IACMI项目4.2：风力叶片用热塑性复合材料开发
IACMI Project 4.2: Thermoplastic Composite Development for Wind Turbine Blades
摘要整理
本项目研究了Arkema公司Elium®热塑性树脂与Johns Manville玻纤在风力叶片制造中的应用。建立了技术经济模型，对比了61.5米风力叶片采用热塑性复合材料与传统热固性复合材料的成本差异，结果显示热塑性复合材料方案成本降低4.7%，主要源于资本支出、循环周期、能耗和劳动力成本的降低。利用PAM-RTM软件开发了热塑性复合材料风叶的浸润和固化模型，对13米风叶的Elium®树脂体系进行了浸润模拟，预测的放热温度与实测值偏差在10%以内。制备了层板和含巴沙芯材的夹芯板试样，进行了拉伸、压缩、面内剪切、层间剪切、弯曲、夹芯芯材剪切弯曲和单悬臂梁等静力学测试，以及室温（应力比R=0.1和R=10）、-30°C和70°C/90%相对湿度条件下的疲劳测试。结果表明Elium®复合材料的力学性能与环氧树脂复合材料相当。研究了含气孔和纤维润湿不足等缺陷的复合材料面板，利用热数字图像相关法（TDIC）获得高空间分辨率应变场，缺陷面板与无缺陷面板的弯曲模量相差21%，缺陷面板的疲劳寿命显著降低。对比了商用胶粘剂（Plexus MA590）和Arkema新开发的两种胶粘剂（Bostik SAF30 90和Bostik SAF30 120）的搭接剪切强度。制造了13米Elium®热塑性复合材料风叶，采用VARTM工艺但无模后加热，经过4种加载方向的静力学验证和20年运行工况的疲劳加载验证，性能与等效环氧复合材料风叶相当。研究了玻纤增强Elium®热塑性复合材料风叶的回收可行性，溶解工艺可同时回收树脂和全长玻纤，当玻纤回收率50%、售价0.28美元/kg，树脂回收率90%、售价2.50美元/kg时，回收经济性良好。