叶片制造工艺--用于分析鼓包白丝等问题

1、叶片制造工艺叶片的结构设计与选择的生产方法是紧密相关的，需要将两者结合起来考虑叶片的生产成本与可靠性。在叶片结构设计的章节中，两种常用设计方法已经被讨论，一种是叶壳与剪腹板组合结构，另一种是叶壳与叶梁箱组合结构。根据结构设计方案，叶片的主要制造工艺也有两种预浸料与灌注，尽管两种生产工艺都能满足结构设计的要求，但只有预浸料可以被采用在叶梁箱结构设计中。选择适合的制造工艺，制造出低成本、高性能的产品，是风电产业永恒的话题。灌注工艺被普遍认为是低成本的工艺，因为其较低原材料价格（BOM）。而预浸料制造的叶片拥有更好的性能、更轻的质量，同时保证了生产工艺和成品质量稳定型。更轻的叶片意味着降低的叶片载荷

2、和电机设计载荷，所以在讨论性能、成本话题时，也需要考虑到非原材料成本的其它二级成本。叶片的长度是选择原材料和生产工艺的核心考虑因素。根据历史数据，叶片长度与叶片质量的关系如下图所示。由于众多因素的限制（交通限制、轴承载荷、叶片承重、塔架承重）所收集的数据也不是连续的，对于不同长度叶片，材料和设计理念也是不同的。一种能有效减重并增加叶片刚性的方法是引入高模量碳纤维增强材料。碳纤维拥有约240GPa的模量是玻纤平均模量的额三倍，其密度（1.8kg/m3）相对玻纤（2.4kg/m3）也更具有优势。考虑到质量因素，碳纤维的比刚度是玻纤的4倍。虽然碳纤维提供了优秀的性能，但考虑其价格（7-8倍于玻纤）和

3、生产工艺的精确要求，也为实际生产的进行带来了挑战。随长度的变化，叶片的失效机制也是随复合材料结构而改变的。20-35m叶片设计是基于整体刚度，所以材料属性也着眼于增强材料的刚度。当叶片直径不断变大，设计的重点更倾向于疲劳载荷，而疲劳更多取决于复合材料树脂体系的性能。更进一步，当疲劳载荷的压应力成为设计的着眼点时，层合板的整体性能也变得至关重要了。在受压条件下，纤维需要在受力方向下紧绷受力，树脂可以传递应力至纤维并避免纤维的弯曲变形。所以受载荷的层合板的纤维排布需越直越好，而气孔和空洞密度需越小越好。为了达到上述需求，在设计阶段的材料选择变得尤为重要，更倾向于选择预浸料等高等级材料作为承力的叶梁

4、材料。预浸料提供了精确纤维垂直排布和高性能树脂体系以及较低的孔隙率。树脂灌注技术简介灌注的基本原则是将树脂在真空负压下作用被“吸入”增强纤维或纤维布中。树脂灌注玻纤布的速度是由以下参数决定；树脂系统的粘度玻纤布或增强纤维的浸润能力D作用在灌注树脂的压强梯度P灌注速度v于上述三个参数的相关性为：灌注速度与纤维浸润能力（D）正相关，与灌注压强梯度(P)正相关，与树脂粘度()反相关树脂粘度在给定负压下，低粘度树脂保证了更快的流动性，树脂流过增强纤维层时受到的阻力也减小了。好的流动性意味着可以减少树脂注入点，增大灌注构件同时减小灌注设计的复杂度。树脂粘度由微观分子结构决定。以环氧树脂为例，多数用于风电

5、叶片灌注制造的树脂，以稀释剂降低标准环氧单体树脂的粘度值。对树脂配方的调整要特别注意在改变粘度的同时不会对最终的机械性能和物理性能产生较大影响。另一种提高灌注速度的方法是提高树脂温度，树脂的粘度是随温度升高而降低的。加热灌注树脂的好处在于增加了树脂的流动性和浸润能力，减少了树脂注入点，增加了灌注工艺速度，但同时会伴随集中放热危险的加大。粘度变化的规律引出了一个一般规律：温度每上升1015C，反应速度加倍，需要的固化时间将减半。当液态树脂开始发生固化反应，其粘度会不断递增，直至形成凝胶现象，在固化的最后阶段硬化为固体。粘度的增加限制了灌注工艺的继续进行，当未完全灌注就产生了树脂凝胶，将会导致很难

6、修复的干纤维区域。所以，灌注用树脂的设计需要考虑具体工艺的需要，以保证粘度和反应度的适中渗透性干纤维布或铺层的渗透性取决于以下几个因素：纤维直径纤维表面助剂玻纤布的类型玻纤与碳纤维在渗透性上具有显著区别，碳纤维的灌注难度明显加大。这是由于碳纤维直径(5-10m)小于玻璃纤维的直径(16-24m)，于是碳纤维束将更加紧密排布，妨碍了灌注树脂的浸润。一种化学的表面助剂保护了纤维在编织时不被损坏，并增加了纤维与树脂的粘合能力以提高层合板的整体性能。表面助剂的一个重要功效就是增加纤维与树脂浸润能力，这在灌注工艺中尤为重要，使得树脂能快速浸入并流过纤维铺层。为了更好的供应和使用增强纤维材料，纤维是通过一

