CWPC2024：吉林國興復(fù)合材料有限公司總工程師王永鵬發(fā)表《風電葉片主梁碳板性能提升路徑研究》的演講

尊敬的各位專家、各位同仁，大家下午好！

很高興有這個機會在這里向大家介紹一下我們碳板的研發(fā)工作，我匯報的題目是：風電葉片主梁碳板性能提升路徑研究。

主要從6個方面匯報：原材料的優(yōu)勢與管控、工藝優(yōu)化、質(zhì)量體系等。

1.、總述

上午各位領(lǐng)導(dǎo)專家也提出風力發(fā)電正在向大型化的方向發(fā)展，隨著風力發(fā)電機組和葉片的大型化，對葉片提出減重及高剛度需求。碳纖維拉擠工藝復(fù)合材料因強度高、減重效果好，正應(yīng)用于葉片主梁，提高葉片穩(wěn)定性，最終提升機組可靠性。同時也對碳纖維及樹脂原料提出了更高的要求，葉片已經(jīng)由原來19米發(fā)展到現(xiàn)在143米。工藝原料也從碳纖維織物發(fā)展到拉擠碳板，現(xiàn)在0度方向拉伸模量做到150GPa以上。

2、大絲束碳纖維技術(shù)優(yōu)勢與品控

為什么選擇濕法大絲束碳纖維，在這里我們也做過一些研究，通過把濕法和干法碳纖維表面和斷面做了表征，從結(jié)果可以看到35K GX400碳纖維，表面有明顯凹槽，截面為腰子形。與樹脂結(jié)合時，這些凹槽會增大碳纖維表面積，有利于提高碳纖維與樹脂之間的機械錨定性能，提高界面結(jié)合力。35K GX400碳纖維更加纖細，與樹脂的浸潤性更好。

大絲束碳纖維還有工藝優(yōu)勢，大絲束碳纖維束形比較粗，90°拉伸試驗的斷面可以看出經(jīng)預(yù)加熱系統(tǒng)處理碳纖維與樹脂的結(jié)合更好，另外我們也對碳纖維工藝上進行了研究，從制備的碳纖維復(fù)合材料90度破壞實驗斷面照片可以看到，經(jīng)過處理的復(fù)材表面比較平整，未處理的復(fù)材有游離的地方出現(xiàn)，經(jīng)預(yù)加熱系統(tǒng)處理碳纖維的力學(xué)性能更優(yōu)異。

大絲束碳纖維技術(shù)優(yōu)勢與品控小結(jié)：樹脂結(jié)合性好、操作簡便，不易發(fā)生扭曲。優(yōu)化預(yù)處理工藝，樹脂結(jié)合性進一步增強，所制備碳板性能優(yōu)異。

3、樹脂的研發(fā)與品控

碳板專用環(huán)氧樹脂配方體系，優(yōu)化樹脂配方體系，匹配拉擠工藝要求，保證碳板性能穩(wěn)定。組成：基體環(huán)氧樹脂、固化劑、促進劑、增韌劑、各類功能助劑。通過促進劑優(yōu)化設(shè)計與樹脂黏度研究，實現(xiàn)樹脂固化速度的調(diào)控。開發(fā)出新型螯合型增韌樹脂，增強樹脂韌性的同時提高碳纖維與樹脂間的界面結(jié)合力，穩(wěn)定碳板性能。

4、碳板拉擠工藝技術(shù)優(yōu)化研究

我們?nèi)^程參數(shù)標準化管控。規(guī)范產(chǎn)品的工藝參數(shù)，合理設(shè)計穿紗排紗、調(diào)控樹脂黏度和固化溫度、模具表面光滑平整等。我們做了模具形態(tài)、模具溫度、模具樹脂相態(tài)優(yōu)化這幾個工作。目前使用的模具界面主要是3種：有矩形、V形、梯形。使用過程中發(fā)現(xiàn)梯形模具制作碳板過程中經(jīng)常出現(xiàn)缺損或者是裂痕的現(xiàn)象，可以通過優(yōu)化排紗設(shè)計、膠液調(diào)控來提高生產(chǎn)周期和碳板性能，但廢板率依然較高，所以我們推薦使用矩形和V形兩種界面模具進行碳板生產(chǎn)。碳板的生產(chǎn)周期比較穩(wěn)定，可以達到30天以上，另外是碳板性能也是比較穩(wěn)定的。

另外，我們不斷進行膜腔溫度優(yōu)化研究，通過擬合不同加熱速率下的特征溫度和固化度，采用T‐β外推法，外推得到 β=0 時的 Ti、Tp、Tf分別為 97. 8、127.5、143.2 ℃。結(jié)合模具3段式加熱模式，可確定拉擠成型的3段溫度分別為 ：100~130、130~160、145~175 ℃。再結(jié)合性能，我們進一步進行優(yōu)化。

另外，加強跟蹤監(jiān)測模腔溫度，建立模腔溫度與樹脂配方、碳板性能的數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)穩(wěn)定碳板性能的智能化調(diào)控。另外是持續(xù)關(guān)注模腔內(nèi)樹脂相態(tài)優(yōu)化研究，我們知道模具內(nèi)樹脂呈現(xiàn)從液態(tài)到凝固態(tài)，最后到固態(tài)的3相過程。可以看到凝膠區(qū)幾個重要參數(shù)，這里有凝膠區(qū)的寬度，凝膠區(qū)成型物與模具內(nèi)壁的粘滯剪應(yīng)力錐形凝膠區(qū)厚度最小處，凝膠體的熱拉伸強度，通過開模得到凝膠區(qū)寬度及厚度的最小值。通過調(diào)控樹脂可以控制剪切應(yīng)力。

通過研究得出優(yōu)化拉擠工藝的4種方法：

采用快速固化樹脂體系和（或）提高凝膠區(qū)模具溫度，縮短凝膠區(qū)長度Y值；

使用高效內(nèi)脫模劑，和（或）提高成型模具工作面的光潔度和平整度，減少凝膠區(qū)內(nèi)成型物與模具內(nèi)壁的粘滯剪力；

通過增加增強材料的體積含量來減少成型物表面的富樹脂層厚度，和（或）更快的固化速度，以最大限度提高t值；

合理的樹脂配方和填料的加入，提高樹脂凝膠時的熱強度。

5、完備的質(zhì)量保障體系

我們現(xiàn)在建立完備的質(zhì)量保障體系，嚴格按照APQP4wind執(zhí)行研發(fā)管理，質(zhì)保執(zhí)行一把手負責制。在質(zhì)保體系保障下我們建立標準化檢驗檢測體系，目前完全按照CNAS認證來對產(chǎn)品進行檢測。

（圖示）這是我們配備專業(yè)化的檢驗檢測設(shè)備。為了滿足風電產(chǎn)業(yè)鏈配套要求，我們在全國4地布局生產(chǎn)基地，目前吉林總部和江蘇如皋已經(jīng)投產(chǎn)，內(nèi)蒙古和廣東基地正在建設(shè)中。

6、總結(jié)

我們的大絲束碳纖維具有低成本、高性能、樹脂匹配性好等優(yōu)勢。成熟的拉擠工藝和完備的質(zhì)保體系協(xié)同發(fā)力，保證碳板質(zhì)量穩(wěn)定。吉林化纖致力于提供優(yōu)質(zhì)碳纖維原料和高性能碳纖維復(fù)合材料性能提升路徑。

最后感謝科技部、吉林省科技廳的大力支持！