一種大風(fēng)機(jī)葉片上的碳纖維研究

檀憲眾 詹明樊 顧育慧 陳文光

（明陽(yáng)智慧能源股份公司，廣東中山 528437）

0.引言

風(fēng)能環(huán)保，作為我國(guó)新型發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)，是未來(lái)30年新能源發(fā)展的重要方向。同時(shí)，風(fēng)能也是助力我國(guó)實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的清潔能源。我國(guó)的風(fēng)電資源優(yōu)沃，根據(jù)第四次風(fēng)能資源調(diào)查結(jié)果，我國(guó)風(fēng)能資源可以容納的裝機(jī)容量超過(guò)10億千瓦[1]。因此，加強(qiáng)建設(shè)高發(fā)電效率風(fēng)電葉片刻不容緩。發(fā)電量的增長(zhǎng)可以通過(guò)增加葉輪的直徑來(lái)實(shí)現(xiàn)，葉輪直徑越長(zhǎng)，所獲得的捕風(fēng)面積越大，從而可以實(shí)現(xiàn)更高的發(fā)電量。

由于葉片長(zhǎng)度重量的增長(zhǎng)快于葉片長(zhǎng)度的增長(zhǎng)，隨著風(fēng)電葉片長(zhǎng)度越來(lái)越長(zhǎng)，玻璃纖維的性能難以滿足百米級(jí)葉片的設(shè)計(jì)需求，從而在葉片主梁的材料選擇上，碳纖維逐漸成為主流材料。相對(duì)于玻璃纖維而言，碳纖維具有密度小，強(qiáng)度和剛度高的性能優(yōu)勢(shì)，采用碳纖維可以使葉片的設(shè)計(jì)更加方便。另外，碳纖維的使用也符合材料、結(jié)構(gòu)輕量化的發(fā)展趨勢(shì)。目前，限制碳纖維應(yīng)用方面在于其價(jià)格相對(duì)較高，但是隨著國(guó)內(nèi)碳纖維廠家對(duì)碳纖維的深入研究，使碳纖維應(yīng)用在葉片上成為可能[2-3]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)碳纖維已有大量研究，碳纖維的強(qiáng)度、模量、疲勞性能均十分優(yōu)異，在風(fēng)電葉片上使用可以提升風(fēng)力發(fā)電的發(fā)電量。由表1可知，拉壓模量不一致現(xiàn)象存在于大部分復(fù)合材料中，僅程度有所差異而已。在葉片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，合理地運(yùn)用材料的強(qiáng)度、模量等材料性能，可以最大程度地提升材料的利用效率。因此，對(duì)碳纖維材料性能的合理評(píng)價(jià)成為風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的首要問(wèn)題。本文從風(fēng)電葉片的主梁生產(chǎn)制造、不同工藝下材料的性能、以及材料評(píng)價(jià)體系等方面對(duì)碳纖維在風(fēng)電葉片上的應(yīng)用進(jìn)行研究。

表1 常見(jiàn)的幾種復(fù)合材料拉伸模量與壓縮模量的關(guān)系[4]

1.工藝簡(jiǎn)介

1.1 真空灌注工藝

真空灌注工藝是風(fēng)電葉片生產(chǎn)的經(jīng)典工藝，其示意圖如圖1所示。真空灌注成型工藝首先需要在模具上涂覆一層脫模劑，目的是方便成型后脫模；然后按照鋪層設(shè)計(jì)鋪設(shè)纖維織物；最后布置脫模布、導(dǎo)流網(wǎng)、注膠口與抽氣口、真空袋等輔材，完成真空灌注工藝的預(yù)成型體的鋪設(shè)。在真空泵的作用下，使得整個(gè)灌注體系在維持真空負(fù)壓下，在大氣負(fù)壓作用下，樹(shù)脂被吸入與纖維預(yù)成型體緊密結(jié)合在一起，最終通過(guò)固化制成纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料。

圖1 真空灌注體系示意圖

真空灌注工藝優(yōu)點(diǎn)在于重復(fù)性好，便于批量生產(chǎn)，產(chǎn)品優(yōu)良率與整體性良好，與手糊工藝相比，性能較高；與熱壓罐工藝相比，成本低廉，該工藝已廣泛應(yīng)用于航空航天、風(fēng)電、汽車(chē)等行業(yè)[5]。