7、多种排布方式供应的。首先将成千根纤维集束成股。纤维束或纤维股通过表面助剂成为一体，随后通过编织法或针织法成为玻璃纤维布。更多玻纤布的信息可以从本公司的“Guide of Composite”一书中了解。玻纤布的主要根据力学性能要求和纤维方向要求选择，在灌注工艺中还需要考虑纤维布的浸润能力压力梯度通过真空泵抽真空，外界大气压会使得封闭的真空袋内部产生负压，树脂即可被吸入负压的真空袋继而浸润纤维铺层，浸润的前沿和后沿会产生牵引力，牵引力是与纤维铺层的浸润性成正比，一旦纤维铺层确定牵引力将等于产生的压力梯度。因为最大真空负压受限于外界大气压，高的压力梯度的保持与铺层的渗透性和真空吸口的分布有关。当灌

8、注件的形状和铺层厚度比较多变，真空吸口的分布和数量设置也就更为复杂，必要时可以采用电脑建模分析抽真空和模具的需求真空灌注几乎最重要的工艺参数就是系统和模具的抽真空质量。最小的漏气也会导致空气被吸入铺层，铺层内的压力梯度能很快催生气泡并散布开来，最终带来成品的缺陷（如大量的气泡）和需要修补的区域。所以真空系统和模具的真空度检查尤为重要，不容许任何漏气点产生。模具真空度的检查是将透气毡铺于真空袋内并抽真空，当真空度稳定后用真空压力表测量系统真空度的变化。在连通时所测真空压力应为一个大气压，随后在分离真空泵后系统会经历一个“真空压力下降过程”。一般的，系统分离真空泵后，五分钟内负压降低不超过2.5%

9、，则可视为真空度合格。当然需要注意真空度测量点需要尽量远离真空进气口。一些叶片生产工艺包括铺层前的胶衣涂层。胶衣涂层的主要作用是提供一个易打磨的底漆表面，配合后续的上漆步骤。同时，胶衣也起到密封模具表面的作用，形成更好的真空度真空灌注的消耗材料不仅创造密封真空环境和压力梯度，而且还具有其他几种功能。尼龙的peelply(脱模布)层紧贴灌注件表面，在使用前可将脱模布撕下获得洁净表面。脱模布上面有真空倒流网以增加真空灌注速度，可以根据具体铺层选用不同渗透能力的倒流网。树脂供给管连接在倒流网上，保证树脂能流遍每一处。最后使用真空袋罩住整个体系，并用真空胶带封闭模具四围以形成一个密闭区域。真空工艺是需

10、要一定操作经验支持的，从而可以保证系统完整的真空度。树脂灌注工艺进行树脂灌注工艺对于每个部件来说并不是一蹴而就的。这种工艺众所周知的缺点在于潜在的不可缺定性树脂是否能完全灌注以及系统真空度的保持。这里需着重说明的灌注方法是边对边的或者中心对两边的灌注路径，这两种方法并不是所有的或对某些部件的最优方法，但成功率和适应性是非常不错的灌注工艺基础下图给出一个纯干布（无芯材）铺层的灌注例子。该例子给出灌注工艺的关键点：n采用多线树脂补给和设置倒流网有效增加灌注速度。n树脂补给线需要设计并保证在没有被隔离的区域。可以采用平行并排的补给线，如树脂从一边流向另一边，或树脂从中间流向两边，这比较适合简单几何外

11、型的部件。n在铺层上设置的倒流网可以加速树脂在铺层表面的流动行从而增加灌注速度，但可以导致铺层上下浸润面差距的产生，浸润面差距过大则会对整个工艺效果产生影响。所以需要考虑在灌注结束前消除浸润面的不平衡，比如在关闭灌注工艺前检查系统上下面的是否浸润完全，或者考虑在树脂流端前停止设置倒流网以降低最后阶段的导流速度，保证上下浸润面的平衡。n如果辅助供给线开启的过早，还没等上下两面的铺层都得到完全浸润，干斑就容易在浸润较慢的下层出现。n如果铺层上下面浸润差距过大（经常出现在碳纤维灌注中），气孔和干纤的产生也是不可避免的，所以可以使用慢速导流网或阶段性灌注手断。n避免选用低品质或气密性较差的真空耗材，如

12、真空管、真空膜或树脂阀门等n真空管进出真空系统的区域需要特别注意，因为在该区域最容易产生漏气现象。n在灌注工艺前系统整体真空度的检查非常重要。真空度由占大气压的百分比来衡量，如灌注系统的真空度需要大95%(95%的大气压)，在检查真空度时将系统停止抽真空，并静置观察真空气压表的气压降，如果放置五分钟后系统气压降5mbar则视为正常。n真空袋铺放时需注意防止铺层连接处形成中空的通路(真空短路桥接)，否则会使树脂在此区域“快速跑动”导致灌注的不均匀和不可控。n灌注停止后，真空需被保持至树脂完全凝胶并失去流动性，否则空气会通过流动的树脂不断渗入结构中。n初步固化后，部件一般需要50C下后固化，后固化

13、可以增强开模前的机械性能和力学性能。纤维布的铺放纤维布铺放前，首先需要贴好真空密封带（tack tape）以避免干纤维束混入影响系统的真空度。铺放纤维布时也要特别注意避免纤维导通密封的真空系统，一旦导通就会出现局部的干斑。可以通过事先裁剪玻纤布为合适的形状，适合铺放复杂形状的区域与角落。真空灌注的耗材在玻纤布的铺层以及后续耗材（peel ply脱模布、倒流网、真空膜、真空导管）的铺放中，真空短路桥接和漏气是需要特别注意的，一种减少真空短路桥接的方法是尽量分片铺置耗材并提前进行真空压实处理。真空袋必须是一个整体，以减小分片真空漏气的几率。在抽真空时妥善铺摆真空袋和耗材的位置是需要经验和技术的，可

