1 概 述
风电属极具发展潜力、发展最快的可再生能源。“目前，世界最大风力机的输出功率达6MW(叶轮直径126m，叶片长61.5m)、” [1] 7 MW(GE公司)甚至10 MW(英国正在试制)。[2]风力机叶片起着将风能转化为电能的作用，是风力机的关键构件。目前，叶片一般采用环氧复合材料(碳纤维或玻纤/环氧树脂)加工。随着风电业的迅猛发展，叶片的复合材料[注]消耗量逐年递增([注]:以环氧复合材料为主——笔者注)：以印度风力机叶片的复合材料消耗量为例(见表1)，2008年为2.596万t, 2006～2009年的增长率约28%;“我国2007年约7万t,年增长率约80%”[3]。随着风力机、树脂生产实践和科技的发展，环氧复合材料除了广泛用于加工叶片外，还加工叶片的模具和机舱罩、驱动轴，新近还出现了用于修复叶片的新趋势，等等，不一而足——真可谓不可或缺、用途广矣!
2 制造叶片用环氧树脂体系与成型工艺
2.1 环氧树脂、预浸料
乘风电业迅猛发展的大好形势，“世界顶级化工公司——德国BASF公司和美国Dow Epoxy System公司，都瞄准了风力机叶片市场，纷纷竞相推出叶片用环氧复合材料配套系列产品。”[5]
最近，江苏泰州市惠利电子材料有限公司与山东大学合作，研制成环氧树脂浇注料——叶片专用树脂[注]。该材料有7项性能指标达到或超过国外同类产品，质优、价格低于进口货，今年6月投产，预计明年产量达1 500t/a ([注]：此前，该树脂我国依赖进口)。[21] Risoe DTU公司宣布：帮助中国林业部门利用竹纤维(bamboo shreds)/环氧树脂试制叶片。[6]
AIRSTONE system风力机叶片用环氧产品(美国Dow Epoxy System公司)的性能好，通过了德国劳埃德(Germanischer Lloyd，GL)认证;此外，还有模具用环氧树脂、粘结剂等。其适用的成型工艺很多，如：真空灌注、湿法手糊等。真空灌注用低粘度环氧树脂的流动性极佳，可改善产品的力学性能、热敏性能。该产品可使叶片更强韧、轻质、易于生产。另讯：AIRSTONE牌环氧树脂、半成品有三种配方：①美国POLY-CARB Inc. 的配方;②美国GNS Technologies的配方;③德国UPPC AG的配方，可用于加工叶片;[2]该公司的Styrofoam牌绝缘材料也可用于加工叶片。[7]
瑞士Gurit公司推出两种叶片用环氧预浸料：①Spar Prog牌单向纤维预浸料，用于加工气泡少、质量高的厚层层压板，生产效率高;②WE91L牌预浸料，放热性低，低温(如：80℃)固化或120℃/65分固化，21℃环境里的贮存期为60d。[8]
德国BASF公司与德国Leuna-Harze公司[注]签约，合作生产叶片用环氧树脂(已通过德国劳埃德认证)，共同供应欧洲市场;同时也使BASF公司得到了长期原料供应的保障([注]:德国Leuna-Harze公司是欧洲领先的环氧树脂制造商，其产品有：普通环氧树脂、特种环氧树脂(如：双酚F环氧树脂)和各种活性稀释剂)。[1]目前BASF公司提供的叶片用双组分环氧树脂有：两种浸渍环氧树脂(infusion resin)，一种层压环氧树脂。[8]
