碳纤维风电大梁拉挤成型工艺介绍

      在既要发展经济，又要达到双碳目标的重大历史节点，如何利用新型清洁能源来代替传统的石油煤炭资源已经成为社会关注的热点问题，而风电作为清洁能源中的一种，受到越来越多关注。

      风力发电技术自发明之日起，至今已近百年，相应的技术已较成熟，同时也面临着相当大的挑战。风力发电装备的主要部件——叶片，目前大多使用玻璃纤维增强复合材料(GFRP)制造，其具有良好的强度与刚性、较低的生产成本。随着对发电机组发电容量要求的逐渐提高，相应叶片尺寸也需要逐步增大，对材料强度及刚度等性能要求也随之提出了更高技术要求，由于玻璃纤维本身性能所限，难当此任，为此大叶片制造采用碳纤维已成为理想选择。
     研究资料表明，只在大梁处用碳纤维复合材料替换玻璃纤维复合材料，叶片重量减轻12%，且具有更高刚度和耐疲劳性，同时带来更低的运输安装成本以及维修成本，延长风机使用寿命，其全生命周期的使用成本更低。
      碳纤维复合材料的成型方法很多，对于复合材料板材的生产制造也有多种选择，如预浸料工艺、碳布灌注工艺和拉挤工艺等。其中拉挤成型工艺是一种连续生产固定截面纤维增强复合材料的成型方法，该技术始于1948年的美国，并在全世界得以发展推广。
      拉挤型材广泛应用于电气设备、耐腐蚀部件、建筑工程、运输行业及军事等领域，目前正处在高速发展的阶段。拉挤成型从理论上可以生产出任意长度的制品，典型的拉挤线速度为0.2~1.5m/min，快速成型速率可以达到4m/min以上，并且可以同时生产多件产品，极大提高了成型效率，适用于大批量生产；此外，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，降低了复合材料制品质量的离散性，性能稳定；纤维含量高，可达80%，由于成型时纤维在张力作用下充分展直，纤维性能可以得到充分发挥，纵向力学性能突出，原材料利用率也可达到95%以上。

      拉挤成型的步骤有：纤维供给─纤维导向─树脂浸渍─预成型─拉挤成型─牵引─切割─拉挤成型制品，其加热成型部分一般分为预热区、凝胶区和固化区，如上图所示。现有的拉挤树脂包括环氧树脂、乙烯基树脂和不饱和聚酯树脂等。

      上海富晨生产的FXR/FXC-550是一种拉挤工艺用环氧树脂，常应用于复合材料拉挤工艺。FXR/FXC-550有着高环保安全特性（无溶剂固化体系），具有高力学性能、高耐温性能、适用期长和优异的拉挤速度；根据制品形状，可达 100-500mm/min；对玻璃纤维和碳纤维具有良好的浸润性，有着良好的储存稳定性，储存时间长达1年。

      拉挤成型作为一种高效生产固定截面复合材料的生产工艺，对于设备以及工艺参数的设定及调控极其严格，任何一处小的改动或者毫微的失误都会造成产品质量瑕疵和废品。本文对碳纤维风电拉挤大梁（碳梁）的产品结构，材料选择以及生产工艺方面做概要介绍，其中的一些数据参数和配合比仅供参考。

      碳梁由复合材料板主体、左侧保护层、上脱模布、右侧保护层、下脱模布等组成。复合材料板主体的纤维为碳纤维，纤维体积含量为50%～80%；复合材料板材左、右侧保护层的增强材料为玻璃纤维，数量为每侧至少1根。
      材料的树脂选用高性能环氧树脂，固化剂优选为液体酸酐，促进剂优选叔胺类，脱模剂优选环氧型脱模剂。配合比宜 环氧树脂：固化剂：促进剂：脱模剂=100：（80～110）：（0.5～2.0）：（0.5～2.5）。
      上、下脱模布材质为尼龙或聚酯。脱模布一方面可以在产品包装及转运过程中保护碳梁不因划伤、刮擦而受损，另外在使用时揭除脱模布后碳梁形成的粗糙表面可以增加产品粘接强度，免除碳梁的打磨工序，节省工时及成本。

      拉挤工艺流程示意图如下:

      准备长度为900mm的拉挤成型模具，并固定在拉挤机模具固定架上。将规定数量的48K或24K碳纤维安装在纱架上，并依次通过浸胶槽、预成型模、成型模具，并引入牵引机。
      成型模具三区温度按要求设定并升温，等成型模具温度均衡后，将配好的树脂加入浸胶槽，纤维分2～4层浸胶，拉挤速度设定为0.2～0.5m/min，碳纤维浸胶后通过挤胶辊、预成型模等四道逐级挤胶，充分降低入模前浸胶碳纱的含胶量，和上、下脱模布随纤维一起进入成型模具。
      成型后的板材经风箱冷却降温后，进入牵引机和收卷机，成为复合材料板材成品。