风电叶片用国产碳纤维预浸料工艺性能和力学性能研究.pdf

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风电叶片用国产碳纤维预浸料工艺性能和力学性能研究1 风电叶片用国产碳纤维预浸料工艺性能和力学性能研究2 风电叶片用国产碳纤维预浸料工艺性能和力学性能研究3 风电叶片用国产碳纤维预浸料工艺性能和力学性能研究4 风电叶片用国产碳纤维预浸料工艺性能和力学性能研究5 风电叶片用国产碳纤维预浸料工艺性能和力学性能研究6 风电叶片用国产碳纤维预浸料工艺性能和力学性能研究7
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  皇苎旦国产碳纤维预浸料工艺性能和力学性能研究 2016年2月   风电叶片用国产碳纤维预浸料工艺性能和力学性能研究      宋秋香,贾智源,高克强        (1.中材科技风电叶片股份有限公司,北京102101;2.特种纤维复合材料国家重点实验室,北京102101)            摘要:应用碳纤维制备风电叶片结构件是大型风电叶片制作技术的一个发展方向。为推动国产碳纤维的发展应用。给出  了风电叶片对碳纤维预浸料的技术要求,研究了国产碳纤维预浸料和进口碳纤维预浸料的力学性能和工艺性能,通过对比分   析发现,面密度低的国产碳纤维预浸料力学性能高于进口碳纤维预浸料,但面密度 ̄>600g/m的国内碳纤维预浸料的工艺性能  较差,需要进一步改进。 关键词:碳纤维预浸料;工艺性能;力学性能;风电叶片  中图分类号:TB332;TQ323.5   文献标识码:A ——— 文章编号:10030999(2016)02004007   随着风电技术的日趋成熟和陆上风电的逐渐饱    和,风电产业快速向陆上低风速区和海上发展,风力  发电技术主要沿着增大单机容量、减轻单位千瓦重量、提高转换效率的方向发展¨ J。风电叶片作为风  力发电机组的关键捕风部件,叶片长度和重量不断     增加,玻璃纤维已不能满足叶片刚度、轻质等要求。     碳纤维因其高比模、高比强的性能优势被应用于叶 片生产中,可以满足大型叶片结构件的强度和刚度   要求,同时也可以减轻叶片的重量。。国内外的    许多叶片公司,包括通用电气、维斯塔斯、西门子、中 材叶片等都已经实现了碳纤维复合材料风电叶片的  批量化生产,并且所采用的成型技术都是预浸料技  术。风电叶片厂家使用的碳纤维预浸料均为进口预 浸料,成本高的缺点制约了它的大规模应用。    碳纤维复合材料在我国的应用主要分为两类:一  是用于飞机结构的碳纤维,二是用于工业应用领     域的低成本碳纤维。过去,我国的碳纤维生产主 要围绕航空需要的小丝束,对工业应用领域的碳纤     维开发较少,所以工业用的大丝束碳纤维研究起步   较晚。近年来,随着工业的迅猛发展,国内碳纤维企 业也在积极开发工业应用的大丝束碳纤维,试图开 发出风电叶片专用的碳纤维预浸料。  本文测试了某碳纤维预浸料厂家提供的风电叶   片专用国产碳纤维预浸料,选用该国产风电叶片专   用单向碳纤维预浸料,从工艺特性和力学特征性能     方面与进口预浸料进行对比分析,总结出了风电叶  片对碳纤维预浸料的技术要求,从而为国产碳纤维    预浸料制造商的制作工艺改进提供良好的技术支    持,推动风电叶片原材料国产化的进程及碳纤维的  应用。  1实验过程  1.1原材料 实验选取国内某企业生产的单向碳纤维预浸料      A和B,及一种国外进口的单向碳纤维预浸料c,碳  纤维预浸料相关参数如表1所示。   表1碳纤维预浸料      Table1Carbonfiberprepregs 1.2仪 器     真空干燥箱,型号DZF一6050;无纸记录仪,型号    XSR70A/Y.32EVOUSB;差示扫描量热仪,型号DSC    Q200;电子万能试验机,型号Instron3382;蔡司体式    显微镜,型号Stemi2000-C。  1.3试样制备  力学性能和工艺性能测试层合板在电加热模具  上制作,铺层时为保证预浸料平整及相邻预浸料层   间贴实没有残余空气,采用平整的刮板将预浸料表   面刮平,尽量排除层间的空气。