欧美树脂基复合材料近况 （二）

董永祺 祖卓红

1 环氧树脂在风电机中的应用[1]

1.1 风电机发电效率的决定因素

理论上风电机的最大风能转换率为59.3%，三葉片水平轴向风电机则仅为8%～50%。采用最佳叶片扭曲角度、翼弦宽度直线化、叶片纵向呈翼型轮廓等设计，可提高风能转换率。风电机发电效率的决定因素是：叶片所捕获的风能密度、叶片扫过面积和扫过频率。如何提高风能密度、叶片扫过面积和扫过频率呢？下面就风电机叶片、塔架的原材料、生产工艺和设计进行探讨。

1.2 风电机叶片、塔架的原材料

意大利维斯塔斯（Vestas）公司V—80—2MW风电机叶片CF/GF/环氧树脂（ER）复合材料的消耗量约20t。加工叶片、塔架要求采用高强、耐腐蚀材料。以2MW风电机塔架为例，如果采用GF/ER表面层、砂环氧树脂芯材、纤维增强复合材料（FRP）塔架，比传统钢塔架轻20%，成本下降25%。FRP有利于提高塔架的高度（也就是叶片的安装高度），从而提高风能密度。纳米填料可改善制品（如叶片）的脱模性能。Multifunctional Carbon Nanofiber公司生产的涂层可提高FRP制品表面超疏水性顶层的阻尼率和冲击摩擦阻力。

环保、可回收性是选材的关键指标之一。就粘接基材而言，热塑性树脂是ER的竞争优胜者。前者的优点是可回收、成本低、工艺性能好（如：模塑周期短、易于修理）等。Cyclis公司研制的丁烯对苯二酸酯，作为粘接基材，已成功制成长12.6m的叶片。与ER相比，真空灌注成型GF/负离子聚酰亚胺—6（APA—6）的叶片的质量和自然频率类似，但材料成本低10%。由于其含水量较高，致使材料产生热收缩现象。据此，APA—6尚属于研究、待商业化的叶片的粘接基材。

1.3 轻质叶片的设计、原材料和成型工艺

叶片的质量严重限制了其长度、扫风面积和扫风频率的提高。如何减轻叶片的质量？含有混杂纤维和纳米级填料的复合材料叶片，在高温环境里运行的性能和有效使用期已得到了印证。与纯ER相比，ER里添加7%（质量分数，下同）纳米碳化硅填料，可使它制的叶片的拉伸强度、拉伸模量分别提高11%和24%（FRP叶片的横断面图见图1）。当选用ER等热固性树脂做粘接基材时，其成型工艺有树脂传递模塑（RTM）、预浸料和手糊等成型工艺。FRP叶片具有前、后缘剪切腹板（见图2）。

1.4 提高风电机发电效率的重要途径

风力是风电的唯一动力，它吹动叶片从而驱使叶轮转动。由此可见，增大叶片扫风面积是提高风电机发电效率的重要途径之一。实践证明，正确分析叶片的气动弹性性能，适当牺牲叶片的弹性和塑性变形，才可能增大叶片扫风面积。叶片的弯曲—扭曲耦合，以挥动—纽曲耦合与边缘—纽曲耦合的形式表现，从而影响叶片的气动弹性性能。理想的铺设纤维取向的效果：①可降低遭遇大风时叶片的弹性性能，从而降低叶片所承受的疲劳强度；②延长叶片的有效使用期。

为了使叶片在运行过程中产生扭曲变形，并迫使它沿着轴线扭曲，采用挥动—纽曲耦合的形式是较为正确和理想的。以挤出成型各种单向纤维（如芳族聚酰胺纤维、CF、GF）/ER试样，与纤维取向成不同角度切割的试样的弯曲—扭曲耦合性能的试验：当成40°切割芳族聚酰胺纤维/ER式样（其他材料的试样也一样）时，其每偏转量的扭曲度最大；与其他试样相比，芳族聚酰胺纤维/ER式样的每偏转量的扭曲度较大。——这表明该材料是细长叶片的理想材料。（见图3）

