孫元榮，邢偉光，胡聰麗，郝名揚(yáng)

（1.艾郎科技股份有限公司，上海 200135；2.重慶國際復(fù)合材料股份有限公司，重慶 400082）

0 引 言

復(fù)合材料是將2 種或2 種以上的物理、化學(xué)等不同性質(zhì)的材料組合起來，形成1 種新的材料，組成后的材料不僅性能優(yōu)于各組分材料，而且還具有各組分材料不具有的獨(dú)特性能。纖維與樹脂組成的纖維復(fù)合材料，具有高度的各向可設(shè)計(jì)性，它的各種性能，可按照不同的設(shè)計(jì)需求排列纖維的方向，特別是強(qiáng)度、模量性能隨設(shè)計(jì)的不同而不同，能夠合理地選擇、使用材料。

復(fù)合材料從用途上可以分為結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和功能復(fù)合材料2 大類。目前常用的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，又可以根據(jù)其纖維種類，基體材料和纖維性狀進(jìn)一步細(xì)分。目前風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片使用的材料就主要由復(fù)合材料組成，其主要是由樹脂基體材料和纖維增強(qiáng)材料兩種組分組成的結(jié)構(gòu)型復(fù)合材料。葉片設(shè)計(jì)中用到的材料主要有：纖維增強(qiáng)體、樹脂基體、夾芯材料（包括Balsa、PET、PVC、HPE 等）、結(jié)構(gòu)膠粘劑、表面防護(hù)漆和金屬連接件等。目前大型風(fēng)力機(jī)葉片大多采用玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料，局部區(qū)域采用夾芯材料，以4.0 MW 的葉片為例，葉片總質(zhì)量約26 t，其中90%以上的質(zhì)量為不同組分的復(fù)合材料?？梢姡瑥?fù)合材料在風(fēng)力機(jī)葉片中占有舉足輕重的地位。以某4 MW 葉片為例，其主要組成材料見表1。

表1 某4 MW 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片組成材料Table 1 The components for the 4 MW wind turbine blade

隨著風(fēng)力發(fā)電葉片機(jī)組單機(jī)容量的快速提升，更長、更輕的百米級(jí)葉片成為海上葉片的主流，陸地葉片長度主要在80~100 m 之間，同時(shí)朝著更低成本方向發(fā)展[1-2]。為進(jìn)一步降低葉片大型化發(fā)展帶來的質(zhì)量影響，風(fēng)機(jī)葉片急需輕量化設(shè)計(jì)，這對(duì)葉片材料的強(qiáng)度和剛度等性能提出了更高的要求，因此未來葉片發(fā)展的方向?yàn)椴捎觅|(zhì)量輕、高比模量、高比強(qiáng)度的纖維增強(qiáng)材料。2021 年，風(fēng)電市場報(bào)價(jià)，除整機(jī)報(bào)價(jià)已低至大約1 600 元/kW（不含塔筒成本），比起前兩三年幾乎是腰斬，因此葉片長度、質(zhì)量、成本等多個(gè)因素制約了高性能、超長、輕量化風(fēng)機(jī)葉片的發(fā)展，為解決這一問題，這里就需要大力研發(fā)新型復(fù)合材料的創(chuàng)新應(yīng)用，在材料性能能夠提高的同時(shí)，材料使用成本也需要在一個(gè)可接受的范圍之內(nèi)。由于目前碳纖維的價(jià)格達(dá)到120 元/kg 左右，是玻璃纖維價(jià)格的10 倍多，因此急需尋找一種介于玻璃纖維和碳纖維之間的新型纖維，是風(fēng)電行業(yè)的一個(gè)熱點(diǎn)研究方向。在性能相同的條件下，目前超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯纖維的價(jià)格是碳纖維的30%，因此超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯纖維具有極大的性價(jià)比優(yōu)勢。表2 列出了超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯纖維和目前風(fēng)電領(lǐng)域批量使用的玻璃纖維性能對(duì)比。

表2 超高相對(duì)分子質(zhì)量纖維與玻璃纖維性能對(duì)比Table 2 The performance comparison of UHMWPE and glass fiber

從表2 中數(shù)據(jù)看出，較玻璃纖維比，超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯纖維有比強(qiáng)度、比模量優(yōu)勢，下面就超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯纖維樹脂基材料性能做具體分析。

超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯纖維是指相對(duì)分子質(zhì)量在100~500 萬聚乙烯經(jīng)熔融紡絲而得到的纖維材料，也稱為伸直鏈聚乙烯纖維、高強(qiáng)高模聚乙烯纖維，它是繼芳綸問世后又一類具有高度取向拉直鏈結(jié)構(gòu)的纖維。我國最早于20 世紀(jì)80 年代開始研發(fā)超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯纖維的，至2020 年國內(nèi)的超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯纖維的生產(chǎn)企業(yè)已經(jīng)超過30 家。