铺层完成后密封真      空袋并打开真空泵抽真空(如图1)J,当真空袋内  — 收稿日期:201508-19   基金项目:国家科技支撑计划课题(2012BAA01B02)       作者简介:宋秋香(1980.),女,硕士,工程师,主要从事风电叶片复合材料成型工艺研究。 | ,c o.2   2016年第2期       玻璃钢/复合材料 41  的真空负压达到最大值后要保压,然后按照各自的 最佳固化制度固化制备碳纤维层合板。   图1预浸料成型示意图         Fig.1Aschematicillustrationofavacuumbagging  1.4工艺性能测试     可铺覆性:用肉眼观察碳纤维预浸料的表观质   量,在铺层操作中用手感觉碳纤维预浸料与隔离纸  及手的粘度。     DSC测试:采用TA公司制造的Q2oo型差示扫          描量热仪进行DSC测试,选用的升温速率分别为        5/rain、10oC/min和200(2/min,所有试验均采用 N,保护。   固化放热测试:模仿风电叶片中主梁的制作工      艺,制作厚度约3cm的碳纤维层合板,并在层合板    厚度的0、1/4、1/2、3/4和1处的同一位置处布置热   电偶,采用北京金紫光科技发展有限公司的XSR70A/  Y一32E ̄0USB无纸记录仪测试碳纤维预浸料在85cc 等温温度下不同位置的实时温度。  1-5力学性能测试     单向碳纤维复合材料的力学性能测试,拉伸强 度、压缩强度和纵横剪切强度的测试参考标准分别  —    为ISO5275(2O09)、ISO14126(1999)和ISO14129 (1997)。  纤维体积含量和孔隙率测试:采用蔡司Stemi           — 2000一C体式显微镜,依据测试标准GB/T3365 2008测得。  2结果与讨论      2.1工艺性能  2.1.1可铺覆性能   现有风电叶片主梁大多为纤维层叠结构,因此   在风电叶片结构设计中,纤维层的单层厚度对主梁 的铺层结构有较大的影响,单层厚度较大影响其刚   度的分布,而单层厚度较小则会增加铺层强度,降低 铺层效率,因此在风电叶片生产中要求纤维层的单 层厚度适中,即要求纤维的面密度适中,一般要求碳  纤维预浸料的纤维面密度均一且> ̄600g/m,同时碳    纤维预浸料的边缘不能起毛,碳纤维预浸料的表面 不能有明显的鼓包等缺陷,同时要求碳纤维预浸料  “  在不同的环境温度下粘度适中,达到不粘手,不发”   脆的状态,并且与隔离纸的粘接粘度适中,方便工   人操作,提高铺层效率和铺层质量。    将国产碳纤维预浸料A、B和进口碳纤维预浸  料C从冰柜中拿出,密封放置冷却至室温。    国产碳纤维预浸料A解冻后,预浸料的边缘处 有大量的树脂,并且树脂的粘度较大;碳纤维预浸料   中纤维是单向分布,但纤维中有较多的千丝,局部纤 维出现扭曲,预浸料的纤维面密度和树脂含量分布  不均匀。      国产碳纤维预浸料B与进口碳纤维预浸料C  解冻后表观质量较好,但国产碳纤维预浸料B的表   面有少量的鼓包,预浸料的边缘有少许起毛现象,而     进口碳纤维预浸料C表面没有明显的鼓包,碳纤维  预浸料的边缘切割整齐。 从以上表观质量的分析中可以看出,国产碳纤       维预浸料A的表观质量比进口碳纤维预浸料的表    观质量差,而国产碳纤维预浸料B的表观质量比预    浸料A有了较大的改进,主要原因是国产碳纤维预      浸料A的纤维面密度为600g/m,而国产碳纤维预       浸料B的纤维面密度为300#m,国产碳纤维预浸  料大多采用干法工艺制备,在碳纤维浸渍的过程中, 国内现有的预浸料制作工艺制备低纤维面密度的碳   纤维预浸料技术比较成熟,但制备高纤维面密度的   碳纤维预浸料时,由于纤维面密度增加,纤维浸渍过    程中对树脂预浸温度、预浸速度和环境温湿度及冷  却系统、收卷张力等工艺参数的要求不同,制作高面 密度碳纤维预浸料的技术明显不足。  