碳纖維風電大梁拉擠成型工藝介紹

      在既要發(fā)展經濟，又要達到雙碳目標的重大歷史節(jié)點，如何利用新型清潔能源來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的石油煤炭資源已經成為社會關注的熱點問題，而風電作為清潔能源中的一種，受到越來越多關注。

      風力發(fā)電技術自發(fā)明之日起，至今已近百年，相應的技術已較成熟，同時也面臨著相當大的挑戰(zhàn)。風力發(fā)電裝備的主要部件——葉片，目前大多使用玻璃纖維增強復合材料(GFRP)制造，其具有良好的強度與剛性、較低的生產成本。隨著對發(fā)電機組發(fā)電容量要求的逐漸提高，相應葉片尺寸也需要逐步增大，對材料強度及剛度等性能要求也隨之提出了更高技術要求，由于玻璃纖維本身性能所限，難當此任，為此大葉片制造采用碳纖維已成為理想選擇。
     研究資料表明，只在大梁處用碳纖維復合材料替換玻璃纖維復合材料，葉片重量減輕12%，且具有更高剛度和耐疲勞性，同時帶來更低的運輸安裝成本以及維修成本，延長風機使用壽命，其全生命周期的使用成本更低。
      碳纖維復合材料的成型方法很多，對于復合材料板材的生產制造也有多種選擇，如預浸料工藝、碳布灌注工藝和拉擠工藝等。其中拉擠成型工藝是一種連續(xù)生產固定截面纖維增強復合材料的成型方法，該技術始于1948年的美國，并在全世界得以發(fā)展推廣。
      拉擠型材廣泛應用于電氣設備、耐腐蝕部件、建筑工程、運輸行業(yè)及軍事等領域，目前正處在高速發(fā)展的階段。拉擠成型從理論上可以生產出任意長度的制品，典型的拉擠線速度為0.2~1.5m/min，快速成型速率可以達到4m/min以上，并且可以同時生產多件產品，極大提高了成型效率，適用于大批量生產；此外，生產過程可以完全實現自動化控制，產品截面形狀實現系列化與標準化，降低了復合材料制品質量的離散性，性能穩(wěn)定；纖維含量高，可達80%，由于成型時纖維在張力作用下充分展直，纖維性能可以得到充分發(fā)揮，縱向力學性能突出，原材料利用率也可達到95%以上。

      拉擠成型的步驟有：纖維供給─纖維導向─樹脂浸漬─預成型─拉擠成型─牽引─切割─拉擠成型制品，其加熱成型部分一般分為預熱區(qū)、凝膠區(qū)和固化區(qū)，如上圖所示?，F有的拉擠樹脂包括環(huán)氧樹脂、乙烯基樹脂和不飽和聚酯樹脂等。

      上海富晨生產的FXR/FXC-550是一種拉擠工藝用環(huán)氧樹脂，常應用于復合材料拉擠工藝。FXR/FXC-550有著高環(huán)保安全特性（無溶劑固化體系），具有高力學性能、高耐溫性能、適用期長和優(yōu)異的拉擠速度；根據制品形狀，可達 100-500mm/min；對玻璃纖維和碳纖維具有良好的浸潤性，有著良好的儲存穩(wěn)定性，儲存時間長達1年。

      拉擠成型作為一種高效生產固定截面復合材料的生產工藝，對于設備以及工藝參數的設定及調控極其嚴格，任何一處小的改動或者毫微的失誤都會造成產品質量瑕疵和廢品。本文對碳纖維風電拉擠大梁（碳梁）的產品結構，材料選擇以及生產工藝方面做概要介紹，其中的一些數據參數和配合比僅供參考。

      碳梁由復合材料板主體、左側保護層、上脫模布、右側保護層、下脫模布等組成。復合材料板主體的纖維為碳纖維，纖維體積含量為50%～80%；復合材料板材左、右側保護層的增強材料為玻璃纖維，數量為每側至少1根。
      材料的樹脂選用高性能環(huán)氧樹脂，固化劑優(yōu)選為液體酸酐，促進劑優(yōu)選叔胺類，脫模劑優(yōu)選環(huán)氧型脫模劑。配合比宜 環(huán)氧樹脂：固化劑：促進劑：脫模劑=100：（80～110）：（0.5～2.0）：（0.5～2.5）。
      上、下脫模布材質為尼龍或聚酯。脫模布一方面可以在產品包裝及轉運過程中保護碳梁不因劃傷、刮擦而受損，另外在使用時揭除脫模布后碳梁形成的粗糙表面可以增加產品粘接強度，免除碳梁的打磨工序，節(jié)省工時及成本。

      拉擠工藝流程示意圖如下:

      準備長度為900mm的拉擠成型模具，并固定在拉擠機模具固定架上。將規(guī)定數量的48K或24K碳纖維安裝在紗架上，并依次通過浸膠槽、預成型模、成型模具，并引入牽引機。
      成型模具三區(qū)溫度按要求設定并升溫，等成型模具溫度均衡后，將配好的樹脂加入浸膠槽，纖維分2～4層浸膠，拉擠速度設定為0.2～0.5m/min，碳纖維浸膠后通過擠膠輥、預成型模等四道逐級擠膠，充分降低入模前浸膠碳紗的含膠量，和上、下脫模布隨纖維一起進入成型模具。
      成型后的板材經風箱冷卻降溫后，進入牽引機和收卷機，成為復合材料板材成品。