EPOVIA™乙烯基酯树脂(Cray Valley公司和VVP公司)加工叶片的厚度5～15mm，长度达50m。层压板里的GF(或CF)含量65～70%。跟环氧树脂相比它的优点有：①物料的粘度较低：室温110cps;35℃<50cps(环氧树脂的物料则达1000cps);②固化性能较好，初始湿强度(initial green strength)尤佳。应该指出，湿强度对长条形复合材料制品(如：叶片、结构件)很关键。因为该制品必须经受住>120℃的后固化工艺(要求快速提高到最大固化速度和固化性能)，模具材料每天必须在>120℃的高温环境里暴露6～8h。该树脂能快速提高湿强度，模具的成本也较低。总之，作为叶片的粘结基材，该树脂优于市售普通环氧树脂。[9]
2.2 辅助材料
拜耳公司利用CF/环氧树脂、纳米碳管填料等加工叶片，可使叶片长度超过60m，并大大减轻重量，例如：利用不到20kg新材料[纳米碳管填料等——编者注]，就可使叶片重量减轻3t。[10]
SGL集团把CF和其他高性能纤维制品等科学地应用到复合材料里，为设计理念开发出创新的、最佳解决方案，例如：把Sigrafil C牌碳纤维、UD预浸料用来增强叶片，效果很是理想。[11]
BASF公司生产Baxxodur牌叶片用环氧树脂的固化剂、促进剂和添加剂。Baxxodur牌胺固化剂通过了德国劳埃德认证，将用于下一代环氧树脂。[8]XTEND牌叶片用水性脱模剂(美国Axel塑料研究试验室)，由Xtand WS-47水性密封膜(sealer)和Xtand W7838D表面无光脱模膜组成，环保，强度高(满足环氧、不饱和聚酯树脂成型工艺的要求)。密封膜和脱模膜都是喷射在室温(或加热)的模具型面上，可使制品产生无光表面。该剂具有阻燃、无气味、快干、快固化的特性。[7]
2.3 芯 材
近来常州天晟新材料股份有限公司研制成Strucell结构泡沫芯材[注]，以乙烯基聚合物为基础，具有芳香酰胺聚合网络修正的刚性交联结构，刚度、强度、抗疲劳性和抗冲击性都优良，耐多种化学物质，几乎不吸水，隔音、隔热;可与多种纤维复合结构加工成芯材(如：叶片的结构泡沫芯材)、夹芯复合材料。其性能达到国际先进水平，通过了GL认证([注]：此前，该芯材我国依赖进口)。[12]
AIREX牌芯材、BAALTEK牌巴尔萨木(balsa)(Alcan Composites公司)可用于加工叶片(另讯：Alcan Composites公司在上海Tang Zhen(唐镇)工业区建成了“Alcan复合材料芯材中心”，具有AIREX牌芯材、BAALTEK巴尔萨木和其他芯材生产线。其目标是向中国和亚太地区提供主要用于风力机叶片的前沿复合材料芯材。)[13]瑞典利用聚对苯二甲酸乙二酯(PET)做叶片芯材，可回收，回收料的性能、强度如初。[6]
2.4叶片壳体用环氧胶粘剂[14]
2.4.1概 述
从横断面看，叶片基本上是主梁加壳体(又称：蒙皮)的结构形式，分为两种：①整体叶片：主梁是方形断面的整体箱型梁，整体壳体，利用环氧胶粘剂将二者胶合成整体;②分体叶片：主梁是两根工字梁，有两“半”壳体(上、下壳体)，利用环氧胶粘剂将上、下壳体和两根工字梁牢固地胶合成整体。
上述胶粘剂承受着极大载荷、工作环境恶劣，因此，其性能要求极高、苛刻。该剂一般选用触变材料，如：双组分(即：环氧树脂+固化剂)粘结剂。工艺要求：当其涂敷厚度>20～30mm时，立即呈现非流挂(下垂)状态(“non-slump ”properties)，并持续到产生凝胶(或下一个固化工序)时都维持着初始状态。
2.4.2 触变胶粘剂
(1)“物理触变”胶粘剂
