风电叶片用国产碳纤维预浸料工艺性能和力学性能研究

2019-06-01 13:48:22 NMG Composites Co;Ltd. Read
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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

2017-01-03 15:47:57 浙江联洋新材料股份有限公司 阅读 112

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[1]。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[2-10]。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[11]。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。




1. 2 仪器

 

真空干燥箱,型号DZF-6050; 无纸记录仪,型号XSR70A/Y-32EV0USB; 差示扫描量热仪,型号DSCQ200; 电子万能试验机,型号Instron 3382; 蔡司体式显微镜,型号Stemi 2000-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) [8],当真空袋内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。



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Q200 型差示扫描量热仪进行DSC 测试,选用的升温速率分别为5℃ /min、10℃ /min 和20℃ /min,所有试验均采用N2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-32EV0USB 无纸记录仪测试碳纤维预浸料在85℃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ISO 527-5( 2009) 、ISO 14126( 1999) 和ISO 14129( 1997) 。

 

纤维体积含量和孔隙率测试: 采用蔡司Stemi2000-C 体式显微镜,依据测试标准GB /T 3365—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 /m2,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,但纤维中有较多的干丝,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 /㎡,而国产碳纤维预浸料B 的纤维面密度为300g /㎡,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. 29mm,而碳纤维预浸料C 纤维面密度为600g /㎡,测试单层厚度约为0. 58mm,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,劳动强度增加一倍,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 /㎡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℃等温温度下不同位置处的实时温度变化曲线如图2 所示。

 


 

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83 —— 84℃,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℃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℃。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℃。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℃,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[12-15]。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。



由图3 可知,随着升温速率的增加,两种碳纤维预浸料的固化反应放热峰都向高温方向偏移; 但碳纤维预浸料B 在5℃ /min 时的放热峰比高升温速率下的放热峰高,也比碳纤维预浸料C 的放热峰高,可能是因为升温速率高的情况下,在低温区来不及反应便进入高温区,并且碳纤维预浸料B 单位时间内的放热量较大,因此产生的温差大,放热峰尖锐; 另外固化不完全也会使放热峰滞后。表2 和表3 中列出了不同升温速率下国产碳纤维预浸料的特征参数。从表2 和表3 中可以看出,随着升温速率的增加,两种碳纤维预浸料的反应起始温度增加,放热峰温度升高,国产碳纤维预浸料B 的玻璃化转变温度在110℃左右,而进口碳纤维预浸料C 的玻璃化转变温度在120℃左右,两者的起始反应温度和峰值温度均相当,其中国产碳纤维预浸料B 的固化制度为90℃ /2h + 110℃ /4h,进口预浸料C 的固化制度为85℃ /2h + 110℃ /6h。

 



另外,从图2 中可以看出,国产碳纤维预浸料B在85℃固化240min 左右温度达到放热峰,底层放热峰温度与顶层放热峰温度相差约45℃; 而进口碳纤维预浸料C 在85℃固化320min 左右温度达到放热峰,底层放热峰温度与顶层放热峰温度相差约67℃。可能的原因是两种树脂均为潜伏性树脂,国产碳纤维预浸料B 随温度变化比较敏感,在85℃左右树脂粘度降低,树脂流动加速了树脂的反应,放热反应在升温的过程中不断释放,故反应的放热峰温度相对较低; 而进口碳纤维预浸料C 在低温下粘度变化不大,达到其引发温度后树脂快速反应固化,放热比较集中,所以放热温度较高。碳纤维预浸料固化过程中上下层放热峰温度差较大,易引起应力集中,后期对后固化处理温度的要求比较严格。

 