14、以先以10-15%真空度调整真空袋和材料的位置后再完全抽真空进行压实处理。除导流网外，需要使用树脂引流管在灌注初期快速分配树脂到相应的补给区，可选择的引流管包括螺旋引流管，该管在一个大气压下仍然保持坚硬的管型表面，同时树脂可以从螺旋的管缝中均匀流出。树脂的准备在灌注之前，还有一项准备工作是计算树脂混合量和混合后的操作时间，只有确定这两点，灌注工艺才能获得成功。几乎所有类型的树脂（环氧树脂、乙烯基树脂、聚酯树脂）在混合灌注中都伴随放热现象的产生，放热是由于树脂从液态转化为固态，化学键结合时放热所致。为激发反应的产生，会加入催化剂或固化剂，而反应的速度和所需时间也是有他们的性质决定的。不同的灌注工

15、艺，所需操作时间不同，如大厚部件的灌注需要慢速固化剂。降低反应速度也就是树脂粘稠度增加的速度，保证完成灌注工艺充分的时间。在保证工艺成功的前提下，当然需要优化设计灌注方案减小完成灌注时间和系统的不确定性。树脂和固化剂（催化剂）混合以后，反应就开始缓慢进行。当大体积的树脂一次性的混合，放热一旦发生就很难控制，热出的热很难释放则会产生集中放热与快速升温，加速了反应。所以在灌注工艺中，树脂需要即混即用，需要提前安排好树脂的供应链和供应量。可以在树脂即将用完时将刚刚混好续液树脂倒入桶中，同时保证桶中树脂的余量防止空气的吸入。混合搅拌树脂时多少都会引入气泡，灌注件中的气泡会影响最终力学性能，可以使用真空

16、罐对混合树脂抽去气泡或者采用专门的混合设备。灌注一旦全面抽真空，铺层会压实和层间导通会消失，系统气密性检查完成后即可进行灌注。如果手动搅拌混合树脂，可以稍稍静置一下确保大部分气体已排出，树脂就绪后可以缓慢开起阀门让树慢速流入铺层中，初始阶段可以调慢灌注速率，过快操作容易产生铺层上下面过大的浸润面差距对灌注效果不利，同时可能过度消耗树脂对树脂供给不利。灌注进行并得到很好控制时，新鲜树脂混合可以同时进行。只有铺层上下表面的浸润面都超过灌注点时才能开启该点的阀门。新灌注点开启后，附近区域的灌注速度会增加（压力梯度增加），不断重复此工艺直至灌注的完成。在灌注完成后，可以关闭树脂吸入管并保持管口仍旧沉入

17、液面下，同时将抽真空的压力调小，这样可以在保持系统真空负压状态下减少树脂被吸出的量。开始静置灌注件直至树脂凝胶变硬，空气不能被吸入为止。可采用提高环境温度的方法加速树脂凝胶速度，同时需要注意保持灌注的完整性。固化为了提高固化件最终力学性能，需要进行热处理工艺。在常温下达到良好的固化效果需要4周时间，而实际生产中为了提高生产效率，起模时间需越快越好，可以采用加温固化工艺增加整体进度。对于一个慢速固化的大灌注件，可以采用典型的16hrs 50C的固化工艺；也可采用4hrs 70C加速工艺，具体温度需要考虑模具耐温状况。另一种热处理可选方式是后固化。如果模具的材料限制和设计精度决定不能承受太高温度，

18、可以将灌注件停留在模具上直至完全固化，开模时固化件保持了良好的尺寸精度。后固化的过程是将固化件放入烤箱以极慢的升温速度加热，缓慢的升温速度避免了固化件的变形，而更高的加热温度提高了固化件热学（耐热温度）和力学性能。后固化同时提高了固化件的玻璃化转变温度Tg，材料的高温抗软化能力得到增强。风电叶片的灌注风电叶片几何构造不太复杂，是比较适合灌注工艺的。然而叶片作为庞大的部件，三明治芯材区域的灌注，叶梁盖单向纤维的集中分布都为叶片灌注增加了难度。叶片主要结构承力部件叶梁盖的铺层是大部分是由单向纤维贯穿排布的（从叶根位置扑向叶尖位置）。单向纤维的紧密排布增加了力学性能，但树脂的浸润能力却大幅降低。可以

19、采用的解决方案包括在单向纤维层间铺放增加浸润速度的编织玻纤布或者采用分离式灌注单独制作叶梁，剪腹板也可以采用分离制作的方法最后进行粘接组装。一站式灌注方案（如同时灌注叶壳和剪腹板），可以减免二次粘接，但增加了结构的复杂度和灌注的危险性对于制造商来讲，尽可能的提高工厂的货品周转，缩减单位叶片的制造时间，最有效率运用现有资源进行生产。分离叶壳灌注中叶梁盖、剪腹板的制造，采用平行生产的工艺更加稳定，所以分离制造的方案更适合工厂。最后，叶片灌注的着眼点就落在了其余部分，主要是三明治结构的生产制造中三明治结构仅由增强纤维（无论玻纤、碳纤维、芳纶纤维）制作的层合板在厚度方向上缺乏稳定型和刚度，同时结构缺乏

