VARTM大型复合材料构件制造技术
By www.cfrp.com.cn
在更重视节约能源的今天，树脂类复合材料（以下称为FRP，通常也称为玻璃钢）以其质量轻、强度高的特点，在大型结构部件上的应用得到了急速的发展。在三菱重工的诸如风力发电机叶片、飞机的结构部件、成套设备部件等多种产品领域也同样得到应用。将FRP用于大型结构部件时，拉伸强度和疲劳强度等材料物性指标与耐久性指标自不必说，以高度的适产性（工艺性好、效率高—译者注）制造出高质量产品是一个大的课题。
FRP的成型方法有手工铺层法、缠绕法、高压釜法（预浸料成型法）、树脂传递模塑法（RTM）等多种。本文介绍的是其中作为高质量大型FRP结构部件的制造法而备受瞩目，也被用于三菱重工风力发电机叶片的VaRTM成型法（即真空辅助树脂传递模塑：Vacuum assisted Resin Transfer Molding）。
1、VaRTM成型法的特点
VaRTM成型法的特点如图1所示。VaRTM成型法是指在成形型（成形模具—译者注）上首先铺设强化纤维基材（玻璃纤维或碳纤维等编织物），用塑料薄膜封闭后再抽成真空，然后将液状树脂注入，由负压原理使其完全浸入纤维基材各处并使其硬（固）化。这种FRP的成型法也是PTM法的一种。为方便树脂浸入（扩散）及获得较好的叶片表面，在强化纤维基材与成形型以及塑料薄膜之间分别使用了专用的网状罩布和剥离罩布。
VaRTM成型法特点是：不需要诸如压力釜等那样庞大且复杂的设备，大型结构部件可简单地一次成型以及有机溶剂的挥发量少，作业环境较好。与过去FRP结构件常用的手工铺层法相比，能够实现纤维含量高、气孔率低，所以FRP的成型高质量等等。
2、风力发电机叶片
三菱重工从1982年开发最初的商业用风力发电机（300kW级）以来，又陆续将450kW、600kW级风力发电机投入了市场。2003年开发了具有世界一流性能水平的MWT-1000A，至2004年末世界各地共有约1800台三菱制风力发电机在运转。2006年预计推出2400kW级超大型、高性能风力发电机（已经实现—译者注）。各类别风力发电机所用叶片的比较参见图2。
为尽量减轻重量，叶片材料使用玻璃纤维强化塑料（GFRP）。比较典型、与各级别风力发电机相匹配的叶片其长度有12米（250～300kW级风机用）、18～20米（450～600 kW级风机用）、27～30米（1000 kW级风机用）、36米（2000 kW级风机用）等三种（原文如此—译者注）。2005年末三菱重工完成了与2400kW风力发电机相匹配的长度超过40米的超大型叶片的制作。
对于风力发电机叶片，一般来说小型机用时要从成本优先考虑，较多地采用手工铺层法制作。而大型机的叶片对刚、强度要求较高，必须采用高压釜法（预浸料成型法）或VaRTM 成型法。从制作面积大、有一定壁厚要求等方面考虑，许多生产厂采用了VaRTM 成型法。
三菱重工在制作长度超过20米的大型叶片时使用VaRTM 成型法。图3显示了用VaRTM 成型法制作FRP叶片的情形。 用这种方法在制作长宽为30米×2.5米、最大厚度120毫米的叶片外皮时，只经过一次注入即能够完成成型。另外，由于使用了低粘度树脂并配置了多条树脂注入管线，使树脂注入及浸渍时间缩短，是一种生产效率较高的叶片制造技术。
叶片用的FRP成型树脂和强化纤维必须有足够的强度并适合于VaRTM方法成型，因此使用了具有热硬化性的树脂以及玻璃纤维的基材。
作为热硬化性树脂，从经济性、操作性和生产效率等方面考虑，使用通常的不饱和聚酯和乙烯酯。