采用翼梁帽设计、不对称手糊工艺成型层压板的弯曲—扭曲耦合结构。可选用的翼梁帽设计有多种，这里介绍劈开式翼梁帽和封闭式翼梁帽的扭曲角—纤维方向角特性曲线（见图4）。单向纤维CFRP是用于翼梁帽的主要结构材料。轻木（Balsa）芯木取代塑料泡末芯材，可用于翼梁帽承受大风、高应力的部位[1]。

2 环氧树脂在船艇中的应用

2.1 世界沃尔沃（Volvo）海洋帆船赛的参赛帆船

2.1.1 帆船的类别、结构、材料

欧洲3年一届的世界Volvo海洋帆船赛具有几十年的历史。与时俱进，参赛帆船的原材料和成型工艺发生了巨大变化。现在参赛帆船有单体帆船（见图5）和多体帆船（见图6）。船体基本上是碳纤维增强环氧树脂（CF/ER），个别部位例外，如利用丙烯酸酯粘接剂对结构构件进行二次粘接；利用单组份聚氨酯粘接剂粘接非结构构件。船体内的各种层压板都是一样的。为了船体获得性能最高又最轻，于是船体芯材的厚度各异：绝大部分船体的舱板和舱内结构板都选用48～96kg/m2的间苯芳纶（Nomex，即芳纶1313）芯材；船体前砰击区则选用 GURIT CORECELLTM M130芯材；帆船、动力船的前船体水下区承受着大波浪的砰击，因此其船体前砰击区则采用可高效吸收冲击的高延伸率泡沫芯材[2]。

2.1.2 环氧树脂回收技术

为达到环保要求，计划利用细菌吃掉报废的GF/ER构件里的ER；把原来船体模具的粘接剂ER，改为可回收的热塑性聚醚酮酮（PEKK）[2]。另讯：英国科学家偶尔发现细菌吃掉了聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）。2016年日本也发现细菌可消化塑料。科学家确定了2种酶：PETasc酶将塑料分解为可溶解的碎片；接着MHETase酶再将塑料降解为更简单的化学物质。科学家把2种酶的DNA拼接成一个DNA长段的超级酶。发现后者消化塑料的速度是PETasc酶的6倍。

塑料是聚合物，虽然热塑性塑料可回收，但每次回收的物料的品质都会降低，导致只能再加工成性能和价值都更低的次产品。超级酶将聚合物分解为基本要素，然后再将这些要素重新合成为真正的原生塑料，而不需要利用石油。与利用原生塑料加工瓶子相比，利用超级酶回收的塑料加工瓶子所耗能源节约70%[3]。

2.2 新穎CFRP双体船

Hexion公司研制成新颖CFRP双体船。由于船壳芯材对温度很敏感，因此对整体船壳的粘接基材环氧树脂（Hexion公司产品）的要求是：浸润性能优异，确保纤维、芯材都能彻底浸渍；满足船体结构性能要求；经受住固化过程的放热高峰的考验。其成型工艺的特点：船壳和甲板都选用了2种新颖、极轻芯材——3D芯材和DD复合梁（DD—Compound Beam），分别是一次真空灌注成型。Hexion公司产的环氧树脂、2种芯材等材料与真空灌注工艺的协和作用，使得DD复合梁的质量减轻了30%，提高了船体的强度[4]。

2.3 新颖水翼艇设计的出租艇

法国巴黎塞纳河上新颖设计的水翼出租艇（见图7）平稳航速达12km/h，它的结构件选用Infugreen 810牌先进ER、增强纤维/天然软木构成的结构芯材，真空灌注成型。此外还选用了Sicomin公司产的多轴玻纤织物、真空灌注用的定制穿孔PVC泡沫、脱模剂和喷射环氧胶黏剂（用于胶黏干织物）[5]。

