，间距为２０ｒａｍ，模拟叶片模具　　　　的电加热方式。加热线铺好后，将环氧树脂固化剂　　　　碳化硅按最佳配比混合，并搅拌均匀。将平板分为　四个区域，分别采用无碳化硅，２２０目碳化硅，１００目　　　　　碳化硅，２２０目与１００目碳化硅１：１混合。在加热线　　　　上面刮混合好的碳化硅腻子作为导热层，厚度与电　　　　　　　　　　加热线的直径相同，放两个热电阻，室温固化５ｈ。　　　　然后灌注外结构层，采用４层增强纤维四轴布，铺一　　　　　层轻木，轻木下面放两个热电阻，最后再铺１层玻璃　　　　　　　纤维布，真空灌注，室温固化２４ｈ。连接热电阻，热　电阻分别与腻子层和轻木下层热电阻连接。模拟的　叶片模具结构从下到上依次是模具／外结构／电加热　线／碳化硅导热层／轻木／外结构。　　　　将制备的模拟叶片模具平板脱模后，将内结构　的表面按５ｃｍ间距均匀地划分为不同的测试点，使　用红外测温枪测试其温度均匀性。　　　　　　　　采用碳化硅作为实际生产中叶片模具的热容　　　层，并采用红外热成像仪测试模具表面温度均匀性。　　３结果与讨论　　　　３．１碳化硅工艺性　将碳化硅作为热容层应用于叶片模具时首先保　Ⅱ　　证其合适的工艺性能。体系黏度越大，舌腻性越差，　　　　效率越低，并且容易造成浪费。不同碳化硅质量比　　的体系黏度如表１所示。　　　　　表ｌ不同碳化硅质量比的体系黏度（Ｐａ・ｓ）　　　　　　　　注：比例均为质量比。　　实验得出：当混合体系的黏度为２．９Ｐａ・ｓ时，体　系具有适宜的刮腻性，适合将其作为叶片模具热容　　　　　层。相同质量的树脂体系，达到最佳黏度，１００目的　　　　　　碳化硅添加量最多。１００目与２２０目级配的次之，　　２２０目的碳化硅添加量最少。　　　　　　３．２模拟叶片模具平板的性能　　　　模拟叶片模具平板９０￣Ｃ后固化３ｈ，平均温度差　　　如表２所示。　　　℃　　袁２模拟叶片模具平板的温度差（）　　　从表２可以看出，无论采用哪种碳化硅热容层，　　　模拟叶片模具平板的平均温度差不超过４．４￣Ｅ，无　℃　热容层平板的温度差为６。说明碳化硅作为叶片　模具的热容层可以一定程度上增强其导热性，避免　　因热容层导热不均匀造成的叶片模具加热不均，进　　而导致叶片模具收缩不均、变形较大等问题。　　　　采用２２０目：１００目碳化硅＝１：１时，温度差最　　　低为４．０ｑＣ。无机填料的导热主要是靠晶格声子振　　动来完成的１９］，通过不同粒径的填料进行匹配，可以　　增加材料中颗粒问的接触，使导热颗粒在复合材料　　　体系中形成导热通道，提高其导热均匀性。　　　　　　　　　　　　　　　　３．３碳化硅作为叶片模具热容层的生产　　应用　　　　实际生产中，采用２２０目：１００目碳化硅＝１：１　　　　作为叶片模具的热容层，其红外成像图如图１所示。　　　　ｌ识别码ｌ平均值｛最小值ｌ最大值ｌ范围Ｉ标准方割　　　　Ｌ－．Ｉ＿＿＿鳓　礴　　　　图１叶片模具红外成像图　７３・９。●　　　　＿　　　　　℃　　从图１可以看出，模具表面平均温度为６３，　　　　温度整体分布比较均匀，因此采用碳化硅作为叶片　　　　　模具热容层具有可行性。模具靠电加热线加热，因　此其附近区域温度略微偏高。　　　　４结论　　（１）碳化硅可以提高玻璃钢复合材料的导热均　　　　　匀性，并且当２２０目：１００目碳化硅＝１：１时，导热性　　较好；　　瞅｜２　５２　　　　　风电叶片模具用碳化硅热容层导热性能研究　　２０１４年７月　　　　　　　　　　（２）当碳化硅／环氧树脂混合体系的黏度为　２．９Ｐａ・Ｓ时，体系具有适宜的刮腻性，适合将其作为　　叶片模具热容层；　　　（３）将碳化硅应用于叶片模具生产中时，模具　　表面平均温度为６３￣Ｃ，温度整体分布比较均匀。　参考文献　［１］王欣，薛亚鹏，王晶，等．大型风机叶片新材料和新技术的发展　　［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２０１１，（３）：５５－５９．　　　　［２］李艳菲，李敏，顾轶卓，等．风电叶片用真空灌注型环氧树脂及　　　　　　　　　　　　　其复合材料性能研究［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２０１２，（４）：　　１０９．１１４．　　　　　　　［３］郑澎，张彦飞，赵贵哲，等．风电叶片用环氧树脂固化动力学特　性及力学性能的研究［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２０１１，（２）：８－１１．　