往胶粘剂里添加触变剂(如：气相法白炭黑)，可快速使物料呈现非流挂状态(“non-slump ”texture)。当物料承受高剪切载荷(如：树脂与固化剂混合、工艺操作)过程中，物料上的合成应力会降低它的粘度，导致物料胶凝以前，破坏伸长了的物料形态(extruded texture)。许多情况下，配料过程(mixture)会降低物料的结构性能。因此，只有除掉物料的应力时，方可进行配料工序——这是现行“物理触变”为基础的材料的缺陷和局限性之一。
双组分材料的粘度很高，为了降低粘度，需采用高性能泵来进行输送。由于受风力劲吹，风力机叶片才得以驱动、运行。这样，势必使叶片持续产生复杂、大的振动和扭曲。叶片壳体里的胶粘剂一旦产生破损迹象，就不能再承受应力，否则势必使叶片内复合材料结构破坏、损毁以致叶片报废。
(2)“化学触变”胶粘剂
新颖“化学触变”胶粘剂(专利)，双组份，二者混合时当添加特定的、表面有酸性物质(acid entities)的填料时，呈现高分子量阳离子聚合物质子化现象，系统即刻呈现物理交联结构。该剂的粘度低，可以靠其自重(不用泵)进行输送。当被涂敷在垂直面上，承受着高剪切应力状态时，环氧树脂和固化剂不会急剧改变各自的粘度。本研究有下述三种胶粘剂系统：
系统1：环氧树脂+“化学触变”型固化剂1;
系统2：环氧树脂+“物理触变”型固化剂2，后者添加了大量气相法白炭黑碱性(based)触变剂，它垂直面上的抗流挂性(sag resistance)与系统1相同;
系统3：环氧树脂+“物理触变”型固化剂3，后者添加了大量气相法白炭黑碱性触变剂，在低剪切率下它的初始混合粘度大约与系统1相当。
研究说明：经过不同剪切冲击试验(低剪切→高剪切→低剪切…)和应力恢复期后，“物理触变”型系统的最终粘度较低;“化学触变”型系统1剪切冲击试验前、后的粘度相同。显然，上述两种技术的应力恢复期是不同的。“化学触变”型系统混合物料时产生应力恢复，涂敷后也立即产生(builds up)应力恢复。“物理触变”型系统里添加触变剂，可产生粘结结构(the structure d)。当承受高剪切率时，上述结构部分地被破坏，而且不能快速恢复。[14]
(3)纳米粒子的协和效应
研究发现，环氧树脂与一些特定的纳米有机粒子相混合后，会产生协和效应——显著提高材料的韧性。[14]某些纳米粒子与特定固化剂混合后，显著提高材料的韧性，但不降低热性能，对初始粘度的冲击也不大。[15]一般双酚A环氧树脂固化后较脆，温度敏感性较高，力学和热学性能较低。纳米碳管具有独特的物理性能：密度很小(钢的1/6)、高强度(拉伸强度50～200GPa[钢的100倍])、高模量(600 GPa)和优异的柔软性，是前者的理想增强材料。这并不是有机相与无机相的简单加和，而是纳米碳管和环氧树脂在纳米范围内结合形成，界面间存在较强或较弱的化学键，实现集无机、有机、纳米粒子的诸多特异性能于一体的崭新复合。纳米碳管是强催化剂，可降低树脂的反应温度。当材料受力、破坏时，其优异的柔软性可吸收能量，提高树脂的强度。[27]Araldite™ EP1000AB新型纳米增韧环氧胶粘剂(Huntsman公司)，含特种分散型有机纳米粒子(亚微级)，可抑制微裂纹扩大，同时使连续固化的环氧基体耐高温。选用特种固化剂，不用热压罐，低于100℃固化;室温储存期>6个月。力学性能优异，使用简便，可用于粘结、修补叶片等。[16]
2.5新颖的FRP成型工艺
2.5.1微波固化工艺
