大型风电叶片拉挤复合材料研究进展
叶片蒙皮的制造方法从早期的手糊工艺发展到现在的真空灌注工艺；作为叶片最重要承力结构的梁帽的制造方法也由手糊发展到整体真空灌注，再到独立真空灌注，最终发展到当前的拉挤成型工艺。这也证明了拉挤工艺在大型复合材料叶片中的性能和成本优势。
为了梳理风电领域拉挤复合材料的研究进展，本文从拉挤板用原材料、拉挤板力学性能、拉挤板缺陷检测技术以及拉挤板梁帽灌注工艺方面综述了风电领域拉挤复合材料的专利申请与研究进展，旨在为复合材料与叶片领域后续研究提供参考。 复合材料拉挤工艺主要包括①纤维供给、②浸渍、③固化成型、④牵引和切割等过程，如图1所示。整个过程采用自动化设备来实现，因此，拉挤工艺具有生产效率高、产品质量优良、拓展/复制性强的优点。
拉挤复合材料也因此被广泛应用于电气、化工、防腐市场、消费娱乐、建筑、道路交通以及新能源等领域。 经过70年的发展，复合材料拉挤工艺已较为成熟。在风电领域，最早应用拉挤复合材料部件的是叶片根部楔形条，如图2(a)所示，其主要用于填充叶片根部螺栓套之间的间隙，同时传递根部的连接载荷。之后，2015年，全球风电巨头丹麦Vestas首次将碳纤维拉挤梁帽应用于大型风电叶片，如图2(b)所示，实现了叶片性能的提升和成本的降低。
Vestas拉挤梁帽的成功应用也带动了国内拉挤复合材料在叶片上的大规模使用。 Vestas于2002年7月19日向中国知识产权局申请碳纤维拉挤成型风力涡轮叶片梁帽的相关专利，专利保护期20年。2022年7月19日，该专利保护期满。
国内相关企业近年也进行了风电叶片拉挤复合材料相关专利的布局。以“叶片”和“拉挤”为题，在中国知识产权网共查找到175项相关专利（截止2023年），涉及申请（专利权）人73家。
专利保护范围分布根据生产流程可以划分为三个方面：
（1）为拉挤所用树脂、纤维及其材料改性处理，共申请专利24项；
（2）为拉挤板生产工艺、工装以及设备，共计78项；
（3）为拉挤复合材料叶片制造工艺和结构，共计73项。
按照申请年份的分布，如图3所示，可以看出，从2017年开始，风电叶片拉挤相关专利呈现逐年增多的趋势，特别是2021年，专利申请的数量最多，这一年也是国内风电拉挤产业快速增长的一年，风电叶片拉挤梁帽得到了极大的关注。
美国可再生能源国家实验室的Migliore等]在2000年对某400kW风力涡轮机叶片进行了设计研究，并对其功率性能、塔架冲击、偏航稳定性、失速颤振、疲劳以及成本等方面进行了相关分析和测试。
结果表明，在没有撞击塔筒的情况下，该拉挤叶片具有可接受的疲劳性能与稳定的偏航性能，而采用拉挤工艺制造的叶片成本仅为传统叶片成本的一半。
[丹麦科技大学的Sprensen等]指出，风电叶片梁帽采用碳纤维拉挤板可以使风电叶片具有非常高的刚度。
与其他制造工艺相比，拉挤工艺的优势在于通过高密度纤维的排列和高纤维体积分数来实现刚度的提升。
[李成良等]系统地分析了风电叶片新工艺的应用与发展趋势，认为拉挤成型工艺能充分发挥连续纤维的力学性能。在国产化碳纤维的规模化应用和拉挤技术的驱动下，拉挤碳纤维复合材料将成为未来超大型风电叶片梁帽的首选材料。
在拉挤复合材料性能测试评估方面，
[严兵等]通过对比试验研究三种不同工艺制成的碳纤维复合材料梁帽的拉伸、弯曲、层间剪切等力学性能，发现拉挤工艺和预浸料成型工艺所制得复合材料的纤维体积分数分别为60%和61%，而灌注成型复合材料仅为52%。
与真空灌注和预浸料成型复合材料相比，拉挤成型复合材料的0°拉伸强度和模量、压缩强度和模量、弯曲强度和模量以及层间剪切强度均较大。拉挤碳纤维复合材料比灌注和预浸料成型复合材料更适合大型风电叶片。
[李赓等]对比了采用真空灌注、拉挤以及拉挤-真空灌注三种复合材料成型方法制备的聚氨酯/玻璃纤维复合材料板材的力学性能，发现拉挤板材纤维体积分数可以提高近20%，且拉伸、压缩以及弯曲性能明显提升，拉挤-灌注板材力学性能总体不及拉挤板材力学性能。
与灌注成型复合材料相比，玻璃纤维拉挤复合材料的比拉伸强度、比拉伸模量、比压缩强度、比压缩模量、比弯曲强度、比弯曲模量以及比剪切强度分别提高了27.94%、12.63%、4.83%、10.61%、9.72%、29.82%、-4.55%；
