CN103994031B - 一种碳纤维织物增强树脂基复合材料主梁帽及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种风机叶片用碳纤维织物增强树脂基复合材料主梁帽及其制造方法，碳纤维织物增强树脂基复合材料主梁帽由碳纤维缝编织物增强材料和缩水甘油酯类环氧树脂体系组成，既满足了真空吸附工艺的铺覆效率和灌注效率需求，又很好地兼顾了主梁帽对碳纤维力学性能利用的要求，显著提高了碳纤维缝编织物复合材料的力学性能和碳纤维织物复合材料主梁帽的结构强度。本发明通过真空吸附工艺并采用了中低温预固化后除去工艺辅助材料、然后中高温固化的固化制度，既克服了工艺辅助材料不耐中高温的隐患，又有效保证了主梁帽的结构力学性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种碳纤维织物增强树脂基复合材料主梁帽及其制造方法，尤其涉及一种风机叶片用碳纤维复合材料主梁帽及其制造方法，属于风机叶片制造技术领域。
背景技术
复合材料风机叶片是风力发电系统的关键部件，直接影响着整个系统的性能。主梁帽（又称大梁）是叶片主要的承力部件，是一种大尺寸、大厚度的产品，通常沿着风机叶片的纵向长度延伸，其设计和制造质量水平十分重要。目前叶片主梁帽广泛采用的材料与工艺主要是玻璃纤维缝编织物增强树脂基复合材料和真空吸附工艺（vacuumresininfusion）。近年来，随着风力发电机向大功率和/或低速风场方向发展，风机叶片长度不断增长，更为轻质高性能的碳纤维复合材料风机叶片已是更优选择，而叶片主梁帽则是碳纤维在复合材料风机叶片上的首选应用部位，如US5617807(A)、CN101749173A、CN101539116A、US2010104447(A1)、CN102465826等。
在玻璃纤维复合材料主梁帽成型工艺发展选择历程中，鉴于单丝预浸料低压成型工艺中单丝预浸料综合成本（如单丝预浸料的制备、低温储存和低温运输以及铺贴使用环境因素等）高、铺贴工艺质量要求高、低压（一般是真空袋压）浸渍工艺质量要求高等不足的原因，目前叶片用玻璃纤维复合材料主梁帽广泛采用的材料工艺主要是玻璃纤维缝编织物树脂真空吸附工艺。尽管专利CN101749173A提及了碳纤维复合材料主梁帽可以采用预浸料工艺或树脂注入工艺制造，但在已有技术中，碳纤维复合材料主梁帽还是一般采用单丝预浸料工艺（prepregmolding）来制造，如CN101526070A、CN200910028100.4、CN200910028101.9等。其原因主要是由于与玻璃纤维比较，碳纤维更细、有效浸渍难度更大，采用传统的真空吸附工艺及其树脂体系制造大尺寸大厚度的碳纤维主梁帽时，其浸渍复合工艺效果和质量（主要是力学性能）普遍不佳。目前叶片主梁帽真空吸附工艺用环氧树脂体系主体为双酚A环氧树脂体系，通常为添加稀释剂的双酚A环氧树脂体系，或所谓“潜伏性”低粘度环氧树脂体系（通过提高工艺操作温度的方法使树脂体系粘度进一步减小）。
以3TEX公司、GEC（全球能源概念公司）和TPI公司等为代表的公司则尝试从增强织物的结构形式方面进行改进，其方案基本均是采用碳纤维/玻璃纤维混杂三轴向织物（如3TEX公司开发的UniGirderTM织物等）来代替碳纤维缝编单向织物，以达到提高真空吸附工艺树脂体系灌注浸渍速度、避免产生干斑等缺陷的目的。研究结果表明，虽然采用特殊的碳纤维缝编织物，采用传统真空吸附工艺时树脂容易灌注，但由于受制于织物结构的约束，其复合材料的性能受到限制，尤其是压缩强度较差。
可见，尽管碳纤维复合材料主梁帽的真空吸附工艺早已引起关注和研究，但现有材料和真空吸附工艺还难以获得高性能的碳纤维主梁帽。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的上述不足，提供一种风机叶片用的、具有良好浸渍质量和优异力学性能的高性能碳纤维织物增强树脂基复合材料主梁帽及其制造方法。
本发明的技术解决方案是：一种碳纤维织物增强树脂基复合材料主梁帽，主梁帽采用缩水甘油酯类环氧树脂体系和碳纤维缝编织物组成的碳纤维织物增强树脂基复合材料在成型模具中制造而成，所述碳纤维缝编织物的经向材料采用面重大于200g/m2的碳纤维纱线，纬向材料采用玻璃纤维、碳纤维或芳纶纤维，纬向材料的面重小于经向材料面重的3.8%，在满足植物结构稳定性和灌注工艺性的基础上，以尽可能提高经向方面的性能。
