付东升, 黄翔宇 

(中国石化上海石油化工股份有限公司, 上海 200540)

摘要：大功率风电机组尤其是海上风电大尺寸复合材料叶片对于材料的强度、耐疲劳性能及长期使用可靠性提出了更高的要求，高强度高刚度碳纤维增强复合材料拉挤板材为大尺寸风电叶片主梁结构提供了最佳解决方案。国产低成本大丝束碳纤维生产技术突破为碳纤维增强复合材料风电板材规模化应用奠定了基础，碳纤维/玻璃纤维(碳玻)混杂成型技术。碳纤维/聚氨酯体系拉挤成型技术为风电板材提供了更多可供选择的技术途径。本文结合上海石化 48K 大丝束碳纤维在风电领域应用研究成果及国内外风电板材新型技术进展，总结了大丝束碳纤维复合材料在风电叶片板材的应用途径。

关键词：大丝束碳纤维; 碳玻混杂; 聚氨酯; 拉挤成型

引言

碳纤维复合材料密度小、强度高、耐疲劳、耐腐蚀，且可设计性强，广泛应用于国防军工、交通、运动休闲和建筑等领域。大丝束碳纤维是丝束规格大于等于 24K 的碳纤维，拉伸强度一般在 3 500 ~ 5 000 MPa 之间，拉伸模量在 230 ~ 290 GPa之间，因成本较低，制备复合材料加工效率高，主要用在交通、新能源、建筑和体育用品等领域。近些年来，我国聚丙烯腈基大丝束碳纤维制备及在复合材料领域的应用技术获得了重大突破和进展，极大提升了竞争力，尤其是 2022 年国内首套自主知识产权上海石化 48K 大丝束碳纤维生产线开车成功，进一步让大丝束碳纤维成为我国碳纤维应用市场上各方关注的热点。

随着风电机组的大型化发展，轻量化设计要求愈加突出。15MW 以上级风电机组超长叶片对材料的强度、刚度和耐疲劳性能提出了更高的要求，为碳纤维复合材料在风电叶片领域的批量应用提供了前提。小丝束碳纤维力学性能优异，但受成本因素制约，在风电叶片领域的规模化推广应用一直停滞不前，而近十年来大丝束碳纤维的发展恰恰踏上了全球风电复合材料叶片快速增长的节拍。 2022 年，风电叶片碳纤维用量高达 3.47 万吨，占全球碳纤维用量的 25. 7%，根据预测,未来十年风电行业对碳纤维需求依然强劲，预计到 2030 年可达 19. 5 万吨以上^[1]，风电板材制造企业更是提出了对低成本碳纤维的价格的迫切要求^[2]。

1 风电叶片对于复合材料的需求

风电叶片的结构、强度、刚度和稳定性使其能可靠地承受工作运行过程中的各种载荷，对风力发电机组的运转可靠性起着至关重要的作用^[3]。

风机机组功率与叶片长度两者之间的关系满足下式：

其中, P 为风机功率, L 为叶片长度。

安宗文等^[4]通过对某兆瓦级风电叶片进行三维建模，利用有限元软件分析了叶片的振动特性以及在 50 m / s 的极限风速下的应力及位移分布特征(图1)，结果表明，叶片工作振动时，失稳折点多位于叶片长度方向距离叶尖 1/3 的位置。实际统计数据的风电叶片的疲劳损伤部位大多数在该位置，是风电叶片的薄弱部位。从叶片应力云图可以看出，主要应力分布在叶片长度方向1/3 ~ 2/3 的主梁与腹板处，前后缘则承受较小应力，主梁和腹板为叶片的主要承载结构，在材料选择、工艺设计及制造成型时应予以重点考虑。

纤维增强树脂基复合材料可满足风电叶片变截面、大曲率和结构铺层渐变的设计及制造特征要求^[5-6]，成为大尺寸风电叶片主梁的唯一可选材料，风电叶片目前也是世界上最大的复合材料单体部件。一般来说，材料选择在叶片结构设计定型时完成，但最新的叶片设计理念是将材料前置，与叶片的气动、结构形成多目标一体化迭代，不断探索叶片和主机匹配的发电量、载荷与成本的最佳平衡点。

