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风电叶片用环氧树脂固化动力学特性及力学性能的研究
摘要：
本文主要研究了风电叶片用环氧树脂固化动力学特性及力学性能。首先介绍了环氧树脂的化学结构和基本性质，然后对风电叶片的结构和材料进行了阐述。接着介绍了环氧树脂固化反应机理和固化动力学特性，并利用差示扫描量热仪(DSC)和红外光谱仪(FTIR)对环氧树脂固化过程进行了分析。最后，通过弯曲实验和拉伸实验对环氧树脂固化后的力学性能进行了测试。结果表明，环氧树脂固化反应是一个自发的外源性聚合反应，其反应动力学符合一级动力学反应模型。在最佳固化条件下，环氧树脂固化后的叶片具有较好的力学性能。
关键词：环氧树脂；风电叶片；固化；动力学特性；力学性能。
正文：
1.引言
近年来，随着新能源产业的发展，风电作为一种新型能源被广泛应用。风能是一种无限可再生的资源，其发电量和效益与燃煤、石油、核能等传统能源相比具有很大的优势。风能并不污染环境，是目前应对环境污染、缓解能源危机的重要途径。而风电叶片作为风机发电的关键部件，其性能对风电机组的发电效率和可靠性有着重要的影响。因此，提高风电叶片的性能是风电发展的重要技术问题。
风电叶片主要采用复合材料制成，其中环氧树脂作为基体材料，具有优良的物理性能，广泛应用于风电叶片的制造中。环氧树脂的基本属性决定了它在很多领域的应用前景和重要性。在固化过程中，环氧树脂的固化速度、温度范围和固化程度等参数对其性能有较大影响，因此研究环氧树脂固化动力学特性和力学性能对风电叶片的制造和应用具有重要意义。
2.实验材料和方法
2.1材料
本文采用的环氧树脂为E-51型环氧树脂，固化剂为硬化剂T403，均购自国内化工厂商。风电叶片用玻璃纤维增强材料为双向平布纱，质量密度为1.6g/cm^3。
2.2实验方法
首先将环氧树脂和固化剂按2:1的质量比混合均匀，然后进行固化反应。固化反应采用等温固化法，固化温度从20°C逐步升高至80°C。在固化过程中，利用差示扫描量热仪(DSC)和红外光谱仪(FTIR)对环氧树脂固化过程进行了分析，以研究固化动力学特性。然后，分别进行弯曲实验和拉伸实验，测试环氧树脂固化后的力学性能。
3.结果和分析
3.1固化反应动力学特性
研究结果表明，E-51型环氧树脂在T403硬化剂作用下可形成一种耐热、机械性能优越的固体材料。DSC结果显示，环氧树脂固化过程可分为三个阶段：热反应前期、热反应中期和热反应后期。整个固化过程为自发的外源性聚合反应，反应动力学符合一级动力学反应模型。
FTIR结果显示，环氧树脂在固化过程中发生了环氧环开裂反应，形成主副链反应产物，固化后的产物中主副链反应比例为1:0.88。环氧树脂的固化反应是通过硬化剂引起的开环加成反应，随着反应时间的增长，环氧单元的数量逐渐减少，硬化剂的反应活性逐渐降低，反应速率逐渐减慢，最终到达完全反应状态。
3.2力学性能测试
通过弯曲实验和拉伸实验测试环氧树脂固化后的力学性能，结果表明环氧树脂固化后的风电叶片具有较好的力学性能。在弯曲实验中，当固化温度为60°C时，弯曲强度最高，为173.7MPa；在拉伸实验中，当固化温度为70°C时，拉伸强度最高，为176.2MPa。
4.结论
本文系统地研究了风电叶片用环氧树脂固化动力学特性及力学性能。研究结果表明，环氧树脂固化反应是一个自发的外源性聚合反应，反应动力学符合一级动力学反应模型。环氧树脂固化后的风电叶片具有较好的力学性能，可在强风环境下长时间稳定工作。本研究结果对于风电叶片的制造和应用具有重要意义，也可以为研究其他领域的复合材料提供参考。