1.2 拉擠工藝

由圖2可知，拉擠工藝預(yù)制拉擠板，是由牽引設(shè)備將紗架上有序擺放的紗團(tuán)上的紗線牽引而出，在通過(guò)集紗板約束紗線排布，通過(guò)浸膠槽浸膠，在模具里面擠壓，減少富余樹(shù)脂，提高纖維含量，附上脫模布后，模具中加熱成型，冷卻后，上卷切割，形成不同長(zhǎng)度的套裁，無(wú)損探傷等檢測(cè)合格后交付客戶(hù)。

圖2 拉擠生產(chǎn)工藝流程示意圖

拉擠工藝已經(jīng)相對(duì)成熟，拉擠型材核心尺寸信息要配合葉片設(shè)計(jì)調(diào)整而調(diào)整，碳纖理論上在纖維方向上不能拼接，故拉擠板長(zhǎng)度要大于梁帽使用長(zhǎng)度，不能短缺，寬度方向，梁帽設(shè)計(jì)幅寬最優(yōu)為碳纖維拉擠板幅寬的整數(shù)倍，厚度方向，厚度應(yīng)適中，不能過(guò)厚，過(guò)厚則影響拉擠板貼附模具成型，影響截面尺寸。拉擠工藝具備更高的設(shè)計(jì)性，可優(yōu)化性，為葉片設(shè)計(jì)輕量化帶來(lái)更大的便利和自由度。拉擠板材預(yù)制件成功后，通過(guò)真空灌注工藝將拉擠預(yù)制件按照結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制成一體，從而制備出風(fēng)電葉片所用的主梁。

1.3 纖維復(fù)合材料拉伸模量參數(shù)對(duì)比

玻璃纖維是在風(fēng)電領(lǐng)域上使用最多的增強(qiáng)材料，隨著風(fēng)機(jī)的發(fā)展，超大型風(fēng)機(jī)基本上已經(jīng)達(dá)到百米以上，超大型風(fēng)機(jī)的使用，對(duì)纖維材料性能提出了更高的需求，剛度是衡量葉片的一個(gè)重要參數(shù)。從表2統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看，碳纖維的模量均超過(guò)玻纖一倍以上，碳纖維紗線密度比玻纖密度低30%，綜合性能與重量，在超大型葉片上，玻璃纖維將逐漸被碳纖維替代是一種趨勢(shì)。

表2 碳纖維與玻璃纖維性能對(duì)比

2.碳纖維的不同工藝參數(shù)對(duì)比

目前，在風(fēng)電領(lǐng)域上運(yùn)用碳纖維的工藝有3種，分別為灌注工藝、預(yù)浸料和拉擠工藝。拉擠工藝可以最大程度地體現(xiàn)出碳纖維的優(yōu)異性能，強(qiáng)度和模量較灌注工藝和預(yù)浸料工藝均有一定提升[6]。

2.1 測(cè)試樣條制樣方法

統(tǒng)一厚度下的關(guān)鍵測(cè)試項(xiàng)目測(cè)試樣條制樣方法：

灌注工藝：碳纖維布堆疊鋪層，灌注，按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行制樣，試樣尺寸按照標(biāo)準(zhǔn)制作。

預(yù)浸料：預(yù)浸料碳布堆疊，加熱固化，樣條尺寸按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行制作。

拉擠工藝：預(yù)制拉擠板，經(jīng)雕刻機(jī)雕洗成標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試尺寸進(jìn)行測(cè)試。

2.2 不同工藝下碳纖維性能對(duì)比

關(guān)鍵性能參數(shù)如表3所示，其中0°拉伸強(qiáng)度、0°拉伸應(yīng)變、0°壓縮強(qiáng)度、0°壓縮應(yīng)變?yōu)镚L-2010特征值，其他性能為平均值。

表3 不同工藝下碳纖維性能對(duì)比

在3個(gè)工藝中，灌注工藝是傳統(tǒng)工藝，應(yīng)用時(shí)間較長(zhǎng)，使用經(jīng)驗(yàn)最為豐富，但同種材質(zhì)，它的性能最弱，纖維體積含量偏低，0°拉伸模量?jī)H有120 GPa，比預(yù)浸料工藝低14.2%，比拉擠工藝低17.8%，材料性能利用率相對(duì)較低。另外，采用灌注工藝進(jìn)行纖維鋪放時(shí)，易產(chǎn)生褶皺等缺陷，使材料的表觀性能降低。