玻璃纤维拉挤-真空灌注成型复合材料的比拉伸模量、比压缩强度、比压缩模量、比弯曲强度、比弯曲模量以及比剪切强度分别提高了14.01%、9.88%、3.21%、16.18%、-1.81%、-1.09%。
[刘焕旭等]采用有限元数值方法建立了拉挤片材梁帽的风电叶片有限元模型，并在静载条件下计算分析了叶片的结构薄弱位置；同时采用万能试验机设备，测试了片材的拉伸强度、压缩强度、V形剪切强度。
研究发现：相邻拉挤片材之间的粘接强度在安全范围之内；并且从全尺寸叶片、子部件以及局部子模型三个维度相互验证，结果均满足设计要求，进一步证明了拉挤片材制造叶片梁帽的可行性。
相比传统灌注复合材料，拉挤复合材料具有优越的力学性能，在大型风电叶片上应用具有明显的优势，特别是当碳纤维价格大幅降低时。
3.2
风电叶片拉挤板用原材料研究
环氧树脂以优异的综合性能成为风电叶片中应用最广泛的基体材料。[殷娇娇等]通过试验方法研究了填料含量对拉挤碳纤维/环氧复合材料板工艺性能的影响。结果发现，填料质量含量为8%~12%时，环氧树脂的黏度随着填料质量含量的变化成正比例变化，环氧树脂的凝胶时间对填料的含量不敏感。
针对拉挤环氧树脂国产替代的问题，
[余许多等]采用试验方法对比研究了树脂黏度、凝胶时间以及浇注体性能。
结果表明，其公司自主研发的环氧树脂在不同树脂黏度、凝胶时间下具有很好的流动性和浸润性，树脂浇注体拉伸和弯曲性能满足设计要求。
[吴亚民等]以双酚A型环氧树脂为基体树脂，以自制环氧树脂和乙二醇二缩水甘油醚为改性树脂和稀释剂，复配了复合型环氧树脂，与纯双酚A型环氧树脂相比，该树脂的浇注体冲击强度提高了151.5%。
针对聚氨酯树脂这一新型树脂体系，
[Berg]探讨了其工艺参数、固化度与拉挤板力学性能之间的关系。
结果表明，在高温下，系统中残留的苯乙烯更多，固化度较低。这可能是因为在高温下，自由基固化反应速率太快，异氰酸酯被消耗之前没有留下更多的自由基，导致样品未完全固化。即使在较高温度下固化，其试样的力学性能也略低于中等温度下固化试样的力学性能，这不同于环氧树脂的固化规律。
3.3
风电叶片拉挤复合材料缺陷探测研究
超声扫描是目前风电叶片缺陷无损检测技术中最常用的方法。
[孙玉明等]采用超声探测的方法对风电叶片拉挤梁帽进行扫描，发现在拉挤板拼接缝处存在衍射现象，超声探测设备无法清晰显示拼接缝处缺陷的真实状态，需要采用其他方法进行探测。
[Baran等]通过X射线计算机断层扫描和VoxTex软件来表征拉挤复合材料的内部结构，观察到在玻璃粗纱之间存在富树脂区域，在这个位置，单向纤维的方向与拉伸方向没有对齐，纤维错位和富树脂区使纵向刚度降低15%~20%。
针对复合材料拉挤工艺过程中诱发的残余应力，
[Yuksel等]采用数字图像相关（DIC）方法测量了单向玻璃纤维/聚酯树脂拉挤型材在钻孔后的横向应变松弛，基于有限元数值模型，利用实测应变反演了相应的残余应力状态，在拉挤板剖面中心区域测得横向残余应力为6.1MPa，约为拉挤板横向拉伸强度的1/6。
3.4
层间介质/拉挤板加工对风电叶片拉挤板性能的影响研究
拉挤板的外轮廓和层间的织物对叶片拉挤梁帽灌注过程中的树脂流动有着直接的影响，树脂快速而充分地渗透进拉挤板层间和拼接缝是提高叶片拉挤梁帽成型质量的关键。
[乔小亮等]通过灌注工艺试验和无损检测的方法，研究了拉挤板层间纤维织物和拉挤板外形对灌注过程中树脂填充密实性的影响，发现双轴向纤维布和带倒角的拉挤片材比平纹布和不带倒角的拉挤片材更有利于树脂的密实填充，从而有利于提升拉挤板梁帽的成型质量。
[蒋华等]通过灌注工艺试验研究发现，采用双轴向布和拉挤板两侧打磨可以提升梁帽的成型质量。
[钟连兵等]开展了针对环氧拉挤板拼接（垂直于纤维方向）强度测试，发现拉挤板边缘打磨处理试样的拼接强度比边缘切割试样的拼接强度高26.4%；拼接缝隙为0mm的试样的拼接强度比5mm试样的拼接强度高16.1%，且平纹织物表面浸润剂的失效使拼接强度降低32.4%。
[杨忠等]选用放置玻璃纤维双轴向织物、方格布、连续毡以及不放置任何纤维介质四种方式来处理碳纤维拉挤板之间的界面.
