簡述風(fēng)電機(jī)組葉片碳纖維預(yù)浸料主梁生產(chǎn)工藝及質(zhì)量控制

文 | 呂生

簡述風(fēng)電機(jī)組葉片碳纖維預(yù)浸料主梁生產(chǎn)工藝及質(zhì)量控制

文 | 呂生

隨著葉片的尺寸越來越大，完全用玻璃纖維制造的葉片也將變得越來越重。如果采用玻璃纖維和碳纖維的混合結(jié)構(gòu)，比如用碳纖維來制作主梁等主要承載部件，則可以大大降低葉片的重量。初步推算，對于70m長的葉片，如果采用碳纖維主梁設(shè)計，葉片重量相比完全的玻纖設(shè)計能降低30%左右。隨著葉片的尺寸越來越大，使用玻纖和碳纖混合結(jié)構(gòu)的葉片性價比也能逐漸接近純玻纖葉片，甚至更優(yōu)。碳纖維真空灌注工藝因為材料的固有特性，在生產(chǎn)過程中對產(chǎn)品質(zhì)量的辨別和控制難以把握，所帶來的風(fēng)險也比采用碳纖維預(yù)浸料大得多。因此，采用碳纖維預(yù)浸料制作主梁相對于真空灌注工藝質(zhì)量更加穩(wěn)定可靠，風(fēng)險系數(shù)更低。

碳纖維預(yù)浸料儲存及溫度控制

一般情況下，碳纖維預(yù)浸料是一種低溫固化預(yù)浸料，遵循常規(guī)的預(yù)浸料固化機(jī)理。在不同溫度條件下需要不同的固化工藝條件，溫度越高反應(yīng)固化時間越短。因此碳纖維預(yù)浸料在運(yùn)輸、倉儲等環(huán)節(jié)都需要冷藏，冷藏溫度越低保質(zhì)期越長。運(yùn)輸車輛應(yīng)裝備有溫濕度記錄儀，在工廠接貨時應(yīng)同時接收記錄儀器并對運(yùn)輸過程的條件進(jìn)行檢查確認(rèn)，同時對剩余保質(zhì)期做出評估，以便制定后續(xù)的存儲和使用計劃。如果企業(yè)忽視了接貨時的確認(rèn)工作，這將是一個巨大的風(fēng)險隱患，因為碳纖維可能在運(yùn)輸途中已經(jīng)大大折損了壽命期限，并可能在使用前報廢，從而給企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

碳纖維預(yù)浸料的使用解凍

碳纖維預(yù)浸料在使用之前應(yīng)充分解凍，激活預(yù)浸料的粘性以達(dá)到一定的工藝性能。一般對解凍的溫度時間都有明確的要求和控制，溫度太高可能折損碳纖維的使用壽命或直接導(dǎo)致產(chǎn)品固化進(jìn)而喪失使用功能，溫度太低則遲遲達(dá)不到使用的要求性能。應(yīng)打開產(chǎn)品外包箱，將碳纖維預(yù)浸料完全暴露在加熱環(huán)境中，整個過程定時測量產(chǎn)品表面溫度，最終要將材料的溫度提升至室溫或工藝要求的適合溫度。只有解凍完成的碳纖維預(yù)浸料才會具備一定的粘度，而合適的粘度是碳纖維預(yù)浸料鋪設(shè)性能的關(guān)鍵影響因素。

鋪設(shè)工裝的設(shè)計及運(yùn)用

碳纖維預(yù)浸料主梁的鋪設(shè)必須借助工裝，以確保鋪設(shè)質(zhì)量的均勻性和穩(wěn)定性。主梁的型面取決于葉片的型面，其往往是扭角變化的，因此鋪設(shè)工裝的軌道設(shè)計應(yīng)保證工裝的行走路線與大梁的扭角變化相匹配，以確保每一層的預(yù)浸料都能夠以對稱中心重合的方式堆疊在模具上。否則，鋪設(shè)過程中預(yù)浸料會逐步偏離鋪設(shè)區(qū)域，造成不可接受的鋪設(shè)位置偏差。

碳纖維預(yù)浸料的鋪設(shè)

鋪設(shè)前先檢查環(huán)境和模具的溫度，以確保達(dá)到工藝要求的參數(shù)。首先模具表面需要鋪設(shè)一層脫模布，脫模布必須為一塊整布，不能有任何搭接或?qū)?，順著模具的型面將脫模布完全撫平、貼實在模具表面，可以采用適量的噴膠固定。注意檢查確保脫模布一定貼實模具表面，無褶皺。脫模布是基礎(chǔ)，但因為其是輔材往往不受重視，一旦基礎(chǔ)沒打好，可能會造成碳纖維預(yù)浸料的褶皺，帶來無法挽回的損失。

