用于风力涡轮机叶片的挤压碳纤维增强环氧复合材料的温度依赖性力学性能

《Composites Part A: Applied Science and Manufacturing》：Temperature-dependent mechanical behaviors of pultruded carbon fiber reinforced epoxy composites for wind turbine blades

碳纤维增强复合材料（CFRP）在-100℃至140℃宽温范围内的机械性能演化及失效机制研究表明，低温时界面强化与矩阵脆性竞争导致部分性能提升（如90°拉伸强度下降19.27%），高温时树脂软化显著降低承载能力（如ILSS下降50.40%）。

　　

侯万东|郭芳亮|曲德毅|傅宇彤|赵洪宇|彭超毅|李远青|傅少云

重庆大学航空航天工程学院，中国重庆400044

摘要

表征全温度范围内的性能对于制造可靠的风力涡轮机叶片至关重要。本研究系统地评估了碳纤维增强聚合物（CFRP）复合材料在宽温度范围（-100 ℃至140 ℃）内的机械性能和失效机制的变化。大多数性能与温度呈负相关。在低温下，尽管热膨胀系数（CTE）的不匹配通过基体的收缩增强了纤维-基体界面，但随之而来的基体硬度和脆性的增加促进了裂纹的形成。这种增强机制与脆化机制之间的相互作用解释了为什么90°拉伸强度和G_ⅡC在-100 ℃时分别下降了19.27%和14.36%，而其他性能却有所改善。相比之下，在高温下，树脂基体的软化及其增加的柔韧性不仅削弱了挤出CFRP的界面性能，还降低了载荷传递效率。因此，在树脂的玻璃化转变温度（140 ℃）附近或以上，挤出CFRP的机械性能显著下降。特别是90°弯曲强度、0°弯曲强度和ILSS分别下降了58.38%、54.64%和50.40%。本研究为复合材料风力涡轮机叶片在各种环境中的安全可靠运行提供了重要参考。

引言

随着全球能源消耗的持续增长，化石燃料的广泛使用带来了一系列环境问题，如全球变暖，因此可再生能源的开发已成为当前研究的重点[1]。风能作为一种永久可再生且环保的绿色能源，具有巨大的应用价值和发展前景[2]。先进的风能发电技术能够高效地将风能转化为电能，从而减少对化石燃料的依赖，抑制温室气体排放，并促进可持续发展[3]、[4]。近年来，全球风能市场经历了快速增长[5]、[6]。为了提高发电效率并抵消高昂的安装成本，风力涡轮机叶片作为风能系统的关键部件，正朝着更大尺寸和更轻的重量发展，这是该行业的主要趋势[7]。

然而，更长的叶片固有地会导致更大的重量。早期设计中使用的传统材料（如木材和金属）已无法满足提高结构稳定性和减轻整体重量的需求[8]。随着复合材料设计和制造技术的发展，轻质高强度复合材料已成为大型风力涡轮机叶片的自然选择[9]。由于超长风力涡轮机叶片的需求，挤出作为一种连续且自动化的工艺，已成为纤维增强复合材料最先进的制造工艺之一[10]。通常，挤出过程包括将纤维增强材料通过模具拉拔，并同时注入树脂进行纤维浸渍，然后加热固化树脂以形成最终的恒定截面形状，如图1所示。与其他工艺相比，挤出工艺具有生产效率高、产品性能稳定以及纤维含量控制精确等优点[11]、[12]、[13]。此外，由于其高度定向的单向结构，挤出FRP在主纤维方向上最大化了比强度和比模量。这些特性使其成为制造风力涡轮机翼梁的理想选择，精确满足了其对轻量化设计和高效承载的要求。虽然最初使用的是挤出玻璃纤维复合材料，但随着叶片长度的增加，它们遇到了刚性不足的问题，因为玻璃纤维的弹性模量仅约为70–90 GPa。弹性模量约为230 GPa的碳纤维（T300等级）提供了更好的刚性，有效解决了这一问题[14]。得益于碳纤维成本的降低，近年来在涡轮机叶片中应用挤出碳纤维增强聚合物（CFRP）复合材料的情况显著增加。据报道，2024年，风力涡轮机叶片制造占全球碳纤维需求的28.2%[15]。

随着风力发电行业向“高功率、长叶片和深海应用”方向的发展，130米级甚至更长的超长风力涡轮机叶片已成为主流配置。然而，叶片断裂和脱落等安全事故频繁发生[16]、[17]。这些事故通常归因于材料在各种极端天气条件下的性能不足[18]、[19]。因此，应全面研究风力涡轮机叶片所使用的核心结构材料在各种极端条件下的机械性能[20]、[21]、[22]。考虑到风力涡轮机通常的使用寿命超过20年[23]、[24]，叶片会暴露在各种极端环境中，如超高温度、超低温度、台风、暴风雪、雷电或昼夜温差显著的情况下[25]、[26]、[27]。较长的叶片由于环境温度梯度而经历更明显的热应力，并对材料性能的变化更加敏感[28]。因此，研究宽温度范围内的机械行为对于实现超长叶片的安全和轻量化设计至关重要[29]、[30]。