风电叶片尺寸越长，整体柔性变形就越大，需要控制运行过程中的叶尖挠度变形来保证叶片与塔架之间的安全距离，否则会发生扫塔事故。玻璃纤维是目前用量最大的风电叶片主梁原材料。据统计，风电叶片玻璃纤维用量占我国玻璃纤维 总产能的 20% ~ 25%。玻璃纤维的拉伸模量是影响叶片变形的关键因素之一，超高模量玻璃纤维对于提升叶片刚度意义重大。近 10 年来，玻璃纤维企业通过持续不断的技术创新，开发了各种规格的玻璃纤维。图 2 为主要型号玻璃纤维的拉伸模量。从图 2 中可以看出，每一代玻璃纤维的模量都提升了 10%左右，超高模量玻璃纤维/环氧树脂拉挤板材的模量也达到了 70 Gpa ^[7]。这些进展有力地促进了风电叶片大型化的发展，目前长度 80 m以下叶片设计基本都是以玻璃纤维为主的材料体系。

超高模量玻璃纤维拉伸模量已达到理论值的 90%左右，已无法继续满足发展更大尺寸的海上风电叶片的要求。碳纤维的拉伸模量比玻璃纤维高 3~10 倍。比重小 30%，在大尺寸风电叶片设计制造上具有明显的优势。随着叶片尺寸增加，重量越来越大，为提高刚度和耐疲劳性能，使用碳纤维替代玻璃纤维成为必然选择，但碳纤维的价格通常为玻璃纤维的 8 ~ 15 倍，兼顾成本因素，部分风电叶片生产企业的长度 80 ~ 120 m 的风电叶片采用了碳纤维/玻璃纤维(碳玻)混杂结构，长度 120 m 以上风电叶片则采用纯碳纤维复合材料(表 1)。

2 碳玻混杂体系

纤维混杂的方式可分为层间混杂、层内混杂两种方式(图3)。层间混杂是指通过不同类型的单一纤维片材进行叠加，从而达到混杂的效果。层内混杂是指通过编织的方法把不同种类的纤维混编在同一层中，从而达到协同增强的效果，层内混杂按纤维混编结构又分为单向混杂、双向混杂和三向混杂。目前风电碳玻混杂板材因大多采用拉挤工艺，均为单向层间或层内混杂。

碳玻混杂风电叶片拉挤板材可根据实际使用工况和成本因素对碳玻混杂比(碳纤维与玻璃纤维的体积分数比值)进行调整，例如国内某企业生产的碳玻混杂拉挤板材碳玻混杂比有 1：2 和 2：3 两种规格。德国 Repower 公司、丹麦 LM 公司、西门子歌美飒、明阳智能的部分型号风电叶片主梁板材均采用了碳玻混杂结构^[8-11]。

风电叶片在工作过程中，受力状况比较复杂，迎风面承受拉伸载荷，背风面承受压缩。弯曲载荷，旋转时还有扭转、振动等载荷耦合作用。对于碳玻混杂结构复合材料，又因为玻璃纤维与碳纤维应变。热膨胀系数以及与树脂之间的界面作用力存在差异等因素影响，复合材料部件在长期使用过程中的疲劳及耐老化性能是需要考核的关键指标。肖远航等^[11]设计湿热老化试验研究了碳玻混杂结构复合材料浸水，在 80 ℃环境下处理 98 天后的力学性能变化。结果表明：水分子在碳玻层间混杂复合材料中的扩散系数与碳玻混杂比无明显关系，试验后材料力学性能下降均较为明显: 0 °拉伸强度保留率都在 55%以上，90°拉伸强度保留率在 35%以上，0°压缩强度保留率在 34%以上，弯曲强度保留率都在 37%以上，层间剪切强度保留率都在 47%以上；玻璃化转变温度下降均在 21%以内。采用扫描电子显微镜( SEM) 观察复合材料 90 °拉伸断裂截面发现，湿热老化后，碳玻层间混杂复合材料的树脂含量明显变少，内部空隙变大，纤维与树脂的界面发生了严重破坏，说明碳玻混杂结构复合材料的界面相对薄弱，在工艺设计及制造时需要加强控制，确保其长期使用可靠性。

3 碳纤维/环氧树脂体系

随着海上大功率风电机组的发展，更大尺寸叶片成为必经之路，目前长度 120 m 以上叶片则必须应用碳纤维板材(碳板) 进行设计。采用碳板制备的风电叶片不仅力学性能优异，而且更加节能减排，以 3MW 的风电机组为例，使用碳纤维复合材料叶片与使用玻璃纤维复合材料叶片相比，CO₂总减排量大于 1 000 吨，当用于更大功率的风电机组时，使用碳纤维复合材料叶片的CO₂减排效果更加显著^[12]。