碳纖維預(yù)浸料一般隨著導(dǎo)氣紗一同鋪設(shè)，以增強(qiáng)在固化階段的導(dǎo)氣性能，對減少產(chǎn)品的孔隙率大有幫助。但是第一層預(yù)浸料一般不需要鋪設(shè)導(dǎo)氣紗，以保證其與脫模布的粘接牢固，確保在后續(xù)的預(yù)浸料鋪設(shè)過程中不會產(chǎn)生移動。預(yù)浸料因為生產(chǎn)的原因，即便是進(jìn)口的產(chǎn)品也可能存在干纖維的情況。由于碳纖維是黑色的，所以有沒有浸漬樹脂顏色并無明顯區(qū)別，因為光線反射的不同仔細(xì)檢查的話還是能發(fā)現(xiàn)的。所以，需要對鋪設(shè)完的每一層預(yù)浸料都要全面、仔細(xì)檢查一遍，并對任何干纖維的地方進(jìn)行檢查記錄。對于這樣的情況，應(yīng)及時與供應(yīng)商取得聯(lián)系，快速決定是更換還是繼續(xù)使用，因為小面積的干纖維在后期加熱樹脂產(chǎn)生流動性時可以被浸潤。對于面積的限定需要前期的相關(guān)試驗并結(jié)合供應(yīng)商的相關(guān)數(shù)據(jù)提前給出，以免在發(fā)生問題時不知所措，也提醒我們在采購的技術(shù)條款中應(yīng)注意此類問題的界定。

對于每層碳纖維預(yù)浸料的起始位置，應(yīng)使用美工刀裁切并一氣呵成，確保裁剪的連貫性和整齊性。這時候不能用剪刀裁剪，因為剪刀裁剪的過程中會產(chǎn)生數(shù)次停頓，每一次停頓會產(chǎn)生一個小缺口，每一個小缺口位置都可能會成為一個應(yīng)力集中點(diǎn)，對產(chǎn)品的性能帶來不利的影響。

鋪設(shè)過程中需要記錄、監(jiān)控每一層的預(yù)浸料溫度，確保其滿足工藝參數(shù)要求。其實對溫度的嚴(yán)苛控制目的是保證預(yù)浸料具備合適的鋪設(shè)黏度，這在前面的內(nèi)容中也有提到。一旦哪一層預(yù)浸料黏度出現(xiàn)異常，可能會導(dǎo)致其與上一層之間的粘合度下降，也就是說兩層之間可能存在不粘合的現(xiàn)象，即產(chǎn)生了“懸空”。隨著后續(xù)鋪層的增加，“懸空”的這層預(yù)浸料在鋪設(shè)工裝壓輥的反復(fù)作用下可能會產(chǎn)生褶皺。隨著后續(xù)鋪層的增加，皺褶被逐漸放大，直至明顯到被視力檢查發(fā)現(xiàn)，但這時往往為時已晚，造成了返工和材料的浪費(fèi)。因此每層預(yù)浸料鋪設(shè)之后的貼覆情況也是作為過程質(zhì)量控制必不可少的一項。

按照鋪層計劃鋪設(shè)完所有預(yù)浸料之后，就可以建立真

空系統(tǒng)，首先是鋪設(shè)脫模布覆蓋整個預(yù)浸料，脫模布將為產(chǎn)品提供粗糙的適合粘接的工作面。接著鋪設(shè)隔離膜，以控制樹脂析出量并保證透氣氈等輔材能輕易從產(chǎn)品表面移除。之后，整個表面鋪設(shè)透氣氈，真空袋。透氣氈連接真空系統(tǒng)，將固化過程中系統(tǒng)內(nèi)的氣泡帶離產(chǎn)品。貼著真空袋要布置熱電偶，熱電偶用于固化過程的實時溫度測量，并根據(jù)實時溫度對固化制度作出修訂調(diào)整。最后使用保溫層覆蓋整個模具表面，為固化提供良好、均勻的溫度保證。由于大多的模具都是電加熱系統(tǒng)，模具內(nèi)置了用于反饋溫度信號的熱電偶，如果模具某個位置的熱電偶區(qū)域覆蓋不好，或沒有覆蓋，將會導(dǎo)致這個位置熱電偶持續(xù)給加熱控制系統(tǒng)反饋持續(xù)加熱的信號，造成其他位置的過度加熱，對產(chǎn)品和模具都會帶來一定的傷害。

還有一點(diǎn)也要引起注意，有人認(rèn)為在鋪設(shè)真空系統(tǒng)的過程中應(yīng)在預(yù)浸料的兩邊放置擋邊以保證產(chǎn)品邊緣的整齊和形狀。但由于擋邊的高度很難控制，這也將會對產(chǎn)品的質(zhì)量產(chǎn)生很大的影響。如果擋邊高度稍微低于主梁的厚度，那么基本上不會影響邊緣的形狀。如果擋邊高出主梁厚度，那么固化后主梁邊緣將會產(chǎn)生向上的卷邊現(xiàn)象，這將帶來嚴(yán)重的應(yīng)力集中問題。其實由于碳纖維預(yù)浸料采用工裝鋪設(shè)，每一層鋪設(shè)都有非常精確的重合性，即使不用任何擋邊，固化后產(chǎn)品的邊緣也可以保持非常平整。