迄今为止，关于风力涡轮机叶片所用材料温度依赖性机械性能的研究仍然有限[31]。Lu等人研究了玄武岩纤维增强聚合物（BFRP）和玻璃纤维增强聚合物（GFRP）从室温到200 ℃的拉伸强度和层间剪切强度（ILSS），发现BFRP在高温下的稳定性更好，但注意到界面退化严重。一个主要限制是排除了低于室温的温度和其他机械性能（如压缩强度和断裂韧性）[32]。Zhang等人研究了挤出GFRP在20至180 ℃范围内的轴向和非轴向压缩性能，观察到失效模式随纤维方向的不同而变化，且在高温下强度和模量均显著下降[33]。然而，他们的研究同样没有涵盖低温范围，且测试的非轴向角度不连续，因此缺乏对整个温度范围内性能演变机制的系统性分析。Wu等人测试了挤出CFRP板材从室温到83 ℃的静态拉伸性能，发现在这个有限范围内强度和硬度仅有轻微下降[34]。他们的工作也受到相对较窄和较低的上限温度的限制，因此未能捕捉到低温下树脂脆化和高温下树脂软化的综合效应。虽然以往的研究主要关注了挤出复合材料在中高温下的特定机械性能，但对其在宽温度范围内的整体性能的了解仍然不完整。对于风力涡轮机叶片用挤出CFRP，其关键性能（弯曲强度、拉伸强度、压缩强度、层间剪切强度和断裂韧性）从室温到高温的变化，以及相关的低温界面断裂机制，很少有报道，也尚未得到充分理解。

本研究旨在通过提供系统的实验数据集和基础分析来解决上述关键问题，为在极端温度条件下可靠使用挤出CFRP提供支持。对挤出CFRP在-100 ℃至140 ℃的宽温度范围内的热机械行为进行了全面研究，涵盖了实际应用中的温度范围（-40 ℃～80 ℃）[35]。通过准静态弯曲、拉伸、压缩和层间性能测试以及微观结构表征，研究了挤出CFRP在宽温度范围内的机械和热性能演变。结果定量阐明了界面增强与基体脆化之间的竞争如何控制低温范围内各种性能的不同演变，并建立了高温下性能显著退化与树脂玻璃化转变温度之间的直接关联[35]。这项工作为未来风力涡轮机叶片在各种全球环境中的安全可靠运行提供了关键数据，从而有助于在极端条件下实现清洁能源的利用。

材料与样品制备

吉林化纤集团提供了本研究中使用的挤出CFRP板材。挤出板材中纤维的体积分数约为64%。所使用的纤维是国星碳纤维（35 K），环氧树脂（EP）是由Techstorm Advanced Material Corporation Limited提供的专用挤出树脂（5245A/5247B/5201C）。测试样品是用标准水刀切割机从挤出板材上切割得到的。所有挤出板材和测试试样

热稳定性测试

作为风力涡轮机叶片的结构材料，挤出CFRP在温度波动频繁且不可避免的各种环境中使用。在运行过程中，叶片会受到空气动力、重力和离心力等复杂载荷的影响[37]。因此，研究挤出CFRP在不同温度下的热机械性能对于防止材料退化或结构损坏至关重要

结论

本研究调查了风力涡轮机叶片用挤出碳纤维复合材料在宽温度范围内的机械性能（弯曲强度、拉伸强度、压缩强度、层间剪切强度和II型层间断裂韧性），阐明了在不同条件下的机械性能演变趋势和失效机制。总体而言，挤出CFRP的机械性能表现出显著的温度依赖性。主要结论如下：

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作者贡献声明

侯万东：撰写——原始草案、验证、方法论、研究、正式分析、数据管理、概念化。郭芳亮：撰写——审阅与编辑、方法论、研究、资金获取、正式分析。曲德毅：研究、正式分析。傅宇彤：研究、正式分析。赵洪宇：研究、正式分析。彭超毅：研究、正式分析。李远青：撰写——审阅与编辑、验证、监督、资源管理，

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

作者感谢国家重点研发计划（编号：2023YFB4202900）、国家自然科学基金（编号：12332008、12472126和12272067）、重庆自然科学基金（CSTB2023NSCQ-MSX1052）、工业设备优化与CAE软件、大连理工大学（GZ24125）以及CAST青年精英科学家资助计划（编号：2022QNRC001）的财政支持。