结果显示，剪切强度最高的处理方法是层间铺放连续毡，其次分别为双轴向布、方格布以及不放置任何纤维介质的处理方法。
[文治天等]通过试验研究了拉挤板层间纤维织物对I型层问断裂应变能的影响。
结果发现，导流纤维织物可以改善纯树脂填充拉挤板问隙带来的界面不稳定扩展和应变能释放率的快速降低。
[马腾等]选取了四种面密度均为200g/m2的不同编制方式的玻璃纤维织物作为拉挤玻璃纤维板的层间织物，并通过试验方法测试了拉挤梁帽的导流速度和力学性能。
A：方格布，经向密度为每10cm38根，纬向密度为每10cm29根；
B：方格布，经向密度为每10cm74根，纬向密度为每10cm74根；
C：经编±45°双向布，纱线线密度为136tex；
D：经编±45°双向布，纱线线密度为200tex。
在相同条件下，不同导流介质的试样流动速度排序为VA>VB>VD>VC，而这四种拉挤板的剪切性能并没有显著差别。
[王伟伟等]通过试验方法研究了不同类型层间织物对玻璃纤维拉挤板静态性能的影响，发现不同类型层间织物对玻璃纤维拉挤板界面之间的结合性能影响不大。
[武汉理工大学的杨斌等]结合试验获得了纤维织物渗透率参数，首次采用数值方法模拟拉挤板梁帽的灌注过程，得出了叶片梁帽拉挤板排列间距的最优值为0.3mm，当梁帽灌注的残余压力小于4000Pa时，梁帽的孔隙率小于2%。
3.5
风电叶片拉挤板力学性能研究
为了探讨风力机叶片拉挤板的力学性能、失效模式和损伤演化过程，
[He等]研制了适合风力机叶片厚拉挤板测试的大尺寸、大量程、大吨位拉伸试验机，并采用该试验机对拉挤板进行了静态拉伸试验，研究了拉挤板试样从开始受载到完全失效的破坏过程和相应的温度变化，发现试样经历了弹性拉仲、塑性变形以及断裂三个阶段，整个过程中试样温度增加了5°。
[师卓等]通过试验发现，采用巴氏硬度为56、压缩强度为446MPa的玻璃钢加强片的碳纤维梁帽拉挤板压缩试样表现出较为合理的失效模式。
[赵东晖等]采用四点弯曲试验研究面层厚度和剪跨比对梁帽破坏模式及其承载能力的影响。结果显示：随着面层厚度从零层增加到多层，梁帽的破坏模式由拉挤条板拉裂破坏转变为面层拉裂（或拉断）破坏，最终转变为下面层剥离破坏；梁帽的初始刚度随着面层厚度的增加而增加，随着剪跨比的减小而增加；厚面层可以抑制胶缝开裂，避免拉挤梁帽脆性破坏，有利于提高梁帽的承载能力。
[Musial等]同样采用四点弯曲试验的方法，测试了玻璃纤维拉挤叶片段的极限弯曲强度，发现高压侧比低压侧更容易发生屈曲，高压侧与低压侧的屈曲行为具有非常相似的失效载荷。
众多学者针对拉挤板材灌注成型叶片梁帽时易产生富胶缺陷和搭接缝的问题进行了研究。
[冯学斌等]对不同厚度的富胶碳纤维梁-蒙皮试样进行了四点弯曲测试。
结果发现：对于富胶厚度为2~8mm的试样，碳板侧先发生破坏，破坏形式为碳板分层和断裂，富胶侧未发生明显破坏；对于富胶厚度10mm的试样，沿试样宽度方向，富胶侧先发生破坏，富胶区域发生多条贯穿性裂纹。
[李文斌等]对14种搭接方式进行了三点弯曲试验研究。
结果显示：纤维方向堆叠式/砌墙式试样的弯曲性能优于垂直纤维方向堆叠式/砌墙式试样的变曲性能；两种搭接方式下，无缝对接拉挤板试样的弯曲强度均大于对应有缝隙试样的弯曲强度。