碳纖維主梁預(yù)浸料固化

需要根據(jù)碳纖維預(yù)浸料的特點(diǎn)和說明，設(shè)定適宜的固化制度。每種預(yù)浸料的固化溫度和持續(xù)時間即固化曲線可能不盡相同，但是遵循著同樣的固化原理，基本上分為三大階段。

第一階段是升溫至樹脂融流狀態(tài)，然后維持一定的時間。這個溫度條件下不足以引起產(chǎn)品的快速固化，但是樹脂呈現(xiàn)融流的狀態(tài)，隨著樹脂的流動，整個產(chǎn)品的含膠量趨于均勻化，并且小的干纖維在這一過程也得到充分的浸潤。同樣，隨著樹脂的流動，在導(dǎo)氣紗的作用下預(yù)浸料中的氣體充分被帶動并導(dǎo)出，最終被真空系統(tǒng)抽走，所以這一階段也是產(chǎn)品孔隙率保證的重要階段。所以第一階段的溫度設(shè)定和持續(xù)時間非常重要，除了從供應(yīng)商獲得的技術(shù)支持外，使用者也非常有必要進(jìn)行相應(yīng)的樣機(jī)試制，充分掌握工藝參數(shù)的設(shè)計。第二階段是從第一階段升溫至固化溫度，并在這一階段內(nèi)維持一定的時間。預(yù)浸料主要在這一時間段內(nèi)發(fā)生固化反應(yīng)，完成放熱峰。因此這一階段的溫度設(shè)置首先應(yīng)能激起化學(xué)反應(yīng)，另外又不會導(dǎo)致樹脂放熱峰溫度太高。過高的放熱峰導(dǎo)致產(chǎn)品的內(nèi)應(yīng)力大，收縮大甚至造成產(chǎn)品褶皺，也有損模具的壽命。第三階段是從第二階段升溫至后固化溫度，并在后固化溫度下維持一定的時間。這一階段樹脂充分地完成交聯(lián)反應(yīng)形成致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。用于反應(yīng)聚合程度的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度在這一階段形成并達(dá)到要求。當(dāng)然這一階段的后固化必須要在放熱峰過后并回落到后固化溫度附近啟動。

前文也有提到，這一過程需要充分地保證產(chǎn)品的覆蓋。環(huán)境溫度應(yīng)嚴(yán)格地保持均勻。如果在模具表面有局部的氣流

流動，比如車間門未關(guān)閉，導(dǎo)致冷氣流直接影響到靠近門的模具端頭。當(dāng)冷氣流在溫控?zé)犭娕忌狭鲃訒r，熱電偶探測到模具溫度的下降，會向溫度控制系統(tǒng)做出反饋以獲得更多的溫度。這就會導(dǎo)致該區(qū)域的產(chǎn)品溫度要高于其他區(qū)域，造成整個產(chǎn)品溫度的不均勻性，從而沖擊整個固化過程的溫度曲線設(shè)定。

碳纖維預(yù)浸料主梁的質(zhì)量檢驗

對于碳纖維預(yù)浸料主梁，除了常規(guī)的尺寸、外觀、玻璃鋼轉(zhuǎn)化溫度的檢驗外，還需要進(jìn)行超聲波無損檢測以檢驗內(nèi)部是否存在分層、孔隙等缺陷。一般孔隙率要求控制在1%以內(nèi)，超過2%的孔隙率就將對產(chǎn)品性能造成一定的影響，甚至導(dǎo)致產(chǎn)品報廢。超聲波檢測需要耦合劑，一般用水來減弱聲波在空氣中的衰減，這樣可保證聲波與材料達(dá)到最大程度的耦合。但是由于受到噪音污染、測量的方法、缺陷識別判定能力等多方面影響，往往測量結(jié)果本身的偏差可能也比較大。因此，用掃描電鏡對試制品的橫切面進(jìn)行觀測，計算孔隙率也是一種非常有效而且準(zhǔn)確的補(bǔ)充手段。

結(jié)語

本文從原材料管理、工裝設(shè)備、模具、生產(chǎn)工藝過程等多個方面分析了碳纖維預(yù)浸料主梁的生產(chǎn)工藝特點(diǎn)及可能存在的質(zhì)量風(fēng)險，并針對這些風(fēng)險提出了相應(yīng)的質(zhì)量控制方案和建議。同時，也對碳纖維預(yù)浸料主梁的檢測項目和手段做了相關(guān)介紹。

（作者單位：連云港中復(fù)連眾復(fù)合材料集團(tuán)有限公司）