测试国内碳纤维预浸料B的单层厚度约为        0.29ram,而碳纤维预浸料C纤维面密度为600#   m,测试单层厚度约为0.58ram,在不改变风电叶片    结构设计的基础上,用碳纤维预浸料B制备主梁铺     层数是碳纤维预浸料C的2倍,劳强度增加一倍, 大大降低了铺层效率。因此国内需要提高高面密度    碳纤维预浸料的制作技术,制备出表观质量满足要    求的纤维面密度 ̄600g/m的碳纤维预浸料。  2.1.2固化制度      在风电叶片主梁帽制作过程中需要使用导流 网、真空膜等辅助材料,因此在主梁帽制作过程中,   树脂的放热温度不能过高,否则辅助材料可能会融    化破坏失去其相应的作用;同时放热集中可能会导  镪%  0 。。■     Ⅳ _F融弓/(ll糟臣D.|2 42   !堕里 笙预浸料工艺性能和力学性能研究 2016年2月 致预浸料表面的气泡无法排出,出现鼓包分层等严 重缺陷。因此用碳纤维预浸料制作主梁时,碳纤维  预浸料的预热温度、放热量、放热峰温度等工艺性能 0 50             l00150200250300350400 t/min  是叶片主梁制作中至关重要的要求指标。   碳纤维预浸料在85 ̄C等温温度下不同位置处   的实时温度变化曲线如图2所示。 0 50   l00l5o   20025o   300350 400 t/min     图2碳纤维预浸料的放热曲线(左B,右C)          Fig.2Curvesofexothermalbehaviorforprepreg(1eftB,rightC)    从图2中可以看出,国产碳纤维预浸料B设定 ℃  —℃  固化加热温度为85,模具温度保持在8384, 与模具接触的最底层碳纤维预浸料的最高放热峰温    度在90.2 ̄C左右,顶层碳纤维预浸料的最高放热峰 ℃   温度为135;而进口碳纤维预浸料C固化加热温  度为85%,与模具接触的最底层碳纤维预浸料的最  ℃    高放热峰温度为90.79,顶层最高放热峰温度为 ℃   157.17 ̄C。同样85的固化温度条件下,进口碳纤   维预浸料C的最高放热温度比国产碳纤维预浸料B  的最高放热峰温度高22 ̄C。同时,从图2中可以看    出,不同碳纤维预浸料在不同位置处的放热峰温度  不同,但两种碳纤维预浸料在不同位置处的放热峰  温度变化趋势相似,均为沿模具表面处碳纤维预浸   料的放热温度最低,随着铺放层数的增加,碳纤维预  浸料的放热峰温度不断增加,顶部碳纤维预浸料的 1O 8 6 4 >  {2  喜0-u r-一 2 4 0 50 l00 l5o 200 25o Temperature/ ̄C     FRP/CM2016i2 放热峰温度最高;而且越靠近顶部,层间的放热峰温  度差越小。因此国产碳纤维预浸料B的工艺安全性   相对较高,两者的最高放热温度均低于辅助材料的  熔点温度,都能用于主梁的生产。     大量应用的环氧树脂预浸料的固化温度高于   120 ̄C,以利于获得性能优良的复合材料。较高的固  化温度使复合材料制品产生较大的内应力,不利于   尺寸精度的控制,甚至会导致材料提前破坏,而且对  复合材料的成型设备、模具工装和辅助材料等要求较高¨   。因此现有的碳纤维预浸料用环氧树脂体 系一般选用中低温固化环氧树脂体系,但不同碳纤 维预浸料的固化工艺对复合材料的性能影响较大。     碳纤维预浸料B和c在不同升温速率下的DSC扫  描曲线如图3所示。 0 50 100 }50 20o 250 360 Temperature/'C      图3不同升温速率下的DSC曲线(左B,右c)          Fig.3DSCcurvesunderdifferentheatingratesforprepreg(1ef   tB,rightC)  ∞  ∞  ∞  ∞  ∞  ∞  ∞  ∞ 帅  u芦  0  8  6  4   2016年第2期       玻璃钢/复合材料 45   坏形貌为碳纤维预浸料复合材料断面处纤维平齐,   在测试过程中碳纤维复合材料均成段成簇崩断,碳  纤维预浸料复合材料是脆性断裂,纤维与树脂基体 的粘接性能较好。    