碳纖維風電大梁拉擠成型工藝介紹

      在既要發(fā)展經(jīng)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(jīng)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)多件產(chǎn)品，極大提高了成型效率，適用于大批量生產(chǎn)；此外，生產(chǎn)過程可以完全實現(xiàn)自動化控制，產(chǎn)品截面形狀實現(xiàn)系列化與標準化，降低了復合材料制品質(zhì)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(xiàn)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(chǎn)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(jù)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(chǎn)固定截面復合材料的生產(chǎn)工藝，對于設備以及工藝參數(shù)的設定及調(diào)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(chǎn)品質(zhì)量瑕疵和廢品。本文對碳纖維風電拉擠大梁（碳梁）的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，材料選擇以及生產(chǎn)工藝方面做概要介紹，其中的一些數(shù)據(jù)參數(shù)和配合比僅供參考。

      碳梁由復合材料板主體、左側(cè)保護層、上脫模布、右側(cè)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(cè)保護層的增強材料為玻璃纖維，數(shù)量為每側(cè)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(zhì)為尼龍或聚酯。脫模布一方面可以在產(chǎn)品包裝及轉(zhuǎn)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(chǎn)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(shù)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(jīng)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。