20、厚度。传统的增加刚度方式多采用多层板复合或增厚、复杂形状的方法，在现代复合材料技术中，被广泛应用的是增加结构刚度、厚度的泡沫芯材三明治夹心结构。三明治结构有表面的加强板和中间的轻质夹心材料组成。在层板间加入一定厚度的夹心材料可以在不大幅增加总量的情况下提高结构厚度，其增加刚度的原理和工字钢（梁）基本一致，工字钢中间的剪腹板将上下缘连接并减轻总重。工字钢的上下缘主要承受拉伸压缩等载荷，而剪腹板承力则较少，三明治结构中的芯材同样也承力较少，载荷主要由高模量的复合层板承担。设计理论近似认为板类挠曲刚度与其厚度的立方成本比，复合材料中引入夹心泡沫可4EE5在不明显增加结构重量的同时，通过提高层板厚度大

21、幅增加结构整体刚度。三明治结构的灌注灌注工艺的一大优势可以将结构泡沫和铺层同时灌注一次形成三明治结构，一次制造大幅压缩了生产时间，而传统的三明治板制造是通过将板和芯材粘接而成的。对大型三明治结构的一次性灌注其工艺难度将远高于简单结构，但是一旦工艺步骤确定下来，重复的操作将并不困难。经灌注的三明治结构件重量会轻于手糊成型的三明治板，原因在于流入铺层和泡沫切槽中的树脂是刚刚好，而不是过量的。为提高三明治结构的灌注效果，可以对芯材稍加改动以增加灌注流动性。通过改变芯材与铺层间树脂的浸润速度，是提高灌注效率的关键因素。可以通过多种方式实现此效果：芯材可以通过开槽、打孔、表面槽、双面切槽等加工方式改变灌

22、注速度。通过选择不同形式的芯材，适应不同的灌注速度，尤其在使用慢速倒流网时也要同时注意选用慢速浸润的芯材配合达到灌注效果。通过优化泡沫浸润结构可以明显提高灌注速度，同时减少了导流网的使用，铺放导流网中滞留的树脂损失也会降低。同时需要了解的是，更多的开槽、打孔意味着留存更多的树脂，最终结构的整体总量会有所增加。壳结构的灌注在对现有灌注工艺进行核心开发和不断优化后，仍然无法克服一些潜在可改变的影响因素，如环境温度和真空压力。在以前的讨论中曾经提到灌注工艺的速度和树脂的粘度以及与压力梯度是正相关的，而树脂的粘度对操作环境温度的变化非常敏感。所以需要操作环境温度的持续不变性以保证灌注工艺步骤不受影响。

23、但是实际生产中，在气候温度变化较大的区域，在大型厂房中加装空调是高成本、高耗能的。可以采用的方法是加热模具表面至环境可达到的最高温度如30-35C，这样既能保持灌注工艺的稳定性，也能通过降低树脂粘度提高灌注速度。很遗憾，没有什么方法能有效的稳定真空压力，从而控制压力梯度。提高灌注温度可以减小真空压力对工艺的影响，因为较低的树脂粘度下，铺层对树脂的阻隔能力也会减小，真空压力的转递效率增加了。真空压力的变化同样也影响铺层的压实程度，对最终产品的厚度稳定型产生影响。玻纤布铺层和芯材的铺放过程也是影响灌注工艺质量、重量稳定型的关键因素。前面讨论的因玻纤布铺放不当的引起的空隙导通造成“短路桥接”现象，以

24、及空隙通路所堆积的额外树脂都添加了工艺的不稳定性。综合考虑所有的不确定因素，叶片的工艺和总重的稳定型令人担忧。一套叶片安装在叶轮上是需要首先经过配重的，重量相近的叶片才能成套安装以减小作用在发电机上载荷的变数，不同重量的叶片同时安装对整机是不利的。灌注叶片的结构粘接绑定在叶片生产的最后阶段，制造完毕的部件需要经过梁壳粘接为一整体，在叶壳（带梁盖）和剪腹板的设计中，大量载荷是需要在不同部件间传递的，载荷从叶梁盖传递至叶壳再传递至剪腹板。所以结构胶连接各个部件是非常关键的。粘接时首先借助夹具将剪腹板粘接在下叶壳上，然后在上叶壳预先涂敷粘接剂，缓慢下降上叶壳至指定位置完成粘接，可以通过加热加速粘接剂

25、固化速度以减小脱模时间。然后将叶梁盖与剪腹板再次粘接，并用手糊工艺添加加强层，确保载荷在部件间的顺利传递。制造高质量的绑定结构需要考虑一系列材料特性和工艺要求，几乎所有绑定接头设计的案例说明，最优化的绑定接头方案需要综合考虑结构设计、材料选择以及最后的粘接工艺接头设计 Joint Design获得良好接头的第一步就是好的接头结构设计，优化接头的承载方式。其它需要考虑的设计因素包括：粘接工艺，周边结构，良好的工艺重复性和劳动力时间成本。接头设计也需要注意粘接剂的用量，涂敷厚度和潜在的放热收缩等因素。涂敷速度 Dispense rate和其它工艺一样，在保证粘接质量的同时，粘接工艺须完成的越快越好