从表5中可以看出,国产碳纤维预浸料B的复    合材料的90。拉伸强度和纵横剪切强度均比碳纤维  预浸料c高。两种碳纤维预浸料复合材料的纵横剪    切的破坏均呈典型的剪切破坏形式,试样破坏都是    层间分离和纤维件撕裂。在光学显微镜下观察90。     拉伸试样的破坏断面形态可知,碳纤维预浸料的纤    维基本没有破坏,纤维均被树脂包埋,纤维与树脂的     粘接性较好,说明国产碳纤维预浸料的基体树脂的   强度较高,碳纤维与树脂的界面性能较好。     综上所述,面密度较低的国产碳纤维预浸料层 合板不同方向的强度和模量均高于进口碳纤维预浸     料,其原因主要是国外工业大丝束碳纤维制造技术    发达,有针对风电叶片专用的大丝束碳纤维,可以制    备高面密度的碳纤维预浸料,制作技术成熟,制作成    本较低;而国内碳纤维发展较晚,工业用大丝束的碳   纤维开发较晚,目前市场上没有大丝束的碳纤维,因  此碳纤维预浸料B只能用强度和模量较高的小丝束    碳纤维制备,但制作成本远高于进口碳纤维预浸料。   3结论 (1)高面密度的国产碳纤维预浸料浸渍不均      匀,表观质量较差,需要改善其制作工艺,制备出浸    渍均匀的高面密度的国产碳纤维预浸料,适应风电  叶片的使用要求;  (2)面密度较低的国产碳纤维预浸料粘度对环   境温度敏感,在风电叶片中的可铺覆性较差;面密度     较低的国产碳纤维预浸料层合板的孔隙率比进口碳 纤维预浸料稍高,但两者放热峰和固化温度相当;  (3)面密度较低的国产碳纤维预浸料层合板在    不同方向的强度和模量均高于进口碳纤维预浸料。 参考文献 [1]王海珍,颜晨,王兴波,等.GF/CF混杂复合材料性能分析及其          在风电叶片上的应用[J].玻璃钢/复合材料,2014,(11):— 6771.       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Studieson               mechanicalpropertiesandprocessperformanceofthedomesticcarbonfiberprepregandimportedcarbonfiber  prepregwereperfor           med.Theanalysisresultsshowthat,mechanicalpropertiesofthedomesticcarbonf   iberwithlow.                  ersurfacedensityishigherthanimportedcarbonfiberprepreg,butprocessperformanceofthesurfacedensityof               600g/mforthedomesticcarbonfiberprepregsispoor,andneedtobefurtherimprovement.    Keywords:carbonfabricprepreg;processper     formance;mechanicalproperties;windturbineblade  (上接第86页)     [14]李小兵,孙占红,曹正华.真空辅助成型技术及其配套基体树   — 脂研究进展[J].热固性树脂,2006,21(5):3943.    [15]牟书香,贾智源.碳纤维增强环氧树脂复合材料的液体成型及  — 其性能研究[J].玻璃钢/复合材料,2013,(6):1620. [16]王仁龙,谭永刚.纤维增强复合材料零部件的制造符合性检查 [J].航空制造技术,2014,(9):66-68.     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一夕落阳
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