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风电叶片用国产碳纤维预浸料的制备及性能研究

国际新能源网  来源:中国新技术新产品  作者:潘翠红 孙占红  日期:2017-06-30
   摘 要: 本文制备了一种低压成型环氧树脂LTC80体系,对LTC80树脂的耐热性能、粘温特性等进行了研究;和国产碳纤维ZT6F复合制备风电叶片专用预浸料ZT6F/LTC80,对预浸料的物理性能、ZT6F/LTC80复合材料性能进行了研究。结果表明:LTC80树脂具有良好的工艺性能,适用于热熔法制备预浸料;ZT6F/LTC80预浸料适用于低压成型,ZT6F/LTC80复合材料性能优良,国产碳纤维预浸料满足风电叶片的使用要求并成功应用。
 
  随着风力发电设备的大型化,对材料的强度和刚度等性能提出了更加苛刻的要求,要满足大型叶片对材料的要求,国外风电叶片生产商已着手在大型叶片的制造过程中使用碳纤维。随着风电技术的发展,碳纤维在风电行业中的应用将使风力发电的综合成本逐渐减低,使用碳纤维复合材料制造大型叶片将是未来必然的发展趋势。常用的复合材料风电叶片的制造工艺有湿法成型、预浸料成型、真空灌注成型等方法。对于制造相同WM级的风电叶片,预浸料呈现最佳的性能。国外碳纤维预浸料在风机叶片上的应用方面已日趋成熟。在这项技术上走在世界前列的仍然是几个老牌的风电大国包括德国、丹麦和美国等。
 
  目前,国内碳纤维在风电叶片上的应用刚刚起步,但是均采用进口碳纤维预浸料,国产碳纤维预浸料在风电叶片上的应用处于空白。本试验根据市场需要,研制一种适用于真空低压成型的国产碳纤维预浸料,应用于大型风电叶片。
 
  1.实验部分

  1.1 主要材料与试剂
 
  双酚A型环氧树脂单体A、B:纯度>99%(HPLC测试);固化剂组分:中航复合材料有限公司自制;触变剂:中航复合材料有限公司自制;ZT6F碳纤维:T700级12K碳纤维,中简科技有限公司。
 
 
  图 1 LTC80 树脂体系的 DSC 分析
 
  1.2 树脂及复合材料的制备
 
  称取一定量的环氧树脂单体A、B,加热熔融,加入触变剂,高速搅拌;降至一定温度,加入固化剂组分,机械搅拌均匀即得LTC80环氧树脂基体。将LTC80树脂和增强材料(ZT6F碳纤维),通过热熔法制备预浸料,利用真空袋成型,即可制得ZT6F/LTC80树脂基复合材料。
 
 
 
  1.3 测试与表征
 
  树脂的DSC分析:NETZSCH DSC 204 F1示差扫描量热分析仪,升温速率:5℃/min;树脂流变性能:GEMINI200型流变分析仪,测试条件:加载频率:1Hz,加载应力:10MPa,试样厚度:200um,升温速率:3℃/min;树脂DMA:NETZSCH DMA 242C动态热机械分析仪,升温速率:5℃/min。复合材料力学性能的测试:按ASTM标准进行测试。
 
  2.结果与讨论
 
  2.1 LTC80树脂性能
 
  2.1.1 树脂DSC曲线
 
  从图1可以看出树脂体系的反应温度在134℃,反应起始温度在125℃符合风电叶片用树脂体系的固化要求。在实际使用中,树脂体系的在100℃下固化3h,即可实现完全固化。
 
  2.1.2 树脂耐温性能
 
  从图2可以看出,树脂固化后玻璃化转变温度Tg达到136.9℃,具有较高的耐热性。虽然使用低成本的双酚A型环氧树脂,但是由于自制固化剂组分的高效,使得树脂固化完全使得树脂体系具有高的耐热性。
 
  2.1.3 树脂流变性能
 
  由图3树脂的流变曲线可以看出,随着温度的上升,受温度影响树脂黏度逐渐降低,随着温度的继续上升,树脂开始发生固化反应,树脂黏度逐渐增加,至114℃以上,树脂固化反应加快,很快达到凝胶阶段,树脂的黏度迅速增加,树脂固化。这种动态的流变特性使得树脂易于制备大厚度预浸料;且树脂在固化时具有较低的黏度,同时由于触变剂的加入,使得树脂适用于真空低压固化工艺,具有较好的工艺性。
 
  2.2 复合材料性能
 
  2.2.1 热熔法制备预浸料
 
  LTC80树脂体系的流变特性,使其适用于热熔法制备预浸料,并适用于低压成型。风电叶片用预浸料为了降低铺贴成本,通常采用高面密度,这就给树脂充分浸润纤维带来了考验,LTC80树脂的流变特性恰好解决了这个问题,在树脂流动的动态过程中,触变剂的增稠作用处于失效状态,因此树脂能充分流动。而在制备过程中,设备温度和压力的合理控制,不会出现树脂积淤的现象,使得预浸料不会出现贫胶区域,保证了预浸料性能的稳定。
 
  ZT6F/LTC80预浸料预浸料的制备采用二步热熔法,见表1。
 
  表 1 ZT6F/LTC80 预浸料的物理性能
 
 
  2.2.2 ZT6F/LTC80复合材料性能
 
  表 2 ZT6F/LTC80 复合材料力学性能

 
  表2所示的结果是ZT6F/LTC80复合材料力学性能。从表中结果可以看出,复合材料具有优良的力学性能。
 
  结论
 
  以低成本双酚A型环氧树脂为主要原料合成的LTC80树脂具有适宜的流变特性,将其和国产T700级碳纤维ZT6F复合制备热熔法预浸料。国产ZT6F/LTC80碳纤维预浸料具有优良的力学性能,已成功应用于制备大型风机叶片,并通过静力试验。
 
  参考文献
 
  [1] 牟书香,陈淳 . 碳纤维复合材料在风电叶片中的应用 [J]. 新材料产业,2012(2):25-29.
 
  [2] 高克强,薛忠民 . 复合材料风电叶片技术的现状与发展 [J].新材料产业,2010(5):4-7.
 
  [3] 马振基,林育峰 . 复合材料在风力发电上的应用发展 [J]. 高科技纤维与应用,2005(4):5-8.
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