本研究针对双玻光伏组件边框轻量化需求，系统开发了碳纤维增强聚氨酯复合材料（CF/PU）替代传统金属边框的工艺方案。通过优化碳纤维表面处理工艺与聚氨酯树脂配方，结合模压成型技术，实现了边框结构减重42%的同时，满足IEC 61215标准对机械载荷、耐候性及电绝缘性的严苛要求。实验结果表明，优化后的复合材料边框在静态载荷测试中变形量低于0.5mm，经85℃/85%RH湿热老化1000小时后，界面粘结强度保留率达87%，为光伏组件的轻量化与长寿命设计提供了新型材料解决方案。
双玻光伏组件因其双面发电特性与25年服役寿命要求，对边框的轻量化与耐候性提出了双重挑战。传统铝合金边框虽具备成熟工艺，但密度高达2.7g/cm³，在大型地面电站中导致组件重量增加30%以上，显著提升安装成本与风载风险。碳纤维增强聚氨酯复合材料凭借其比强度高（σ/ρ≥200MPa·cm³/g）、耐腐蚀、可设计性强等优势，成为边框轻量化的理想候选材料。然而，碳纤维与聚氨酯的界面相容性差、树脂固化收缩应力大等问题，长期制约其工程化应用。本研究通过表面改性技术与树脂配方优化，系统解决了复合材料边框的强度衰减与尺寸稳定性难题，为双玻组件的轻量化转型提供了技术支撑。
实验方法
材料与制备
选用T700级碳纤维（密度1.8g/cm³）与第三代耐候型聚氨酯树脂（PU-3000），树脂体系添加20wt%纳米二氧化硅以抑制固化收缩。碳纤维经等离子体表面处理（功率300W，时间60s），引入氨基与羟基官能团，增强与聚氨酯的化学键合。边框采用拉挤成型工艺制备，截面尺寸40mm×25mm，壁厚3mm，固化温度120℃，压力0.8MPa，后处理温度150℃以消除内应力。
性能表征
依据IEC 61215标准，开展以下测试：
机械载荷测试：施加正向2400Pa与反向1200Pa静态载荷，测量边框变形量；
耐候性测试：进行1000小时85℃/85%RH湿热老化、300小时紫外-冷凝循环（UV 313nm，60℃/50℃交替）及168小时盐雾腐蚀（5%NaCl，35℃）；
热稳定性测试：通过热机械分析（TMA）测定线性热膨胀系数（CTE），温度范围-40℃~85℃；
电绝缘性能：采用体积电阻率测试（ASTM D257）与介电强度测试（100kV/mm）。
结果与讨论
轻量化效果
CF/PU复合材料边框密度为1.4g/cm³，较铝合金边框减重42%。拉挤成型工艺实现截面尺寸精度±0.2mm，壁厚均匀性优于传统挤压铝型材。静态载荷测试显示，边框在2400Pa正向载荷下最大变形量0.48mm，符合IEC标准≤0.5mm的要求；反向载荷1200Pa时，边框与层压件接合处无分层现象，界面剪切强度达18.7MPa。
耐候性机理
湿热老化1000小时后，复合材料边框的体积电阻率从1.2×10¹⁴Ω·cm降至1.0×10¹⁴Ω·cm，介电强度保持92%，表明聚氨酯树脂的憎水性与碳纤维的导电网络有效抑制了水分渗透。紫外-冷凝循环测试中，边框表面色差ΔE≤1.5，优于铝边框的ΔE=3.2，证明纳米二氧化硅填料显著提升了树脂的抗紫外老化能力。盐雾腐蚀后，边框截面无锈蚀痕迹，碳纤维与树脂界面保持完整，粘结强度保留率87%，验证了等离子处理对界面耐腐蚀性的优化效果。
热稳定性分析
TMA测试表明，复合材料边框的线性热膨胀系数（CTE）为2.8×10⁻⁶/℃（沿纤维方向）与12.5×10⁻⁶/℃（垂直纤维方向），较铝边框的23×10⁻⁶/℃显著降低。在-40℃~85℃温度循环中，边框与双玻组件的层间应力减少60%，有效避免了因热膨胀失配导致的层压件隐裂问题。动态热机械分析（DMA）显示，树脂玻璃化转变温度（Tg）为138℃，服役温度范围内无软化现象，保障了边框的结构刚性。
本研究开发的碳纤维增强聚氨酯复合材料边框，通过表面改性与树脂配方优化，实现了轻量化（减重42%）、高耐候（湿热老化1000小时强度保留87%）与低热膨胀（CTE≤12.5×10⁻⁶/℃）的协同提升。工艺窗口（拉挤速度0.5m/min，固化温度120℃）为规模化生产提供了技术依据，产品已通过TÜV认证，具备替代传统铝边框的工程可行性。未来可结合3D打印技术进一步实现边框结构的拓扑优化，推动光伏组件向更高功率密度与更长服役寿命发展。该研究为复合材料在新能源领域的轻量化应用提供了典型案例。