[美国圣地亚国家实验室的Ennis等]基于拉挤碳纤维性能数据、复合材料成本模型以及两个叶片案例（3MW和10MW）的分析得出：与工业基准碳纤维相比，大丝束碳纤维的单位成本比强度和刚度提高了56%，单位成本抗压强度提高了56%，单位成本模量提高了100%。
在两个叶片参考模型中，梁帽材料成本降低了39%~43%；与采用玻璃纤维梁帽相比，采用新型大丝束碳纤维的叶片质量分别降低了27%和25%；碳纤维使细长叶片设计更具成本效益和气动优势。
04
讨论与建议
本文梳理了风电叶片拉挤复合材料相关专利申请和国内外技术发展概况，结合行业发展趋势，指出了风电叶片拉挤复合材料领域需要进一步深入研究的方向。
1
在专利申请和技术保护方面
从2017年开始，国内风电叶片复合材料拉挤相关的专利申请数量呈现迅速增加的趋势，且以2021年的申请数量最多；
相关专利主要保护拉挤板生产工艺、工装设备和拉挤复合材料叶片制造工艺和结构。
2
在叶片制造工艺方面
拉挤复合材料比灌注复合材料具有更高的纤维体积含量和更优的力学性能，从性能和成本的角度，拉挤复合材料全面替代灌注复合材料在叶片梁帽中的应用是必然趋势。
3
在叶片拉挤板用树脂方面
国产树脂以更优的性价比已经基本取代进口树脂，被广泛应用于叶片拉挤板中，黏度和凝胶时间是树脂工艺性能的两个关键参数；
拉挤过程中温度的控制和纤维表面处理也是影响拉挤板横向性能的重要参数，但这方面研究未见文献报道。
4
碳纤维拉挤板的应用
碳纤维拉挤板的应用取决于碳纤维价格、风电机组的单机容量以及评估模型。
单独从材料力学性能与价格的比值来选择，碳纤维拉挤板基本无法与玻璃纤维拉挤板竞争；但是，随着风电机组的大型化，玻璃纤维复合材料越来越无法满足叶片安全运行结构强度的要求。
在风电机组整机的基础上，考虑全生命周期度电成本，碳纤维拉挤板可以减轻叶片的重量，降低机组载荷，从而降低机组除叶片外的成本；同时，高性能碳纤维的使用使叶片采用高效率的薄翼型成为可能，从而提高风电机组的发电量。
随着机组大型化和碳纤维价格的持续走低，碳纤维拉挤板将成为制造叶片梁帽最合适的材料。
在风电整机的平台上开展碳纤维拉挤板叶片应用需求和成本的评估，可以为碳纤维制造企业开展风电定制化碳纤维生产提供指导。
5
在拉挤板或者拉挤板梁帽制造缺陷探测方面
需要发展除超声探伤技术以外的缺陷损伤快速高效识别和表征技术，提高复合材料拉挤板叶片的出厂质量，高效及时地识别叶片在运行过程中产生的损伤。
6
在层间介质/拉挤板加工方面
初步试验研究得出拉挤板层间放置连续毡或者双轴向纤维布有利于拉挤梁帽灌注树脂的导流和密实填充，且对拉挤板两侧进行打磨可以更好地提升梁帽的成型质量。
7
在拉挤板梁帽的灌注方面
拉挤板梁帽的灌注效果对拉挤板在叶片上的应用有着至关重要的影响，目前的研究主要关注最终测试强度的直观结果，没有探明影响这些试验结果的微观机制和潜在规律。
8
在拉挤板/拉挤板梁帽的力学性能方面
针对拉挤板梁帽的承载能力、拉挤板梁帽内/外蒙皮多轴向布厚度、梁帽灌注过程带来的富树脂层的影响以及拉挤板拼接缝的取值进行了一些初步研究，相关研究还有待进一步深入；
同时，仍然有必要开展包含拉挤板的叶片段部件级测试仿真研究，并提前开展拉挤板损伤修复技术研究，为叶片运行过程中可能出现的损伤提供修复技术和解决方案。
