VARTM大型復(fù)合材料構(gòu)件制造技術(shù)

在更重視節(jié)約能源的今天，樹脂類復(fù)合材料（以下稱為FRP，通常也稱為玻璃鋼）以其質(zhì)量輕、強(qiáng)度高的特點，在大型結(jié)構(gòu)部件上的應(yīng)用得到了急速的發(fā)展。在三菱重工的諸如風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片、飛機(jī)的結(jié)構(gòu)部件、成套設(shè)備部件等多種產(chǎn)品領(lǐng)域也同樣得到應(yīng)用。將FRP用于大型結(jié)構(gòu)部件時，拉伸強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度等材料物性指標(biāo)與耐久性指標(biāo)自不必說，以高度的適產(chǎn)性（工藝性好、效率高—譯者注）制造出高質(zhì)量產(chǎn)品是一個大的課題。

FRP的成型方法有手工鋪層法、纏繞法、高壓釜法（預(yù)浸料成型法）、樹脂傳遞模塑法（RTM）等多種。本文介紹的是其中作為高質(zhì)量大型FRP結(jié)構(gòu)部件的制造法而備受矚目，也被用于三菱重工風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的VaRTM成型法（即真空輔助樹脂傳遞模塑：Vacuum assisted Resin Transfer Molding）。

1、VaRTM成型法的特點

VaRTM成型法的特點如圖1所示。VaRTM成型法是指在成形型（成形模具—譯者注）上首先鋪設(shè)強(qiáng)化纖維基材（玻璃纖維或碳纖維等編織物），用塑料薄膜封閉后再抽成真空，然后將液狀樹脂注入，由負(fù)壓原理使其完全浸入纖維基材各處并使其硬（固）化。這種FRP的成型法也是PTM法的一種。為方便樹脂浸入（擴(kuò)散）及獲得較好的葉片表面，在強(qiáng)化纖維基材與成形型以及塑料薄膜之間分別使用了專用的網(wǎng)狀罩布和剝離罩布。 123456


VaRTM成型法特點是：不需要諸如壓力釜等那樣龐大且復(fù)雜的設(shè)備，大型結(jié)構(gòu)部件可簡單地一次成型以及有機(jī)溶劑的揮發(fā)量少，作業(yè)環(huán)境較好。與過去FRP結(jié)構(gòu)件常用的手工鋪層法相比，能夠?qū)崿F(xiàn)纖維含量高、氣孔率低，所以FRP的成型高質(zhì)量等等。

2、風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片

三菱重工從1982年開發(fā)最初的商業(yè)用風(fēng)力發(fā)電機(jī)（300kW級）以來，又陸續(xù)將450kW、600kW級風(fēng)力發(fā)電機(jī)投入了市場。2003年開發(fā)了具有世界一流性能水平的MWT-1000A，至2004年末世界各地共有約1800臺三菱制風(fēng)力發(fā)電機(jī)在運轉(zhuǎn)。2006年預(yù)計推出2400kW級超大型、高性能風(fēng)力發(fā)電機(jī)（已經(jīng)實現(xiàn)—譯者注）。各類別風(fēng)力發(fā)電機(jī)所用葉片的比較參見圖2。

為盡量減輕重量，葉片材料使用玻璃纖維強(qiáng)化塑料（GFRP）。比較典型、與各級別風(fēng)力發(fā)電機(jī)相匹配的葉片其長度有12米（250～300kW級風(fēng)機(jī)用）、18～20米（450～600 kW級風(fēng)機(jī)用）、27～30米（1000 kW級風(fēng)機(jī)用）、36米（2000 kW級風(fēng)機(jī)用）等三種（原文如此—譯者注）。2005年末三菱重工完成了與2400kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)相匹配的長度超過40米的超大型葉片的制作。