［４］王明明，张小耕．Ｓｉ３Ｎ４／环氧树脂导热复合材料制备和性能研　　　究［Ｊ］．粘接，２０１０，（１１）：４９－５２．　　　　［５］卢敏．ＭＷ级风电叶片用环氧树脂基复合材料耐候性研究［Ｄ］．　　　长沙：湖南工业大学。２０１２．　　［６］季秋龙，章明秋，容敏智，等．纳米碳化硅填充环氧树脂复材料—　的摩擦磨损特性［Ｊ］．复合材料学报，２００４，２１（６）：１４１９．　　　　　［７］顾军渭，张秋禹，王小强．碳化硅／环氧树脂导热复合材料的制　　　备与性能［Ｊ］．中国胶粘剂，２０１０，１９（１２）：１８－２１．　　　　　　［８］崔永，邢志国，吕振林，等．偶联剂ＫＨ－５５０在改性环氧树脂胶　　　　粘ＳｉＣ耐磨涂层中的应用［Ｊ］．表面技术，２００９，３８（１）：２０－２２．　　［９］郑亚萍，宁荣昌．纳米ＳｉＯ：一环氧树脂复合材料性能研究［Ｊ］．　　　玻璃钢／复合材料，２００１，（２）：３４３６．’’　　　　　’　　　　　　　ｌＨＥＫＭＡＬＰＲＵＰＥＲＴＹＵＳｌＬＩＣＵＣＡＲＢｌＤＥＵＳＥＤＡＳＴＨＥＲＭＡＬ　　　　　　　　ＬＡＹＥＲｏＦＷＩＮＤＴＵＲＢＩＮＥＢＬＡＤＥＭｏＬＤ　　—　　—　—　ＵＹｉ－ｑｕａｎ，ＰＡＮＧＺｅｎｇｋａｉ，ＣＨＥＮＧＷａｎｇｋａｎｇ，ＺＨＡＮＧＺｕｏｃｈａｏ　　　　　（ＢｅｉｊｉｎｇＣｏｍｐｏｓｉｔｅＭａｔｅｒｉａｌｓＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０２１０１，Ｃｈｉｎａ）　　　　　　　　　　　　　　　　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｔｙｐｅｏｆｇｌａｓｓｆｉｂｅｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｅｐｏｘｙｃｏｍｐｏｓｉｔｅｗａｓｐｒｅｐａｒｅｄｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｂｌａｄｅｕｓｉｎｇ　　　　　　　　　　　　　　　ｖａｃｕｕｍｉｎｆｕｓｉｏｎｍｏｌｄｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ．Ｓｉｌｉｃｏｎｃａｒｂｉｄｅ（ＳＩＣ）ｗａｓｕｓｅｄａｓｔｈｅｒｍａｌｌａｙｅｒｉｎｔｈｅｂｌａｄｅ．ｒｈｅｔｈｅｒｍａｌｃｏｎ－　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　ｄｕｃｔｉｖｉｔｙｏｆｓｉｌｉｃｏｎｃａｒｂｉｄｅｇｒａｎｕｌａｒｉｔｙｗａｓｓｔｕｄｉｅｄ．Ｗｈｅｎｔｈｅｍａｓｓｒａｔｉｏｏｆ２２０ｍｅｓｈｔｏ１００ｍｅｓｈｓｉｌｉｃｏｎｃａｒｂｉｄｅ　　　　　　　　　　　　　　　　ｗａｓ１：１．ＳｉＣｅｘｈｉｂｉｔｕｎｉｆｏｒｍｔｈｅｒｍａｌｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ．ＷｈｅｎｔｈｅｖｉｓｃｏｓｉｔｙｖａｌｕｅｏｆｔｈｅＳｉＣ／ｅｐｏｘｙｓｙｓｔｅｍｗａｓ２．９Ｐａ・　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Ｓ，ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｗａｓａｂｌｅｔｏｂｅｕｓｅｄａｓａｂｌａｄｅｍｏｌｄｔｈｅｒｍａｌｌａｙｅｒｆｏｒｉｔｓｄｅｃｅｎｔｐｒｏｐｅｒｔｙｏｆｓｃｒａｐｉｎｇ．ＷｈｅｎＳＩＣｗａｓ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　ａｐｐｌｉｅｄｔｏｔｈｅｂｌａｄｅｍｏｌｄ，ｔｈｅａｖｅｒａｇｅｓｕｒｆａｃｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆｔｈｅｍｏｌｄｗａｓ６３ｃｃ，ａｎｄｔｈｅｏｖｅｒａｌｌｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｉｓｔｒｉ－　　　ｈｕｔｉｏｎｗａｓｕｎｉｆｏｒｍ．　　　　　　　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｂｌａｄｅｍｏｌｄ；ｓｉｌｉｃｏｎｃａｒｂｉｄｅ；ｔｈｅｒｍａｌｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ　　—Ｆ＿Ｒｌ帅¨