26、。对于大型叶片更需要高效率的粘接方式并获得高质量、高精确度的粘接效果。粘接剂的配方设计需要考虑适应高效率混胶机的涂敷工艺，涂敷后仍保持触变性（静置时抗下垂和流动的能力）。这为配方的设计带来了挑战，混胶时会对粘接剂作用较大剪切力，此作用力严重降低了混合物的触变性触变性和压缩性 Thixotropy and Compressibility叶片庞大的几何尺寸意味着即使粘接厚度达到了30mm也比较正常。所以粘接剂必须达到30mm以上的厚度涂敷能力，即使在竖直面上涂敷也要具有良好的抗垂度。通过了高剪应力的混胶机后，粘接剂有一定时间的剪切恢复期，竖直涂敷是更值得注意这点。混胶涂敷后，叶壳的合模将实现上下两

27、部分的粘接，粘接带会被合模积压，产生厚度的压缩和胶被挤出。粘接剂的“压缩性”与其粘度和触变性紧密相关。所以了解“压缩性”对确定粘接带的尺寸的使得粘接工艺具有稳定和可重复性。放热与固化收缩 Exotherm and Cure Shrinkage粘接剂的配方设计要满足优良的工艺属性，给予使用和完成粘接留出足够的工艺时间。一旦粘接完毕接头形成，产品需要能够快速固化以适应高生产效率的和模具利用率。粘接剂的配方设计，尤其控制其化学反应活性，相对于厚层接头的单纯放热反应要复杂的多。放热现象是粘接剂在固化时产生的热量，由于周边的铺层或泡沫散热效果不佳形成了热量的积累。放热现象带来的局部高温容易引发热收缩现象

28、，同时带来接头的残余应力和应力集中。所以粘接剂的化学配方需要考虑到控制放热反应，也需要调节配方缓解残余应力。韧性 Toughness韧性可以定义为材料抵抗裂纹产生和扩展的属性，也是材料防止脆性断裂的能力。韧性是粘接剂一个重要性能属性，即可防止固化收缩裂纹的产生，也可减缓叶片运行过程中疲劳裂纹的扩展速率。所以风电叶片粘接剂配方设计上需要考虑加入一定的韧性，可以通过材料的断裂延伸率来衡量。下面的曲线说明了不同韧性的粘接剂的断裂失效，红色体现为脆性材料而蓝色体现为韧性材料，被曲线包围的区域可以理解为断裂前材料所吸收的能量，所以可以用该图量化粘接剂的韧性。预浸料技术引言预浸料（Prepreg）是Pre

29、和impregnation的连写，是将增强纤维或纤维布预先与树脂浸润，获得均匀、稳定的中间产品，该中间产品可以作为制造复合材料成品部件的原材料。预浸料的树脂都是半固态并带有一定的表面粘度，树脂的状态可以保证在常温下正常使用（如手动工序、裁剪、模具上铺层）且不会产生树脂的污染和损失。一旦铺层结束可以通过抽真空加热固化法（温度一般在80120C）使材料固化成型。预浸料通常以整卷供应，提供准确的树脂含量，树脂相对灌注或手糊具有更高性能，单向纤维达到准确垂直排布，快捷的使用可以实现自动化的生产和制造。然而高性能树脂的预浸需要树脂升温和冷却系统，同时成品的储藏和运输需要冷藏，并增加了制造工艺成本，这些都

30、是预浸料相对等量的灌注材料更加昂贵。同时，提高温度的固化工艺，对模具的需求和成本也会提高。预浸料的制造预浸料的制造同样遵循树脂灌注速度的三个准则：树脂粘度，压力的大小和纤维（玻纤布）的浸润速度。树脂在生产工艺温度下的粘度纤维或纤维布的浸润能力D作用于织布的压力P三者的关系可以简单定义和正相关与预浸料设备的生产线速度PLS所以要提高生产线速度，树脂的粘度要低，一定的压力需要施加，纤维或纤维布的浸润性需要考虑。因为预浸料树脂在常温下的高粘度可能达到预浸效果，所以产生了两种截然不同的预浸料制造方式：溶剂稀释树脂；通过加温降低粘度，第二种方式是风能用预浸料的主要制作方法。为了大幅提高预浸料工业成品的产

31、量和价值目标，产线速度须越快越好，这需要大幅提高树脂温度的同时增加预浸压力，成品收卷前需要快速冷却产品。所以生产预浸料的机器需要配备大型加热和压实系统来尽可能提高生产速度。步骤1将树脂加工为树脂薄膜并加载在蜡光纸面上步骤2:纸面的树脂膜与纤维布合并（未预浸），同时在另一面加盖蜡光纸步骤3a:纤维/树脂/蜡光纸共同经过加热区域来减小树脂粘度步骤3b:纤维/树脂/蜡光纸共同经过夹紧轴使纤维获得树脂的预浸步骤4:通过冷却板快速冷却树脂步骤5:蜡光纸脱离步骤6:材料上下面加铺保护膜（Polyethylene/polypropylene）在保护材料的同防止在收卷时材料粘合步骤7:成卷预浸料放入冷库冷却延

