碳纖維風電葉片灌注用樹脂及其復合材料性能研究

梁 穎

（連云港中復連眾復合材料集團有限公司，江蘇 連云港 222006）

隨著能源與環境問題的日益突出，風力發電已成為最具規模化和商業化的可再生能源發電方式[1]。隨著向大型化、低成本、高性能、輕量化、多翼型和柔性化方向發展，玻璃纖維風電葉片的性能已趨于極限[2]。根據國外有關資料報告，當風力機超過5MW，葉片長度超過65m時，葉片制造時采用碳纖維已成為必要的選擇[3]。目前碳纖維已被廣泛應用于葉片的梁帽、蒙皮表面、前后邊緣、葉片根部、葉尖、以及整體葉片，其中丹麥Vestas公司的V164-7MW風機，風輪直徑長達164m，風機葉片長達80m，葉片采用碳纖維整體成型，重量減輕約20～30%，能在很大程度上持續提升風能捕捉效率。相關研究表明，碳纖維所制得的風機葉片質量比玻璃纖維的輕約32%，而且成本下降約16%。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

單軸碳纖維織物；碳纖維灌注環氧樹脂體系：博匯公司，代號A；葉片灌注環氧樹脂體系，國外樹脂，代號B。

旋轉粘度計，材料萬能試驗機；差示掃描量熱儀，記憶式多

通道溫度計，恒溫恒濕箱。

1.2 試驗方法

1）樹脂體系粘度-時間測試，將樹脂與固化劑放入恒溫恒濕箱中，將預熱好的100g樹脂混合物加入到容量杯中，均勻攪拌后放入水浴槽中，參考GB/T 22314-2008進行測試。記錄不同溫度下的初始粘度，得到樹脂體系的動態粘度特性曲線；2）放熱峰測試，將樹脂與固化劑放入恒溫恒濕箱中，將預熱好的100g樹脂混合物加入到容量杯中，均勻攪拌后再次放入恒溫恒濕箱中，杯中插入多通道溫度傳感計，保證傳感器在杯中的中心位置，打開記錄儀開始記錄；3）樹脂澆注體和CFRP制備與性能測試，將樹脂膠液放入至40℃恒溫恒濕箱中恒溫一段時間，后放入真空脫泡箱中真空脫泡約20min。將脫泡后的膠液引流入模具中，后放入真空箱中繼續脫泡約20min。常溫固化后，放入烘箱70℃固化7h。按如下順序進行鋪層 [0°，90°]/[0°，90°]/[90°，0°]/[90°，0°]，樹脂質量分數輸入值約為32%。采用70℃～80℃熱處理6-7h，自然冷卻至室溫。

2 結果與討論

2.1 等溫粘度特性

為了保證碳纖維葉片成型工藝的安全重復性，設定葉片模具約為40℃，考察樹脂體系在40℃恒溫下的操作時間，測試其粘度變化，對兩款樹脂進行比較。圖1是在40℃下樹脂體系的粘度-時間曲線圖。

從圖1中可以看出，B樹脂從初始粘度上升至600mP·s的時間為105min，A樹脂保持600mP·s以下的時間為160min，操作時間超出國外玻纖灌注樹脂50%以上。A樹脂體現的操作時間完全可以滿足更大、更長的風電葉片的制造。

2.2 樹脂體系放熱特性

為了考察樹脂體系的放熱特性與葉片成型的安全性，分別考察了兩款樹脂40℃下的放熱進行了測試分析。圖2是在40℃下兩款樹脂體系的放熱特性曲線圖。圖中可以看出，A樹脂在40℃下的最高放熱溫度更低，放熱時間更長。

2.3 樹脂體系固化特性

葉片的低溫快速成型，意味著低成本與高效率，一直是該領域所共同追求的目標。考察了兩款樹脂70℃下Tg隨時間變化的趨勢，分析兩種樹脂體系的固化特性。在70℃下，A樹脂在固化4h后Tg變化趨于平緩，6h后呈現穩定；B樹脂固化8h后才趨于平緩。

圖1 40℃溫度下粘度-時間曲線

圖2 40℃溫度下放熱特性曲線

2.4 樹脂澆鑄體和CFRP性能

對B樹脂進行澆注體力學性能測試，并與國外灌注樹脂進行對比。B樹脂滿足風電葉片對樹脂體系的性能要求。通過真空灌注工藝制備碳纖維復合材料（CFRP）層合板，得到復合材料性能數據。

3 結語

1）研究的碳纖維葉片灌注用環氧樹脂體系，具有良好的材料力學性能及CFRP性能，碳纖維布具有良好的纖維浸潤性與界面結合力。同時該樹脂體系還具有較好的工藝性能，與玻纖葉片灌注樹脂相比，操作時間長、放熱低，可以滿足更大、更長的風電葉片制造工藝需求，尤其是碳纖維風電葉片。

2）研究的碳纖維葉片灌注用環氧樹脂體系，固化成型快，成型周期可大大縮短，利于提升風電葉片的生產效率，降低生產成本。