采用預(yù)浸料工藝，材料性能介于拉擠工藝與灌注工藝之間，但使用條件較為苛刻，需利用機(jī)械，使用半自動(dòng)化工藝慢速鋪放，才能有效減少鋪放時(shí)造成的缺陷，效率較慢，成本較高。

而采用拉擠工藝，材料的性能最高，并且作為預(yù)制件，能有效減少褶皺等缺陷，快速鋪放，提高生產(chǎn)效率，能最大程度地利用材料性能，是目前制備外形規(guī)則構(gòu)件的首選工藝。通過(guò)拉擠工藝可使得纖維的性能提升，使得結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)余量更大，對(duì)主梁的重量設(shè)計(jì)有所保證。

3.0°彎曲研究

材料：江蘇恒神股份有限公司。

測(cè)試機(jī)構(gòu)：三點(diǎn)彎曲是恒神實(shí)驗(yàn)室測(cè)試提供；四點(diǎn)彎曲是上海艾柯實(shí)驗(yàn)室測(cè)試提供。

設(shè)備：萬(wàn)能拉力機(jī)。

如圖3所示，在碳纖維拉擠板測(cè)試中，發(fā)現(xiàn)0°拉伸和0°壓縮模量相差較大，表現(xiàn)出拉壓不一致現(xiàn)象。因此引入0°彎曲測(cè)試，綜合評(píng)價(jià)碳板的力學(xué)性能。其中強(qiáng)度為GL2010特征值，模量為平均值。表4為碳纖維拉擠板的彎曲性能測(cè)試結(jié)果。

表4 0°彎曲測(cè)試方式對(duì)比

圖3 彎曲測(cè)試示意圖

四點(diǎn)和三點(diǎn)彎曲加載方式的最大差別在于：最大彎矩和最大彎曲應(yīng)力點(diǎn)的位置不同。采用四點(diǎn)彎曲加載方式時(shí)，最大彎矩位置在兩個(gè)支座的中心位置，而最大彎曲應(yīng)力位于兩個(gè)加載頭的下方。三點(diǎn)彎曲的最大彎矩和最大彎曲應(yīng)力位置都在支座的中心位置，如圖4所示。

而彎曲強(qiáng)度和模量均采用撓度計(jì)從下跨距的正中間位置量取撓度進(jìn)行計(jì)算模量與應(yīng)變，所以，三點(diǎn)彎的夾具會(huì)對(duì)計(jì)算區(qū)域的試樣產(chǎn)生破壞，而四點(diǎn)彎沒(méi)有，四點(diǎn)彎測(cè)試結(jié)果更接近真實(shí)值。從測(cè)試結(jié)果看，三點(diǎn)彎強(qiáng)度比四點(diǎn)彎強(qiáng)度略低，三點(diǎn)彎模量比四點(diǎn)彎模量低8.6%。

四點(diǎn)彎曲模量在拉伸模量和壓縮模量之間，而彎曲受力模式為上表面承受壓縮，下表面承受拉伸，性能測(cè)試結(jié)果和受力模式相符合。彎曲測(cè)試數(shù)據(jù)作為碳纖維拉擠板拉伸和壓縮測(cè)試的補(bǔ)充測(cè)試結(jié)果，對(duì)設(shè)計(jì)具備一定的參考價(jià)值。

4.結(jié)論

截至2022年5月，各大整機(jī)廠商紛紛推出百米以上葉片，運(yùn)達(dá)股份在中復(fù)連眾生產(chǎn)的110m葉片下線。碳纖維在超大型風(fēng)機(jī)葉片上使用，具備高性能，輕量化的優(yōu)勢(shì)。

從性能上，拉擠工藝?yán)炷Ａ?46GPa，預(yù)浸料工藝?yán)炷Ａ?30GPa，灌注工藝?yán)炷Ａ?20GPa，說(shuō)明最關(guān)鍵的性能上，拉擠工藝>預(yù)浸料工藝>灌注工藝。

從彎曲的研究上看，四點(diǎn)彎曲性能優(yōu)于三點(diǎn)彎曲，同時(shí)更接近真實(shí)值，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具備一定的參考價(jià)值，是對(duì)碳板拉伸和壓縮性能的補(bǔ)充參數(shù)，更客觀地評(píng)判拉伸與壓縮性能之間的差異。