从经济性考虑强化纤维用玻璃纤维。图4表示了作为纤维织物主体形态的编织纤维。由捻丝绑扎、排列整齐的纤维束的起伏很小，使得编织纤维的压缩强度大为提高。如图5所示，使用编织纤维的FRP的压缩破断强度要高于使用传统织物纤维的FRP。另外，由于可制作沿0°、90°、±45°等多方向（设置）及与网格基材等组合成多层织物，因此能够针对不同风力发电机的需求选择最适合的（编织纤维）基材。
结论
通用（机械）领域的复合材料制品日趋大型化，航空、航天设备所用的碳纤维强化玻璃钢制品（CFRP）也同样存在这种倾向。
使用VaRTM成型工艺不需要大量的设备投资，能够廉价地制造高质量的大型FRP结构部件，因此以欧美为中心正得到急速地发展。三菱重工也同样使用VaRTM成型法制作了长度超过40米的大型风力发电机的叶片。
充分利用此工艺方法，能够制造出大型的复合材料制品以满足社会不断高涨的需求。
原文发表于
三菱重工科技学报VOL.43 NO.1
原文著者：
新藤 健太郎：三菱重工技术本部长崎研究所材料及焊接研究室
川節 望： 三菱重工技术本部长崎研究所材料及焊接研究室
田北 勝彦： 三菱重工长崎造船所风力发电事业组
加藤 英司： 三菱重工长崎造船所风力发电事业组
原文参考文献：
（1） 复合材料活用辞典 日本复合材料学会编著 产业调查会出版（2001）
（2） 《风力发电装置用大型FRP叶片的开发》 川節等著
（3） 《三菱高性能大型风力发电设备》 藤川卓爾等著
（4） 《使用编织强化基材的树脂复合材料的强度特性》 新藤健太郎等著
译者简介：
徐 涛：华锐风电科技有限公司 项目部长 高级工程师 工学博士
林继刚：华锐风电科技有限公司 项目部副部长 工程师
刘世毅：华锐风电科技有限公司 项目经理 工程师
在更重视节约能源的今天，树脂类复合材料（以下称为FRP，通常也称为玻璃钢）以其质量轻、强度高的特点，在大型结构部件上的应用得到了急速的发展。在三菱重工的诸如风力发电机叶片、飞机的结构部件、成套设备部件等多种产品领域也同样得到应用。将FRP用于大型结构部件时，拉伸强度和疲劳强度等材料物性指标与耐久性指标自不必说，以高度的适产性（工艺性好、效率高—译者注）制造出高质量产品是一个大的课题。
FRP的成型方法有手工铺层法、缠绕法、高压釜法（预浸料成型法）、树脂传递模塑法（RTM）等多种。本文介绍的是其中作为高质量大型FRP结构部件的制造法而备受瞩目，也被用于三菱重工风力发电机叶片的VaRTM成型法（即真空辅助树脂传递模塑：Vacuum assisted Resin Transfer Molding）。
1、VaRTM成型法的特点
VaRTM成型法的特点如图1所示。VaRTM成型法是指在成形型（成形模具—译者注）上首先铺设强化纤维基材（玻璃纤维或碳纤维等编织物），用塑料薄膜封闭后再抽成真空，然后将液状树脂注入，由负压原理使其完全浸入纤维基材各处并使其硬（固）化。这种FRP的成型法也是PTM法的一种。为方便树脂浸入（扩散）及获得较好的叶片表面，在强化纤维基材与成形型以及塑料薄膜之间分别使用了专用的网状罩布和剥离罩布。
VaRTM成型法特点是：不需要诸如压力釜等那样庞大且复杂的设备，大型结构部件可简单地一次成型以及有机溶剂的挥发量少，作业环境较好。与过去FRP结构件常用的手工铺层法相比，能够实现纤维含量高、气孔率低，所以FRP的成型高质量等等。
2、风力发电机叶片