碳纤维缝编织物中纬向材料的间隔大于或等于10mm、细度小于或等于68tex。
环氧树脂体系由TDE85环氧树脂和胺类固化剂组成或由TDE85环氧树脂、液体酸酐固化剂与促进剂组成。
所述TDE85环氧树脂和胺类固化剂的质量比为100：（54±2），所述TDE85环氧树脂、液体酸酐固化剂与促进剂的质量比为100：（129±2）：（1±0.2）。
一种碳纤维织物增强树脂基复合材料主梁帽的制造方法，如下步骤：
（1）首先在主梁帽成型模具上涂上脱模剂，然后在主梁帽成型模具上依次铺放脱模布导流网、碳纤维缝编织物，再在碳纤维缝编织物上铺放脱模布；
（2）在主梁帽成型模具四周铺放密封条，然后布置树脂进胶管和抽气管，之后用真空袋薄膜和密封条将成型模具系统密封良好，利用抽气管对成型模具抽真空；
（3）在真空压力和35℃±5℃温度条件下，将混合好的环氧树脂体系通过树脂进胶管注入到碳纤维缝编织物上，使环氧树脂体系完全浸渍到碳纤维缝编织物中；
（4）对主梁帽成型模具进行加热，在真空压力和60-90℃温度下预固化2-4小时；
（5）使成型模具自然降温至40℃以下，然后再次对成型模具升温至130-180℃，固化2.5-3.5小时；
（6）使成型模具自然降温至室温，脱模、加工，即得到碳纤维织物增强复合材料主梁帽。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
（1）本发明采用了缩水甘油酯类TDE85环氧树脂体系作为碳纤维缝编织物主梁帽的基体树脂体系，体系粘度低、对碳纤维浸润性好，有效提高了碳纤维缝编织物复合材料的力学性能和碳纤维缝编织物主梁帽的结构强度、尤其是压缩强度。
（2）本发明优化设计了主梁帽真空吸附工艺用碳纤维缝编织物的材料及其结构形式，既满足了真空吸附工艺的铺覆效率和灌注效率需求，又很好地兼顾了主梁帽对碳纤维力学性能利用的要求，为碳纤维缝编织物复合材料的力学性能的提高和碳纤维织物复合材料主梁帽的结构强度提升奠定了基础。
（3）本发明创新采用了中低温预固化后除去工艺辅助材料、然后中高温固化的固化制度，既克服了工艺辅助材料不耐中高温的隐患，又有效保证了主梁帽的结构力学性能。
附图说明
图1为本发明的制造流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明技术方案作进一步详细的描述，以使本技术领域的技术人员进一步理解本方面，而不构成对本发明权利要求的限制：
一种碳纤维织物增强树脂基复合材料主梁帽，主梁帽采用缩水甘油酯类环氧树脂体系和碳纤维缝编织物组成的碳纤维织物增强树脂基复合材料在成型模具中制造而成，所述碳纤维缝编织物的经向材料采用面重大于200g/m2的碳纤维纱线，纬向材料采用玻璃纤维、碳纤维或芳纶纤维，纬向材料的面重小于经向材料面重的3.8%，在满足植物结构稳定性和灌注工艺性的基础上，以尽可能提高经向方面的性能。碳纤维缝编织物中纬向材料的间隔大于或等于10mm、细度小于或等于68tex。环氧树脂体系由TDE85环氧树脂和胺类固化剂组成或由TDE85环氧树脂、液体酸酐固化剂与促进剂组成。TDE85环氧树脂和胺类固化剂的质量比为100：（54±2），所述TDE85环氧树脂、液体酸酐固化剂与促进剂的质量比为100：（129±2）：（1±0.2）。
实施例1：一种碳纤维织物增强树脂基复合材料主梁帽，采用碳纤维缝编织物作为增强材料，采用缩水甘油酯类环氧树脂体系作为基体树脂。碳纤维缝编织物，经向材料为面重216g/m2的SYT45碳纤维纱线、纬向为面重8g/m2的68tex玻璃纤维纱线等组成，其中纬纱间隔为10mm；缩水甘油酯类环氧树脂体系采用TDE85环氧树脂+胺类固化剂。
主梁帽的制造方法，如图1所示，具体包括如下步骤：
（1）首先在主梁帽成型模具上涂上脱模剂，然后铺放脱模布导流网等工艺辅助材料，之后铺放所述碳纤维缝编织物，再在碳纤维缝编织物上依次铺放脱模布等工艺辅助材料；
（2）在主梁帽成型模具四周铺放密封条，然后布置树脂进胶管和抽气管，之后用真空袋薄膜和密封条使系统整理密封良好；
（3）在真空压力和35℃温度条件下，将混合好的树脂体系通过树脂进胶管注入到碳纤维缝编织物增强材料上，使树脂体系完全浸渍碳纤维缝编织物增强材料；
