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碳纤维增强树脂基复合材料在大型复合材料叶片上的应用
作者：张宗伟 徐建英 南洋
来源：《科学导报·学术》2020年第35期
摘; 要：本文结合碳纤维的诸多优点及实际项目情况，较为详细地介绍了碳纤维增强树脂基复合材料在大型复合材料风力机发电叶片上的应用实例及应用前景等，这有益于大型复合材料风力机发电叶片的应用推广。
关键词：碳纤维增强树脂基复合材料，应用，叶片 1 本项目概况及意义
碳纤维是一种含碳量在90%以上，并具有碳素材料的结构特性以及纤维材料的形态特征的一种高性能纤维，根据制造原料的不同可以分为聚丙烯腈基碳纤维、沥青基碳纤维和胶粘基碳纤维，其中聚丙烯腈基碳纤维的使用量最多。
它的性能十分优异，密度为1.7～2.0g/cm^3，仅为钢材的1/4，拉伸强度却达到3000MPa以上，是钢的四倍，热膨胀系数小，导热率随温度的升高而下降，耐高温和低温，抗蠕变，稳定性好，使用寿命长。
树脂在材料成型中的作用主要包括三个方面，第一：它为纤维提供一种刚性支撑，将纤维在预定的位置和方向固定下来;第二：传递载荷;第三：隔离纤维免受周围环境的影响。
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树脂体系分为热固性树脂和热塑性树脂两大类。热固性树脂有环氧、酚醛和不饱和聚酯树脂等。其中环氧树脂是由具有环氧基的化合物与多元羟基化合物进行缩聚反应而得到的产品，固化后的环氧树脂具有良好的物理、化学性能，与金属和非金属材料的表面有优异的粘结强度，介电性能良好，变定收缩率小，是目前最常用的復合材料基体材料之一。
碳纤维增强树脂基复合材料具有轻质、比强度高、比刚度大等特征，可替代传统玻璃纤维等材料在复合材料叶片上的应用。近年来随着风电技术的发展，风电机组向着大功率、高效能、轻量化发展，有利于提高风能利用率、降低单位功率造价，研究开发大功率风电机组及其配件将是风电产业发展的一个趋势。
为了进一步扩大风力发电规模，更有效地利用风电资源，降低风力发电成本，风电机组的单机容量越来越大，叶片的长度也在不断增加。叶片长度的增加势必导致重量的增加，从而推动转子转动就需要更大的风力，这意味着更多的风力被浪费在了推动转子上而非发电。因此，重量更轻、强度及刚度更高的超大型叶片成为近年来叶片设计与制造企业研究的重点。随着风力发电机组单机功率的增大，叶片长度不断增加，刚度和强度要求越来越高，对叶片材料提出了更高的要求。碳纤维与玻璃纤维相比，弹性模量和强度要高出2到3倍，采用碳纤维增强的复合材料叶片与采用玻璃纤维增强的复合材料叶片相比，在重量相同情况下长度可以做得更长，叶片的尺寸增长可以提高风机的风能利用率;在长度相同情况下叶片的重量更轻，降低塔筒、轮毂等部件的造价，提高风机综合经济性能。此外碳纤维增强复合材料具有更出众的抗疲劳特性，是风力发电机适应恶劣气候条件的最佳材料之一。碳纤维复合材料叶片也将成为未来叶片发展的趋势。在气动设计、结构设计和复合材料技术发展的基础上，碳纤维增强树脂基大型复合材料叶片，可以进一步提高风力发电机的推重比和发电效率，降低噪声和自重，减轻塔筒的承重，增加经济性，为碳纤维增强树脂基复合材料在风力发电等清洁能源方面的推广使用提供了最大的机遇。 2研究内容
2.1具体研究开发的内容
（1）碳纤维与环氧树脂基体的相容性;
（2）通过碳纤维对聚合物基复合材料力学性能影响的研究，利用碳纤维改性环氧树脂、聚酯树脂等基体材料，提高材料的力学性能，减少材料用量，降低叶片重量，其次，提高叶片合模胶粘界面的粘接性能，提高粘接质量;
（3）通过碳纤维对聚合物导电性能影响的研究，提高聚合物的导电性能，开发具有良好导电性能的环氧树脂基玻璃纤维增强塑料。利用导电材料通电发热的特点，实现叶片现场修复材料的自加热，解决低温寒冷地区叶片大面积修复，固化温度无法保证、影响修复质量的问题;
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（4）进行碳纤维基复合材料叶片结构设计、生产工艺研究及产品试制工作;
（5）进行碳纤维制品缺陷分析，尝试无损检测技术研究并对结构设计及产品性能进行验证性试验。
（6）通过全尺寸结构静力试验和疲劳试验，对碳纤维制品品的结构设计进行验证，并对实验过程及数据进行分析和讨论，以期为碳纤维基复合材料叶片的结构设计及生产工艺改进提供参考依据;
2.2技术路线及工艺流程示意图 工艺路线详述如下： 2.3重点解决的关键技术问题
1.碳纤维与聚合物树脂基体相容性问题。
由于国内目前使用的环氧树脂基体、PVC等骨架材料及固化体系都是基于常规玻璃纤维开发，而碳纤维材料与环氧树脂、胶粘剂、芯材等材料在理化性能、力学性能、工艺性能等方面的研究是亟需解决的关键技术问题之一;同时应健全优化大型复合材料叶片的材料体系，以便使设计更加精准，在保证足够安全的前提下尽可能的降低材料耗用，既有利于降低产品的制造成本，也有利于提高产品的风能利用性能。
2.大尺寸、大厚度碳纤维制品缺陷分析与无损检测技术研究。
与玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料相比，碳纤维增强环氧树脂基复合材料界面结合较差，基体中气孔较多，弯曲、压缩、冲击等力学性能较差。通过X射线检测、超声检测等无损探伤技术，发现材料或产品内部和表面所存在的缺陷，确定适合于大尺寸、大厚度复合材料制品现场无损检测方法，为稳定产品质量提供有效保障。 3综述
通过本文的研究，有利于提高风能利用率、降低单位功率造价、降低风电发电成本，对促进国内风力发电机组大型化发展起到积极作用，与此同时还能为高性能大型复合材料叶片设计、模具制造、原辅材料、配件、产品测试、运输积累一定经验。 参考文献
[1]; 李威 ，郭权锋 .碳纤维复合材料在航天领域的应用 [J].中国光学201-212. 4（3）： 2011， ，
碳纤维增强树脂基复合材料在大型复合材料叶片上的应用