1 力學(xué)性能

1.1 拉伸性能

超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯纖維有著優(yōu)異的綜合性能，有著超高的強(qiáng)度和模量，同時(shí)由于密度低，使得其比強(qiáng)度較其他特種纖維是最高的[3]。比拉伸模量雖然低于高模量的碳纖維，但比玻璃纖維高很多。超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯纖維目前主要的制備方法有表面結(jié)晶生長法、固態(tài)擠出-熱拉伸法、溶劑溶解法，不同的方法制備的超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯纖維的力學(xué)性能不同。表面結(jié)晶生長法制得的纖維拉伸強(qiáng)度和模量分別達(dá)到5 000 MPa、170 GPa[4]。而采用固態(tài)擠出方法擠出，在115 ℃下拉伸，模量可以達(dá)到222 GPa[5]。而一般在工業(yè)化生產(chǎn)中，多采用相對(duì)分子質(zhì)量在300 萬左右的聚乙烯樹脂，由于相對(duì)分子質(zhì)量很高，熔融黏度極高，即使溫度提高到聚乙烯熔點(diǎn)以上幾十度黏度仍然無法滿足生產(chǎn)需求，因此研究人員采用了合適的溶劑溶解的方法，實(shí)現(xiàn)了超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯纖維的工業(yè)化生產(chǎn)。采用1.5%超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯的石蠟油溶液制備的纖維拉伸強(qiáng)度可以達(dá)到5 900 MPa、模量可以達(dá)到210 GPa[4]。

1.2 疲勞性能

研究人員利用彎曲疲勞測試裝置，開展了超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯纖維在固定張力下，在20~110 ℃間的加速彎曲疲勞性能研究[5-6]。得出結(jié)論超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯纖維的抗疲勞性隨著溫度的升高而明顯下降，看來溫度會(huì)影響超高相對(duì)分子質(zhì)量的力學(xué)性能。

1.3 纖維與樹脂的結(jié)合能力

超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯纖維具有較光滑的纖維表面，其表面能低，不易與樹脂基體粘合，因而需要通過對(duì)其進(jìn)行表面處理，提高纖維和樹脂基體的表面結(jié)合性能，有利于應(yīng)力通過界面從基體向纖維傳遞。為了提高超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯纖維與熱固性基體如環(huán)氧樹脂等的粘合性能，研究人員通過研究不同的上漿方式對(duì)紗線浸膠紗模量的影響，得出結(jié)論，纖維在線涂覆明顯好于合股后，因此后續(xù)織物上漿劑的涂覆方法主要改為在線涂覆，見圖1。

圖1 超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯纖維浸膠紗拉伸模量Fig. 1 The tensile modulus of UHMWPE fiber impregnated yarn

關(guān)于上漿劑的用量，研究人員研究了兩種上漿劑不同用量對(duì)于浸膠紗的性能的影響，見圖2。

圖2 上漿劑的用量對(duì)浸膠紗性能的影響Fig. 2 The influence of amount of sizing agent on the properties of impregnated yarn

研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著上漿劑用量的增加而力學(xué)性能衰減明顯，0.5%的含量比較合適。

1.4 抗蠕變能力

超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯纖維具有高強(qiáng)度、高模量的特點(diǎn)，但由于其為非極性分子，分子鏈間容易產(chǎn)生滑移而發(fā)生蠕變。在一定的溫度、應(yīng)力作用下，超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯纖維的應(yīng)變隨著時(shí)間的延長逐漸加大[7-8]。超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯纖維屬于熱塑性纖維，在溫度-蠕變測試過程中發(fā)現(xiàn)，在60 ℃條件下，應(yīng)力400 MPa 下經(jīng)過約4.5 h 的蠕變?cè)囼?yàn)，從起初的應(yīng)變0.5%增加到1.1%，應(yīng)變?cè)鲩L了約50%。

圖3 超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯纖維浸膠紗應(yīng)變Fig. 3 The strain of UHMWPE fiber impregnated yarn

在60 ℃測試條件下，對(duì)匹配樹脂基的單向?qū)雍习迨┘?00 MPa 應(yīng)力下，玻璃纖維在2 h 左右斷裂，表現(xiàn)為明顯的剛性材料，而超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯纖維存在明顯的蠕變。

圖4 超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯纖維和玻璃纖維（GF）層合板蠕變性能Fig. 4 The creep properties of UHMWPE fiber and glass fiber laminates

而通過微觀分析發(fā)現(xiàn)，超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯纖維表面存在大量的裂紋，尤其是在高負(fù)荷作用力下，這也是蠕變的主要原因之一。

圖5 超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯纖維原絲微觀狀態(tài)Fig. 5 The microcosmic state of UHMWPE fiber

2 結(jié) 語

較玻璃纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料相比，超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯纖維在比強(qiáng)度、比模量上有著明顯優(yōu)勢，但為了使超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯纖維能夠擴(kuò)大應(yīng)用，在纖維力學(xué)性能改進(jìn)方面還需加大研究，開發(fā)抗蠕變型、高表面粘合型等與各種樹脂基體有良好親和性的纖維。同時(shí)改進(jìn)纖維生產(chǎn)工藝、降低材料成本、提高生產(chǎn)效率以擴(kuò)大超高相對(duì)分子質(zhì)量纖維的應(yīng)用領(lǐng)域。