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對于風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片，一般來說小型機(jī)用時要從成本優(yōu)先考慮，較多地采用手工鋪層法制作。而大型機(jī)的葉片對剛、強(qiáng)度要求較高，必須采用高壓釜法（預(yù)浸料成型法）或VaRTM 成型法。從制作面積大、有一定壁厚要求等方面考慮，許多生產(chǎn)廠采用了VaRTM 成型法。

三菱重工在制作長度超過20米的大型葉片時使用VaRTM 成型法。圖3顯示了用VaRTM 成型法制作FRP葉片的情形。 用這種方法在制作長寬為30米×2.5米、最大厚度120毫米的葉片外皮時，只經(jīng)過一次注入即能夠完成成型。另外，由于使用了低粘度樹脂并配置了多條樹脂注入管線，使樹脂注入及浸漬時間縮短，是一種生產(chǎn)效率較高的葉片制造技術(shù)。


葉片用的FRP成型樹脂和強(qiáng)化纖維必須有足夠的強(qiáng)度并適合于VaRTM方法成型，因此使用了具有熱硬化性的樹脂以及玻璃纖維的基材。 本文來自123
作為熱硬化性樹脂，從經(jīng)濟(jì)性、操作性和生產(chǎn)效率等方面考慮，使用通常的不飽和聚酯和乙烯酯。

從經(jīng)濟(jì)性考慮強(qiáng)化纖維用玻璃纖維。圖4表示了作為纖維織物主體形態(tài)的編織纖維。由捻絲綁扎、排列整齊的纖維束的起伏很小，使得編織纖維的壓縮強(qiáng)度大為提高。如圖5所示，使用編織纖維的FRP的壓縮破斷強(qiáng)度要高于使用傳統(tǒng)織物纖維的FRP。另外，由于可制作沿0°、90°、±45°等多方向（設(shè)置）及與網(wǎng)格基材等組合成多層織物，因此能夠針對不同風(fēng)力發(fā)電機(jī)的需求選擇最適合的（編織纖維）基材。





結(jié)論

通用（機(jī)械）領(lǐng)域的復(fù)合材料制品日趨大型化，航空、航天設(shè)備所用的碳纖維強(qiáng)化玻璃鋼制品（CFRP）也同樣存在這種傾向。 內(nèi)容來自123456

使用VaRTM成型工藝不需要大量的設(shè)備投資，能夠廉價地制造高質(zhì)量的大型FRP結(jié)構(gòu)部件，因此以歐美為中心正得到急速地發(fā)展。三菱重工也同樣使用VaRTM成型法制作了長度超過40米的大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片。

充分利用此工藝方法，能夠制造出大型的復(fù)合材料制品以滿足社會不斷高漲的需求。

原文發(fā)表于
三菱重工科技學(xué)報VOL.43 NO.1

原文著者：
新藤 健太郎：三菱重工技術(shù)本部長崎研究所材料及焊接研究室
川節(jié) 望： 三菱重工技術(shù)本部長崎研究所材料及焊接研究室
田北 勝彥： 三菱重工長崎造船所風(fēng)力發(fā)電事業(yè)組
加藤 英司： 三菱重工長崎造船所風(fēng)力發(fā)電事業(yè)組

原文參考文獻(xiàn)：
（1） 復(fù)合材料活用辭典 日本復(fù)合材料學(xué)會編著 產(chǎn)業(yè)調(diào)查會出版（2001）
（2） 《風(fēng)力發(fā)電裝置用大型FRP葉片的開發(fā)》 川節(jié)等著 內(nèi)容來自123456
（3） 《三菱高性能大型風(fēng)力發(fā)電設(shè)備》 藤川卓爾等著
（4） 《使用編織強(qiáng)化基材的樹脂復(fù)合材料的強(qiáng)度特性》 新藤健太郎等著

譯者簡介：
徐 濤：華銳風(fēng)電科技有限公司 項目部長 高級工程師 工學(xué)博士
林繼剛：華銳風(fēng)電科技有限公司 項目部副部長 工程師
劉世毅：華銳風(fēng)電科技有限公司 項目經(jīng)理 工程師