碳纤维成型工艺的研究及其在兆瓦级风机叶片中的应用

摘要

碳纤维由于具有重量轻、高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、导电、导热、热膨胀系数小等优良特性，使其在近几年备受关注。碳纤维由于这些特性而被广泛地用作复合材料的增强体，来提高复合材料的力学性能等。为了提高风机功率，叶片的长度不断增加，因此碳纤维在风机叶片中的应用成为了必然趋势。
　　本文主要研究了E-5300、E-3325两种环氧树脂基体材料的物理特性和单向碳纤维增强复合材料的力学性能。以环氧树脂作为基体，以单向碳纤维作为增强体，通过真空灌注成型工艺制成碳纤维增强复合材料板件物。并利用数显粘度计(NDJ-8SN)、差示扫描量热仪(DSC)等测试手段对两种环氧树脂体系的粘度、玻璃化转变温度进行了测定。利用材料试验机(AG-100KNX)对复合材料进行拉伸、压缩、剪切性能测试，研究0°和90°取向的碳纤维增强复合材料样品的力学性能和界面性能，并通过扫描电子显微镜(SEM)观察试样断面。
　　结果表明:在本实验范围内，两种环氧树脂基体粘度低、适用期长且韧性好，玻璃化转变温度分别为86.38℃(E-5300)和89.30℃(E-3325)。但是通过两种环氧树脂基体的粘度-时间曲线的比较得出:E-5300环氧树脂体系混合后存在低粘度平台，但E-3325环氧树脂体系则不存在这种低粘度平台。通过力学性能测试得出CF/E-5300复合材料的0°、90°弹性模量分别为117.58GPa和7.05GPa，0°、90°压缩强度分别为803.1 MPa和153.7MPa，剪切强度为60.32 MPa、剪切模量为3.81GPa，Tg值为114.26℃;CF/E-3325复合材料的0°、90°分别弹性模量为122.26GPa和7.73 GPa，0°、90°压缩强度分别为851.8 MPa和163.1MPa，剪切强度为60.61 MPa、剪切模量为4.02GPa，Tg值为115.37℃。
　　通过性能测试和断口微观观察分析发现，两种碳纤维/环氧树脂复合材料和树脂在性能上存在一定的差异，这为合理选用风机叶片材料提供了一定的实验基础。

目录

声明

摘要

引言

1 文献综述

1．1 研究背景

1．2 碳纤维概述

1．2．1 碳纤维与玻璃纤维的特点和基本成分

1．3 碳纤维／环氧树脂复合材料

1．3．1 环氧树脂基体的作用

1．3．2 环氧树脂／碳纤维复合材料的特性

1．4 碳纤维复合材料的成型工艺

1．4．1 手糊成型工艺

1．4．2 预浸料成型工艺

1．4．3 树脂传递模塑成型工艺

1．4．4 Flex成型工艺

1．4．4 真空灌注成型工艺

1．5 碳纤维在风电中的应用现状

1．5．1 国外应用现状

1．5．2 国内应用现状

1．6 本课题的研究内容

2 环氧树脂基体性能的研究

2．1 实验部分

2．1．1 实验材料与仪器

2．1．2 基体材料的物性测试方法

2．2 结果和分析

2．2．1 基体材料特性

2．2．2 基体材料的粘度曲线

2．2．3 基体材料的玻璃化转变温度

2．2．4 基体材料固化物的性能

2．3 本章小结

3 碳纤维复合材料的成型工艺及其性能

3．1 实验部分

3．1．1 实验原料与仪器

3．1．2 碳纤维复合材料的制备

3．1．3 碳纤维复合材料测试样条的制备

3．2 碳纤维复合材料的性能测试方法

3．2．1 拉伸性能测试

3．2．2 压缩性能测试

3．2．3 面内剪切性能测试

3．2．4 碳纤维复合材料玻璃化转变温度的测试

3．2．5 碳纤维复合材料断面形貌分析

3．3 结果与讨论

3．3．1 碳纤维复合材料拉伸性能分析

3．3．2 碳纤维复合材料压缩性能分析

3．3．3 碳纤维复合材料面内剪切性能分析

3．3．4 碳纤维复合材料断面形貌分析

3．3．5 碳纤维复合材料玻璃化转变温度

3．4 本章小结

4 碳纤维在兆瓦级风机叶片中的应用

4．1 兆瓦级风机叶片主的体材料

4．1．1 增强材料

4．1．2 环氧树脂

4．1．3 PVC芯材

4．1．4 胶粘剂

4．2 碳纤维在兆瓦级风机叶片蒙皮表面的应用

4．3 碳纤维在兆瓦级风机叶片主梁上的应用

4．4 本章小结

结论

参考文献

致谢

作者简介及读研期间主要科研成果