三菱重工从1982年开发最初的商业用风力发电机（300kW级）以来，又陆续将450kW、600kW级风力发电机投入了市场。2003年开发了具有世界一流性能水平的MWT-1000A，至2004年末世界各地共有约1800台三菱制风力发电机在运转。2006年预计推出2400kW级超大型、高性能风力发电机（已经实现—译者注）。各类别风力发电机所用叶片的比较参见图2。
为尽量减轻重量，叶片材料使用玻璃纤维强化塑料（GFRP）。比较典型、与各级别风力发电机相匹配的叶片其长度有12米（250～300kW级风机用）、18～20米（450～600 kW级风机用）、27～30米（1000 kW级风机用）、36米（2000 kW级风机用）等三种（原文如此—译者注）。2005年末三菱重工完成了与2400kW风力发电机相匹配的长度超过40米的超大型叶片的制作。
对于风力发电机叶片，一般来说小型机用时要从成本优先考虑，较多地采用手工铺层法制作。而大型机的叶片对刚、强度要求较高，必须采用高压釜法（预浸料成型法）或VaRTM 成型法。从制作面积大、有一定壁厚要求等方面考虑，许多生产厂采用了VaRTM 成型法。
三菱重工在制作长度超过20米的大型叶片时使用VaRTM 成型法。图3显示了用VaRTM 成型法制作FRP叶片的情形。 用这种方法在制作长宽为30米×2.5米、最大厚度120毫米的叶片外皮时，只经过一次注入即能够完成成型。另外，由于使用了低粘度树脂并配置了多条树脂注入管线，使树脂注入及浸渍时间缩短，是一种生产效率较高的叶片制造技术。
叶片用的FRP成型树脂和强化纤维必须有足够的强度并适合于VaRTM方法成型，因此使用了具有热硬化性的树脂以及玻璃纤维的基材。
作为热硬化性树脂，从经济性、操作性和生产效率等方面考虑，使用通常的不饱和聚酯和乙烯酯。
从经济性考虑强化纤维用玻璃纤维。图4表示了作为纤维织物主体形态的编织纤维。由捻丝绑扎、排列整齐的纤维束的起伏很小，使得编织纤维的压缩强度大为提高。如图5所示，使用编织纤维的FRP的压缩破断强度要高于使用传统织物纤维的FRP。另外，由于可制作沿0°、90°、±45°等多方向（设置）及与网格基材等组合成多层织物，因此能够针对不同风力发电机的需求选择最适合的（编织纤维）基材。
结论
通用（机械）领域的复合材料制品日趋大型化，航空、航天设备所用的碳纤维强化玻璃钢制品（CFRP）也同样存在这种倾向。
使用VaRTM成型工艺不需要大量的设备投资，能够廉价地制造高质量的大型FRP结构部件，因此以欧美为中心正得到急速地发展。三菱重工也同样使用VaRTM成型法制作了长度超过40米的大型风力发电机的叶片。
充分利用此工艺方法，能够制造出大型的复合材料制品以满足社会不断高涨的需求。
原文发表于
三菱重工科技学报VOL.43 NO.1
原文著者：
新藤 健太郎：三菱重工技术本部长崎研究所材料及焊接研究室
川節 望： 三菱重工技术本部长崎研究所材料及焊接研究室
田北 勝彦： 三菱重工长崎造船所风力发电事业组
加藤 英司： 三菱重工长崎造船所风力发电事业组
原文参考文献：
（1） 复合材料活用辞典 日本复合材料学会编著 产业调查会出版（2001）
（2） 《风力发电装置用大型FRP叶片的开发》 川節等著
（3） 《三菱高性能大型风力发电设备》 藤川卓爾等著
（4） 《使用编织强化基材的树脂复合材料的强度特性》 新藤健太郎等著
译者简介：
徐 涛：华锐风电科技有限公司 项目部长 高级工程师 工学博士
林继刚：华锐风电科技有限公司 项目部副部长 工程师
刘世毅：华锐风电科技有限公司 项目经理 工程师