32、长使用寿命对生产线速度的精确控制对减小预浸料成品缺陷有重要作用。加热熔融的树脂在高温停留较长的时间会产生过量的反应，导致产品变硬、表面粘度降低、使用寿命减少。预浸料特性评价灌注树脂性能时，通常着眼于树脂的粘度和不同温度下的反应活性，与某些标准纤维复合固化后的热学和力学性能也会予以考量，数据可以对较树脂体系的优良程度。对预浸料而言，成型过程中的粘度和反应活性同样得到重视，特定产品的力学和热学性能变得更容易衡量，同时增加了一些定义操作特性的参数。随形性（Drape）将高粘度树脂和纤维/纤维布预浸在一起的工艺，材料能否满足模具几何形状的要求非常重要。预浸料与模具表面的贴合程度被称为随形性，这种性能与

33、纤维/纤维布结构（纤维类型、方向、缝合方式等）以及树脂化学特性密切相关。粘性虽然预浸料中的树脂在室温下呈半固态，预浸料表面通常会有一定等级的粘性。尽管用手压的方式评价粘性等级比较主观，但是低粘性预浸料在很大的压力下表面也不会表现出很粘的状态；相反地，即使用力很小，高粘性预浸料也会将树脂粘到手上。不同预浸料的粘性也各不相同，这与树脂含量、纤维和纤维布种类、树脂配比波动以及操作车间温度等均有关系。粘性使预浸料很容易固定在模具表面，也为后续铺层带来了方便，如果模具有垂直表面，则需要高粘性预浸料进行叶片制作。然而，过大的粘性则会给除去保护膜及重新铺层带来不少麻烦。流动性结构件固化过程中，预浸料树脂粘度

34、随着温度的升高而降低，使树脂产生流动性。树脂的流动可以将层与层之间紧密结合而不存在任何缝隙，也可以通过真空系统将体系中的气泡排出。树脂流动对于预浸料和其他材料的粘结也是十分必要的，如模具表面的胶衣和夹芯结构中的大量芯材。流动性是粘度的函数，因此树脂体系的粘度是预浸料的重要物理参数。使用寿命预浸料树脂体系使用潜伏型催化剂（需要一定温度去激发其活性），因此，在高温固化前预浸料将保持其粘性和随形性。然而，即使在室温下，潜伏型催化剂也存在非常缓慢的反应，经过一定时间后树脂粘度增加到某个值，最终使材料失去粘性和随形性；这种状态下，预浸料已经没有实际使用价值，亦即达到了其使用寿命的期限。用于风能的预浸料在

35、室温(20-23C)有60天的使用寿命，当温度升至25C以上，其使用寿命将会大大降低。预浸料工艺预浸料可以制造单纯层合板（仅预浸料）和三明治结构板（预浸料泡沫芯材），适用的工艺包括真空袋加热固化以及热压模工艺。热压模（炉内压强可达6个大气压）方法仅用于高品质要求、高成本的航空航天工业，模具设备的制造是非常昂贵的，所以不可能用于制造大型构件。近年来，提高大型构件层板质量的技术有了很大突破，主要归功于先进预浸料技术如SPRINT、SparPregTM.的成功开发。现代制造工业多应用真空袋工艺在一个大气压下固化成型预浸料，既可以降低模具的资金投入也增加了生产效率。预浸料铺层预浸料的储存和运输是需要低

36、温环境来增加其使用寿命的，在使用预浸料之前需要将其从冷库取出在室温下放置一定时间。恢复常温过程中需要注意不要揭开保护膜，以防止材料表面结露（水分）影响材料性能。常温材料经过预裁剪成为符合要求的铺层形状即可铺放在模具表面。铺放好的预浸料需要将下表面的塑料保护膜脱去方可粘在模具表面，上表面的塑料膜需要在铺第二层预浸料时方可脱去，也可以再次分开粘好的预浸料铺层微调预浸料位置。铺层时需特别注意避免表面的不平整或起伏现象，这会减少短路桥接的形成。三明治结构板制造中，将切好形状的结构芯材粘放在预浸料层上，然后在芯材表面铺放另一层预浸料获得夹层结构。真空铺层预浸料（或三明治结构）铺层完毕后，一层尼龙脱模布（

37、peel ply）需立即铺放在整个铺层上以保护材料不受污染，脱模布可以方便在固化后剥离，揭开脱模布后材料可以获得干净、粗糙的良好粘接表面。脱模布上需要铺放带小孔的隔离膜（release film）用于在固化早期促进树脂的流动，隔离膜孔的大小和间距的选择取决于工艺需要，一定的树脂流动效果可以形成高品质的层板，促进泡沫或胶衣等材料与预浸料的良好粘接。然而，过多的树脂流动也会减低固件的树脂含量，容易使层板产生缺树脂区域构件表面铺一层透气毡（breather）可以良好的分配表面的真空压力，透气毡传递的真空压力并压实了铺层，固化时多余的树脂也可以被透气毡吸收。如果隔离膜的小孔过密导致过多的流动树脂，被完

38、全浸润的透气毡失去了应有的压力传递效果，层板会因失去树脂和无法被压实而大幅降低最终质量。流动性同样也可以通过改变固化程序、温度和树脂粘度来调节。真空铺层的最后一层就是真空袋，真空袋需要包裹所有区域并通过真空密封胶条（tack tape）获得整个系统的密封效果，密封胶条对模具表面和真空袋都有很强的粘性，即使在固化升温时可以保证系统真空密封效果。抽真空和固化铺层和真空设置，用真空泵抽真空并压实预浸料铺层。系统的真空度相对于灌注工艺并不是要求很高，因为预浸料的树脂粘度远远大于灌注树脂，可以抑制空气的浸入和分散。不过至少也要保持85%的真空压力，气压降可以不低于50mbar/分钟，系统过多的漏气可能大