（4）开启主梁帽成型模具底部的模具加热系统，在真空压力和60℃温度下预固化3小时；
（5）自然降温至40℃以下，除去工艺辅助材料，然后升温至160℃，固化3小时；
（6）自然降温至室温，脱模、加工，即得到碳纤维织物增强复合材料主梁帽。
实施例2：一种碳纤维织物增强树脂基复合材料主梁帽，采用碳纤维缝编织物作为增强材料，采用缩水甘油酯类环氧树脂体系作为基体树脂。碳纤维缝编织物，经向材料为面重216g/m2的SYT45碳纤维纱线、纬向为面重8g/m2的68tex玻璃纤维纱线等组成，其中纬纱间隔为10mm；所述缩水甘油酯类环氧树脂体系，其特征在于所述的环氧树脂体系为TDE85环氧树脂+酸酐类固化剂+促进剂。
主梁帽的制造方法具体包括如下步骤：
（1）首先在主梁帽成型模具上涂上脱模剂，然后铺放脱模布导流网等工艺辅助材料，之后铺放所述碳纤维缝编织物，再在碳纤维缝编织物上依次铺放脱模布等工艺辅助材料；
（2）在主梁帽成型模具四周铺放密封条，然后布置树脂进胶管和抽气管，之后用真空袋薄膜和密封条使系统整理密封良好；
（3）在真空压力和35℃温度条件下，将混合好的树脂体系通过树脂进胶管注入到碳纤维缝编织物增强材料上，使树脂体系完全浸渍碳纤维缝编织物增强材料；
（4）开启主梁帽成型模具底部的模具加热系统，在真空压力和90℃温度下预固化3小时；
（5）自然降温至40℃以下，除去工艺辅助材料，然后升温至180℃，固化3小时；
（6）自然降温至室温，脱模、加工即得到碳纤维织物增强复合材料主梁帽。对比实施效果
采用现有树脂及其真空吸附工艺时制备的主梁帽复合材料的性能相对较低，尤其是压缩强度较差。本发明的材料工艺技术，可使碳纤维织物增强树脂基复合材料主梁帽的力学性能得到显著提高、尤其是压缩强度可提高30%以上，有效克服现有技术的上述不足。
上面对本发明的实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (5)
1.一种碳纤维织物增强树脂基复合材料主梁帽的制造方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)首先在主梁帽成型模具上涂上脱模剂，然后在主梁帽成型模具上依次铺放脱模布导流网、碳纤维缝编织物，再在碳纤维缝编织物上铺放脱模布；
(2)在主梁帽成型模具四周铺放密封条，然后布置树脂进胶管和抽气管，之后用真空袋薄膜和密封条将成型模具系统密封良好，利用抽气管对成型模具抽真空；
(3)在真空压力和35℃±5℃温度条件下，将混合好的环氧树脂体系通过树脂进胶管注入到碳纤维缝编织物上，使环氧树脂体系完全浸渍到碳纤维缝编织物中；
(4)对主梁帽成型模具进行加热，在真空压力和60-90℃温度下预固化2-4小时；
(5)使成型模具自然降温至40℃以下，然后再次对成型模具升温至130-180℃，固化2.5-3.5小时；
(6)使成型模具自然降温至室温，脱模、加工，即得到碳纤维织物增强复合材料主梁帽。
2.根据权利要求1所述的一种碳纤维织物增强树脂基复合材料主梁帽的制造方法，其特征在于：所述碳纤维缝编织物的经向材料采用面重大于200g/m2的碳纤维纱线，纬向材料采用玻璃纤维、碳纤维或芳纶纤维，纬向材料的面重小于经向材料面重的3.8％。
3.根据权利要求2所述的一种碳纤维织物增强树脂基复合材料主梁帽的制造方法，其特征在于：所述碳纤维缝编织物中纬向材料的间隔大于或等于10mm、细度小于或等于68tex。
4.根据权利要求1所述的一种碳纤维织物增强树脂基复合材料主梁帽的制造方法，其特征在于：所述环氧树脂体系由TDE85环氧树脂和胺类固化剂组成或由TDE85环氧树脂、液体酸酐固化剂与促进剂组成。
5.根据权利要求4所述的一种碳纤维织物增强树脂基复合材料主梁帽的制造方法，其特征在于：所述TDE85环氧树脂和胺类固化剂的质量比为100：(54±2)，所述TDE85环氧树脂、液体酸酐固化剂与促进剂的质量比为100：(129±2)：(1±0.2)。
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| PB01 | Publication | ||
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |