材 料 為 本 應 用 至 上
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在既要發展經濟,又要達到雙碳目標的重大歷史節點,如何利用新型清潔能源來代替傳統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。
風力發電技術自發明之日起,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。風力發電裝備的主要部件——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。隨著對發電機組發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、運輸行業及軍事等領域,目前正處在高速發展的階段。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、凝膠區和固化區,如上圖所示。現有的拉擠樹脂包括環氧樹脂、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氧樹脂,常應用于復合材料拉擠工藝。FXR/FXC-550有著高環保安全特性(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。