39、致最终层板的变白（空气渗入所致）。固化周期可以尽可能缩短，前提是材料的品质不会减低和模具设备的承受能力容许。固化较薄层板可以以一定升温速率直接升至最高固化温度，当层板厚度大于5mm或者有三明治复合结构存在，固化升温过程就会复杂一些。环氧树脂系统的固化反应本身伴随着放热，对于厚板来说产生的热量更加难以散去，特别是中间层容易产生热量的积累和温度的升高，温度的升高又反过来加快反应速度并释放更多的热量，所以厚板的中心区域在固化时最容易产生集中放热，中心温度将远远高于边缘部分。过高的温度对产品的最终性能会产生影响，树脂会因过热而降低原有性能。正因为这样，需要对固化升温过程进行一些优化设计增加中温放置固化

40、。可以将材料放置在特定中间温度一段时间，该温度稍稍高于催化剂的活性温度，同时保证反应缓慢进行。这样所释放的热量可以有时间扩散，减小了集中放热的峰值温度。当材料放热峰过去以后，可以提高加热温度至最高固化温度。夹心材料因为其更好的隔热性，在固化时可以导致更大的集中放热。但一般三明治结构的预浸料皮层会比较薄，这避免了集中放热的产生，但如果固化温度控制不好，使用结构芯材会有另外一个隐患。多数芯材在高温下都会有气体溢出现象，包括化学反应产生的气体或因运输、存储不当所吸收水汽。气体的溢出会在预浸料和芯材间形成一个内气压，如果气压足够大超过真空压力则会在材料间产生严重的空洞缺陷。即使芯材的气体溢出效应得到减

41、小，如果没有中温的固化步骤仍然会有问题产生，中温固化可以限制气体的溢出因为在该温度下树脂熔化和芯材形成很好的粘接面，在随后的升温过程中抑制了气体的溢出。一旦材料达到完全固化，可以尽可能快的进行冷却并最后起模。但快速冷却产生材料内部的温度梯度容易导致内应力和变形的产生，所以也需要衡量材料冷却的方式和速度。SPRINT产品技术引言SPRINT是预浸料的一种，它是为大型部件的制造而开发的。当部件尺寸增大、材料铺层增厚，铺层间残留气体的排出会变得更加困难，最终导致固化后材料内气孔、空洞等缺陷的增加。下面图表给出采用1600gUD单向预浸料铺层时，材料层数和固化后孔隙率的增长关系。高孔隙率的问题可以借助

42、真空压实法解决：每铺34层预浸料后系统抽真空并加热至40C确保层间气体的排出。可惜此方法时间和成本是实际生产所不容许的，为了提高层间的排气的效果SPRINT应运而生了。SPRINT在树脂和纤维布的结合上是区别于预浸料的。传统的预浸料纤维是被树脂是完全预浸的，而SPRINT是由树脂层和纤维层组合在一起的，并保持了纤维层的干燥性。SPRINT根据搭配的不同可以分为单面型（一层树脂配一层纤维布）和双面型（两层纤维布中间配一层树脂）。SPRINT的概念SPRINT是先进的预浸料产品，它将预浸料和灌注的优势集中于一体。灌注工艺可以一次成型大型结构，并获得高质量（无气孔）的结构，但是制造过程中树脂长时间的

43、流动造成工艺并不稳定。预浸料工艺能够获得更高性能的产品，单向纤维排布的垂直度，准确的树脂含量但预浸料在制造大型结构时在层间排气问题上遇到了困难。SPRINT以SP Resin Infusion Technology 为命名是，成功将预浸料树脂技术引入了灌注结构理念。当树脂在增强纤维间流动时，灌注工艺主要是垂直浸润的（与模具面垂直），即使是大型结构浸润基本是同时进行的。灌注是通过抽真空作用于铺层进行的，与灌注工艺类似，当SPRINT被抽真空，气体可以通过树脂层间的干纤维布被抽去，当温度升高时树脂会完全浸润玻纤布而不留下气孔缺陷。SPRINT的制造SPRINT的制造设计和传统预浸料设备基本相似，高

44、性能、高粘度树脂配以潜伏型催化剂、纤维布、蜡光纸、塑料保护膜两者的根本区别在于是否进行树脂的预浸，SPRINT不通过树脂预浸而是使用较小的压力将树脂层和玻纤布层压为一体，尽可能减少层间渗透。SPRINT特性在众多的特性参数上SPRINT和预浸料是保持一致的，两者的制造原理也基本相似，是否浸润的纤维层是两者最重要的不同点，其它不同点还包括材料的储藏要求和操作要求。随型性（drape)SPRINT相对预浸料拥有更好的随型性，因为树脂和纤维层接触面更为灵活。良好的随型性提高了模具表面的层铺质量和材料表面的缺陷。粘性（tack）理论上SPRINT 表面并不具有粘性因为树脂是被干玻纤布夹在中间的，而对于