2.4 水翼摩托艇

Enata Foiler水翼摩托艇具有4个全伸缩水翼，功率大可顺利地冲过1.5m高的海浪。它的壳体、结构构件选用环氧树脂和CF，手糊+灌注成型工艺。上述树脂的室温黏度很低；使用的固化剂很多，制品规格的大小决定固化剂类别；脱模速度快，并通过了德国劳氏认证[6]。

3 复合材料文献出版消息

欧洲拉挤技术协会（EPTA）发表了2018年世界拉挤会议论文集锦，论文集锦内容分为5类：①拉挤行业的增长驱动因素；②拉挤复合材料在基础建筑、建筑业、风电机叶片、汽车构件和其他应用的应用前景广阔，而基础建筑是拉挤复合材料的重要市场；③拉挤原材料（聚氨酯树脂、环氧树脂拉挤系统、新酸酐固化剂等）在提高性能和生产率方面的长足进步；④拉挤行业的初创研究聚焦于新颖的拉挤增强材料、微波能固化拉挤工艺和拉挤生产线上制品无损检测技术；⑤美国、欧洲拉挤产品标准化的进展[7]。

英国复合材料协会颁布了《2019英国FRP桥梁设计指南（FRP Bridges——Guidance for Designers）》，内容包括英国FRP桥梁的历史、桥梁的原材料、先进生产工艺（纳米技术/增强纤维革新技术等）、设计标准等[9]。

4 小结

实践证明，环氧树脂复合材料不失为加工风力发电机、船艇和拉挤型材、制品不可或缺的粘接基材。

环境保护是当今和以后世界面临的重要课题，而环氧树脂不可回收，污染环境。因此，为了环保，必须对它进行改造、改性。这是挑战，也是环氧树脂复合材料界同仁的重要使命之一。力求接近或达到环保要求的实例很多，如负离子APA—6属于研究、待商业化的叶片的粘接基材；利用细菌吃掉报废的GF/ER构件里的ER；超级酶回收塑料等技术。

拉挤成型环氧树脂复合材料的市场广阔、潜力巨大，如基础建筑就是它的重要市场之一。新颖的拉挤增强材料、拉挤生产线上制品无损检测技术是国内的短板。洋为中用，值得国内复合材料同仁学习上述国外先进技术。

桥梁建设是经济发展的重要基础，自进入21世纪以来，中国桥梁建设快速发展，成为世界第一桥梁大国。笔者认为这里边存在2个短板：国内桥梁原材料中FRP的比率太低，国内新建FRP桥梁凤毛麟角；桥梁建设中怎样使钢筋混凝土、钢板与FRP基本原材料科学、合理地匹配、集成，相得益彰。显然，眼下国内没有充分利用和发挥FRP在桥梁建设中的优越性和应有作用。因此，国外先进的FRP桥梁技术非常值得我国借鉴和学习。

10.19599/j.issn.1008-892x.2021.05.015

参考文献

[1] Design of cost—effective and efficient fiber—reinforced composite blade for wind turbines[J].Reinforced Plastics，2019，63（1）：21—25.

[2] Designing boats for the Volvo Ocean Race：An ongoing process of optimization and finding the right compromise[J].Reinforced Plastics，2018，62（4）：203—207.

[3] 参考消息网.科学家发明可吞噬塑料“超级酶”[N].参考消息，2020—9—30（9）.

[4] New approach to catamaran roof molding[J].Reinforced Plastics，2018，62（1）：26.

[5] Sicomin supplies materials for sea taxi[J].Reinforced Plastics，2018， 62（1）：4.

[6] Epoxy system for hydrofoil[J].Reinforced Plastics，2019，63（1）：4.

[7] Pultrusion conference report published[J].Reinforced Plastics，2018，62（4）：185—186.

[8] The future of pultrusion[J].Reinforced Plastics，2019，63（3）：134.

[9] Composites UK launches bridge guide[J].Reinforced Plastics，2019，63（1）：2.