切割固化完全的碳纤维厚层合板,测试其层合板的纤维体积含量和孔隙率,如图4 和图5 所示。图4 为国产碳纤维预浸料B 的纤维体积含量和孔隙率,从图4 中可以看出,碳纤维分布比较均匀,纤维体积含量平均为63. 3%,孔隙含量为0. 35%,孔隙比较大,主要分布在碳纤维预浸料的层与层之间。图5 为进口碳纤维预浸料C 的纤维体积含量和孔隙率,从图5 中可以看出,碳纤维分布比较均匀,纤维体积含量平均为61. 1%,孔隙含量为0. 16%,没有较大的孔隙,孔隙在层间和层内均有。两种碳纤维预浸料制备的厚制件的纤维体积含量均比力学性能测试样板的纤维体积含量稍高,但国产碳纤维预浸料B 的纤维体积含量和孔隙含量比进口碳纤维预浸料要高,可能是由于国产碳纤维预浸料B 在85℃下的粘度较低,在固化过程中树脂流失较多,另外国产碳纤维预浸料B 表面气泡稍多,铺层过程中层间气泡不易赶出,孔隙含量高,所以纤维体积含量高。

 

因此,国产碳纤维预浸料制造厂商需要优化碳纤维预浸料的环氧树脂体系,使其粘度在10 —— 40℃的温度区间内做到不粘手、不发脆,有较低的低粘度平台区域,固化温度适中,在固化温度下能快速固化,减少预浸料树脂的流失,保证产品的树脂含量符合要求。




2. 2 力学性能

 

复合材料的力学性能主要受树脂与纤维的基本性能、树脂与纤维的界面性能、纤维的体积含量、纤维分布和有无缺陷等五个因素影响。对于风电叶片用大型碳纤维复合材料结构件来说,较为关注的是复合材料沿纤维方向的拉伸、压缩性能和垂直于纤维方向的拉伸性能这三个基本力学性能。前两个性能决定了结构件的承载能力,最后一个性能影响结构件的稳定性。在单向纤维增强复合材料中,增强纤维是沿纤维方向的拉伸性能的主要影响因素,界面性能和基体性能对其也有一定的影响,而垂直纤维方向的拉伸性能主要受基体性能的影响,并且两者之间的差异随着纤维弹性模量的增加而增大。按照测试标准要求制定样条后进行测试,测试数据如表4 所示。



国产碳纤维预浸料A 外观质量较差,浸渍不均匀,预浸料中有大量的干纱,选用表面相对均匀的区域制作层合板,因此,表4 中纤维体积含量仅代表预浸料中浸渍相对好的部分区域。表4 中90°拉伸模量没有数据是因为预浸料纤维含量较高而且分布不均匀,测试过程中应变未达到给定应变点试样已破坏,故无模量数据。虽然0°拉伸性能较高,但90°拉伸强度明显较低,说明纤维含量较高,预浸料内树脂和纤维的粘接界面性能较差。因此,与其他预浸料没有可比性。从表4 中可以看出,国产碳纤维预浸料B 的纤维体积含量比进口碳纤维预浸料的纤维体积含量高2. 2%。由于碳纤维预浸料的力学性能与其层压板的纤维体积含量有较大的关系,为了对比两种碳纤维预浸料的力学性能,根据文献[16]中公式进行归一化处理:



式中,FV1 为所选的公共纤维体积含量,%; FV2为试件的真实纤维体积含量,%。

 

本文中选定的公共纤维体积含量为60. 5%,归一化处理后两种碳纤维预浸料的基本力学性能如表5 所示。


从表5 中可以看出,国产碳纤维预浸料B 的复合材料的0° 拉伸弹性模量是90° 拉伸弹性模量的19. 5 倍,而碳纤维预浸料C 的复合材料的0°拉伸弹性模量是90°拉伸弹性模量的15. 28 倍。国产碳纤维预浸料B 的复合材料的0°拉伸强度比碳纤维预浸料C 高,说明国产碳纤维预浸料B 所用的碳纤维的强度和模量较高。复合材料的断面形态在一定程度上反映了纤维性能、基体性能和界面结构等。两种碳纤维预浸料的破坏形貌相似,0°拉伸试样的破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。

 

作者:宋秋香1,2,贾智源1,2,高克强1,2

 

1. 中材科技风电叶片股份有限公司; 

2. 特种纤维复合材料国家重点实验室