风电叶片用国产碳纤维预浸料的制备及性能研究

潘翠红　孙占红

摘 要：本文制备了一种低压成型环氧树脂LTC80体系，对LTC80树脂的耐热性能、粘温特性等进行了研究；和国产碳纤维ZT6F复合制备风电叶片专用预浸料ZT6F/LTC80，对预浸料的物理性能、ZT6F/LTC80复合材料性能进行了研究。结果表明：LTC80树脂具有良好的工艺性能，适用于热熔法制备预浸料；ZT6F/LTC80预浸料适用于低压成型，ZT6F/LTC80复合材料性能优良，国产碳纤维预浸料满足风电叶片的使用要求并成功应用。

关键词：环氧树脂；预浸料；风电叶片；复合材料

中图分类号：TQ342 文献标识码：A

随着风力发电设备的大型化，对材料的强度和刚度等性能提出了更加苛刻的要求，要满足大型叶片对材料的要求，国外风电叶片生产商已着手在大型叶片的制造过程中使用碳纤维。随着风电技术的发展，碳纤维在风电行业中的应用将使风力发电的综合成本逐渐减低，使用碳纤维复合材料制造大型叶片将是未来必然的发展趋势。常用的复合材料风电叶片的制造工艺有湿法成型、预浸料成型、真空灌注成型等方法。对于制造相同WM级的风电叶片，预浸料呈现最佳的性能。国外碳纤维预浸料在风机叶片上的应用方面已日趋成熟。在这项技术上走在世界前列的仍然是几个老牌的风电大国包括德国、丹麦和美国等。目前，国内碳纤维在风电叶片上的应用刚刚起步，但是均采用进口碳纤维预浸料，国产碳纤维预浸料在风电叶片上的应用处于空白。本试验根据市场需要，研制一种适用于真空低压成型的国产碳纤维预浸料，应用于大型风电叶片。

1.实验部分

1.1 主要材料与试剂

双酚A型环氧树脂单体A、B：纯度>99%（HPLC测试）；固化剂组分：中航复合材料有限公司自制；触变剂：中航复合材料有限公司自制；ZT6F碳纤维：T700级12K碳纤维，中简科技有限公司。

1.2 树脂及复合材料的制备

称取一定量的环氧树脂单体A、B，加热熔融，加入触变剂，高速搅拌；降至一定温度，加入固化剂组分，机械搅拌均匀即得LTC80环氧树脂基体。将LTC80树脂和增强材料（ZT6F碳纤维），通过热熔法制备预浸料，利用真空袋成型，即可制得ZT6F/LTC80树脂基复合材料。

1.3 测试与表征

树脂的DSC分析：NETZSCH DSC 204 F1示差扫描量热分析仪，升温速率：5℃/min；树脂流变性能：GEMINI200型流变分析仪，测试条件：加载频率：1Hz，加载应力：10MPa，试样厚度：200um，升温速率：3℃/min；树脂DMA：NETZSCH DMA 242C动态热机械分析仪，升温速率：5℃/min。

复合材料力学性能的测试：按ASTM标准进行测试。

2.结果与讨论

2.1 LTC80树脂性能

2.1.1 树脂DSC曲线

从图1可以看出树脂体系的反应温度在134℃，反应起始温度在125℃符合风电叶片用树脂体系的固化要求。在实际使用中，树脂体系的在100℃下固化3h，即可实现完全固化。

2.1.2 树脂耐温性能

从图2可以看出，树脂固化后玻璃化转变温度Tg达到136.9℃，具有较高的耐热性。

虽然使用低成本的双酚A型环氧树脂，但是由于自制固化剂组分的高效，使得树脂固化完全，使得树脂体系具有高的耐热性。

2.1.3 树脂流变性能

由图3树脂的流变曲线可以看出，随着温度的上升，受温度影响树脂黏度逐渐降低，随着温度的继续上升，树脂开始发生固化反应，树脂黏度逐渐增加，至114℃以上，树脂固化反应加快，很快达到凝胶阶段，树脂的黏度迅速增加，树脂固化。这种动态的流变特性使得树脂易于制备大厚度预浸料；且树脂在固化时具有较低的黏度，同时由于触变剂的加入，使得树脂适用于真空低压固化工艺，具有较好的工艺性。

2.2 复合材料性能

2.2.1 热熔法制备预浸料

LTC80树脂体系的流变特性，使其适用于热熔法制备预浸料，并适用于低压成型。

风电叶片用预浸料为了降低铺贴成本，通常采用高面密度，这就给树脂充分浸润纤维带来了考验，LTC80树脂的流变特性恰好解决了这个问题，在树脂流动的动态过程中，触变剂的增稠作用处于失效状态，因此树脂能充分流动。而在制备过程中，设备温度和压力的合理控制，不会出现树脂积淤的现象，使得预浸料不会出现贫胶区域，保证了预浸料性能的稳定。

ZT6F/LTC80预浸料预浸料的制备采用二步热熔法，见表1。

2.2.2 ZT6F/LTC80复合材料性能

表2所示的结果是ZT6F/LTC80复合材料力学性能。从表中结果可以看出，复合材料具有优良的力学性能。

结论

以低成本双酚A型环氧树脂为主要原料合成的LTC80树脂具有适宜的流变特性，将其和国产T700级碳纤维ZT6F复合制备热熔法预浸料。国产ZT6F/LTC80碳纤维预浸料具有优良的力学性能，已成功应用于制备大型风机叶片，并通过静力试验。

参考文献

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