风电叶片用碳板的发展历程经历了灌注碳板、预浸料碳板和拉挤碳板三个发展阶段。张舒^[13]等研究了三种成型工艺制备的碳板的性能(表2)。结果表明，拉挤成型碳板纤维体积含量最高，预浸料工艺纤维体积含量居中，灌注工艺纤维体积含量最低。拉挤板材纤维高度取向，可以通过调整树脂和工艺来调整纤维体积含量，但灌注工艺为了提高纤维体积含量可能会导致纤维浸润不充分而出现内部缺陷，而这种缺陷是很难检验的。

碳板灌注方式成型的复合材料的轴向模量值较低，同时强度值也低于其他两种成型方式，这是纤维体积含量低。内部纤维的弯曲和树脂分布不均匀综合导致的。碳板预浸料铺贴真空袋压固化成型方法则是采用高克重单向预浸料作为主要材料，在模具上铺贴后采用真空袋压。模具加热的方式进行固化成型、预浸料的制备过程包含树脂膜制备和纤维树脂浸渍过程，同时预浸料需要低温存储和运输，对制备和使用环境还有洁净度要求，这些都提高了材料的总体成本。拉挤碳板 呈现了优异的综合力学性能，这得益于板材中的纤维具有更高的直线度和纤维体积含量，拉挤成型时纤维在张力作用下高度取向，纤维性能可以得到充分发挥，纵向力学性能突出，纤维强度发挥率最高可达到 95%。拉挤板材具有优异的拉伸、压缩性能以及耐疲劳性能。

纤维拉挤成型工艺还具有高效低成本的优点，制品纤维体积含量可调可控，最高可达80%。典型的拉挤成型速度为0.2 ~ 1.5 m / min，快速成型速率则高达 4 m / min 以上，且可以实现一机多模制备多件制品，极大地提高了加工效率，降低了生产成本。拉挤成型生产过程可以完全实现自动化控制，产品截面形状实现系列化与标准化，制备的复合材料制品质量稳定。因此，当前风电叶片碳板的成型工艺逐渐固化为拉挤成型技术。

大丝束碳纤维复合材料拉挤成型工艺流程如图 4 所示。设备主体包括纱架及导纱装置、树脂槽、预成型装置、加热固化装置、牵引装置，切断装置，配套的还有收卷装置、控制系统、安全防护装置及报警装置等。

由于大丝束碳纤维丝束较粗，使用的是快速固化树脂体系，拉挤成型速度较快，树脂对碳纤维的充分浸润是工艺技术难点。具有优异工艺适配性的树脂是关键因素之一，在拉挤过程中，树脂不仅要包覆在碳纤维丝束表面起到润滑作用，还要快速浸渍到碳纤维丝束内部，否则会造成板材干纱等缺陷，影响拉挤板材的力学性能。树脂的黏度要保持在一定的范围且在拉挤环境温度下要有较长的适用期，如果环境温度过低的话，可以给树脂槽进行加温，以保证树脂能够随着碳纤 维顺利地进入模具口，不会被挤出来，也不会堵塞，满足板材树脂含量可控且工艺适配性良好的要求。上海石化通过技术积累，开发了一款适配于 SCF-40S 碳纤维的拉挤专用环氧树脂配方，具有良好的工艺性，拉挤碳板力学性能也满足了风电叶片板材标准要求。

拉挤过程还要密切关注牵引张力。如果模具温度设置不合理，拉挤过程模具内存在断纱或者有树脂集聚，牵引张力就会大幅度提升，可能会造成安全事故。

表 3 是利用上海石化 SCF40S-48K 碳纤维与环氧树脂复合制备的拉挤碳板的性能指标。

4 结语

2021~ 2022 年，风电市场发展相对低迷，中国可再生能源学会风能专业委员会数据显示：2022 年全国新增风电吊装容量同比下降约 11%，其中海上风电同比下降超六成。但自 2022 年底以来，各地风电项目建设逐渐恢复，西部陆上、东部海上风场筹建、招标正在如火如荼的进行中，各大主机厂及配套厂均在扩产扩能。据预测，到 2023 年年底，全国配套风电叶片的板材拉挤生产线将达到 2 500 条。中国电力企业联合会发布的《2023 年度全国电力供需形势分析预测报告》中预计，2023 年风电新增装机将达到6 500万 kW·h，对比 2022 年有巨大增幅。随着在建大丝束碳纤维的产能逐渐释放和新型低成本高效率自动化制备技术的不断进步，玻璃纤维板材、碳纤维板材以及新型低成本树脂体系板材将在不同功率的风电叶片应用上形成分赛道竞赛的局面，原材料、技术开发、生产及应用各个环节配合会愈加紧密，我国的风电产业在未来 5 ~ 10 年内会有更大规模的爆发式增长。

来源: 《工艺装备》