45、某些克重小的织物，树脂可以透过织布的缝隙在表面产生较小的粘度。当然，表面粘度并不会影响SPRINT的排气性能，层间的空气仍旧可以通过玻纤布的通路排出。一些情况下，需要一定的表面粘度，所以可以采用小克重大孔洞的增强织物。单面型预浸的树脂配方设计需要更加注意表面的粘度和易操作性。流动性(flow)树脂的流动性直接影响SPRINT的透气性能，尤其是常温下的流动性。当SPRINT常温储存时，树脂也会缓慢流动，而产品的透气性会逐渐失效，SPRINT的常温保存期就是根据树脂在常温下的流动性确定的。一旦SPRINT被浸润，一般在30-50C间SPRINT的流动性和预浸料是基本一致的。SPRINT-常温保存期

46、SPRINT特殊的铺层透气性来自于其干纤维层，只有纤维层保持干燥，产品才有的良好透气效果。标准预浸料的树脂在常温下流动性是不符合SPRINT要求的，在常温下SPRINT树脂要尽可能慢的渗透干纤维层，放置时间过长树脂也会不断流动并浸润纤维，产品的透气性也会逐渐失效。所以在常温下，SPRINT是具有严格的保存期的，根据环境温度的不同528天不等。储藏期SPRINT 树脂与预浸料树脂在设计上和反应活性上相似，所以在低温储藏环境下，两者拥有同样长的储藏时间。SPRINT工艺SPRINT专门用于制造大厚构件，避免使用昂贵的热压模工艺，同时获得高品质的最终产品。因为SPRINT在设计上结合了预浸料和灌注两

47、种理念，所以在工艺上也需要结合考虑预浸料和灌注两种工艺。SPRINT产品应用了灌注工艺的理念，所以工艺上对真空度的需求相对预浸料会更高。同时，SPRINT树脂粘度比灌注树脂有极大的提高，真空度的要求又相对于灌注有所减小。为了获得高质量的最终产品，一个高真空度的模具也是必不可少的。SPRINT经过高真空度的灌注后可以采用与预浸料相似的固化程序，唯一显著的不同点在于，SPRINT的真空铺层是不需要使用带孔的隔离膜的，所以不会有树脂渗出浸入透气毡。这样可以同时节省树脂和真空消耗材料。SPRINT 铺层 SPRINT同样需要在低温下运输和保存，所以在产品使用前，料卷同样需要常温放置一定时间回温和去除表

48、面水汽。因为SPRINT-常温保存期非常有限，所以需要注意在该常温保存期前使用完毕，否则材料的浸润性和透气性会显著降低。有塑料膜的保护，SPRINT材料可以方便的进行任意形状的裁切适合模具的造型要求。SPRINT也可以在阳模上采用缠绕法制作较厚的筒状部件。SPRINT铺层时同时需要注意气路的畅通，需要将SPRINT的干纤维层在抽真空时连接起来达到好的排气效果。气路的不通会造成层间气体难以排出影响产品的最终质量。真空铺层SPRINT铺层结束后可立即在表面加铺一层尼龙脱模布(peel ply)以防止污染，在抽真空时脱模布也起到表面通气的作用。与预浸料不同，SPRINT使用无孔的隔离膜铺在脱模布上，

49、隔离膜起到隔离树脂和脱开铺层的作用。树脂在固化渗出时不浸入透气毡，可以节省树脂和透气毡材料的消耗。构件表面铺一层透气毡（breather）在隔离膜上可以良好的分配表面的真空压力，透气毡传递的真空压力压实了SPRINT的铺层，同时支持了加热固化的抽真空效果。真空铺层的最后一层就是真空袋，真空袋需要包裹所有区域并通过真空密封胶条（tack tape）获得整个系统的密封效果，密封胶条对模具表面和真空袋都有很强的粘性，即使在固化升温时可以保证系统真空密封效果。抽真空和固化真空铺层一切就绪后，可以开始抽真空以抽去系统内多余的空气。与预浸料不同SPRINT每层之间都有干纤维布组成的气体通路，相当于抽真空对

50、每一层都有抽气效果。SPRINT系统的真空度要求高于预浸料但可以低于灌注工艺，但至少需要维持85%的真空压力保证充足的层压效果和层间排气效果，理想的气压降速度也要小于50mbar/min。需要注意确保SPRINT铺层与透气毡良好的气路传导，形成有效的抽气效果。这虽然很容易做到，但有时也需要注意不能将两者隔离，否则效果就和预浸料一样了。因为SPRINT树脂系统和催化模式与预浸料基本相似，所以两者的固化温度和程序也基本相同。预浸料/SPRINT叶片制造预浸料制造叶片的技术已经得到了良好应用，一些国际顶尖的风力发电制造商早已在上世纪90年代中叶成功的采用预浸料制造叶片。预浸料与灌注材料重大差异也导致了生产工艺的根本改变，预浸料和SPRINT联合用于叶片生产，大大升级了预浸料生产工艺的优势和最终产品效果。在叶片设计方面，多采用箱式叶梁和非承力结构的叶壳组合为叶片。承力结构梁结构梁可以使用阳模或分离的阴模制造，阴模制造的两片梁随后粘接为一体，再进行后面的梁壳粘接。两种制造方法中，上下梁盖都是与剪腹板紧密连接的。阳模的叶梁制造工艺会采用高自动化缠绕生产，可以用双轴向预浸料作为剪腹板的材料，在梁盖位置采用双轴向和单向预浸料的铺层结构可以顺利传递梁盖和剪腹板间载荷。剪腹板内需要加入泡沫形成一