微波固化具有独特的“场效应”和快速“体加热”特性，因而粘结剂固化速度快且均匀、粘结质量高，在快速修复飞机等航空装备中具有巨大潜力。 [28]FRP叶片、叶片模具的厚度和面积都较大，因此，物料固化过程中热量散布困难且不均匀，传统的固化工艺(电加热原理)无法快速而均匀地把热量传递到物料内部。德国ITC(弗劳恩霍夫化学研究所)利用树脂可吸收微波的原理，研究成用于碳纤维复合材料的微波固化工艺。研究说明，微波加热的复合材料物料的粘度较低，使其室温下变硬速度较慢，纤维更易融入树脂基体里，工艺修正时间很宽裕。该工艺的效率高、制品质优，废品、污染物极少，但对固化物件的安放位置要求精准、严格。[17]
2.5.2快步工艺(quickstep)[18]
快步工艺(西澳大利亚尼尔˙格拉哈姆发明)，利用流体(如：水)的热传导，通过流体震动，工作压力1～4磅/英尺2，高压炉的工作压力60～200磅/英尺2，属独特的充液、平衡压力、流动塑造工艺。加工时间约1h，可加工层压板、蜂窝式和泡沫芯夹层结构等制品。制品里的纤维含量很高(>70%)，孔隙含量极少，质量和性能优异。
3 修复叶片用环氧树脂体系
3.1正运行叶片破损自修复环氧树脂体系
3.1.1概 述
由于风力机的安装高度很高，人手根本够不着，而且叶片正处于运转状态，若叶片出现破损[注]，根本不可能进行修复([注]：风力机叶片在野外长年累月运转，不仅承受着强大的风载荷，还经受着大气冲刷、砂石粒子冲击、强烈的紫外线照射等恶劣环境侵蚀，从而老化、折断、分离以致破坏。[19])。其唯一根本的解决方案就是：叶片(具体地说叶片壳体表层)材料自身具有自修复功能机制。这里所指的“破损”只限于肉眼不能明显察觉的裂纹、微孔、表皮瑕疵。该瑕疵虽然微小，若不及时修复，在恶劣环境腐蚀、紫外线照射下，势必扩大、蔓延以致破坏整个叶片，酿成风力发电严重事故。
3.1.2自修复环氧树脂体系
英国Bristol大学宇航工程系与Hexcel Composites公司，共同研制成叶片自修复技术(模拟修复技术)[注]。叶片材料是CF/环氧树脂。叶片壳体表层里面镶嵌着许多粗空心玻纤，空心玻纤里盛着环氧树脂体系(环氧树脂、潜伏性固化剂和抗紫外线剂等)。当叶片壳体表面出现肉眼不能明显察觉的裂纹、微孔、表皮瑕疵时，空心玻纤里盛的环氧体系立即溢出，弥封住裂纹(或微孔)，进而蔓延、覆盖着破损区域。此刻，环氧树脂与潜伏性固化剂和抗紫外线剂互相掺混，产生固化反应而固化。从而使叶片的结构整体性得以恢复，达到叶片原始强度的80～90%([注]：此外，该技术主要用于修复飞机、宇宙飞船、汽车等)。预计，该技术将在宇宙飞船上会很快推广应用，未来5年内将商业化。另外，美国伊利诺伊大学已进行了类似的研制项目，但选材不同：树脂是双环戊二烯，潜伏性固化剂含稀有金属钌。[20]
瑞士GURIT公司和Composites One公司共同研制成一种修复材料—修复正运行的风力机叶片的一般性破损，其性能优异已获得德国劳埃德(GL)、Det Norske Veritas(DNV)、OEM的审批。预计很快会在美国风电叶片业推广应用。[21]
3.2 修复召回有瑕疵叶片的实例
印度Suzlon Energy Ltd公司是印度最大的风力机制造公司。它在美国生产的一些S88牌功率为2.1MW、三叶式风力机叶片，被发现存在裂纹、瑕疵的严重事故，于是决定“召回”——必须立即解决叶片的结构强度问题。估计此召回需耗资2 500万美元，修复时间超过6个月。共计召回1 251片(417套[注])：其中930片(310套)已经安装在风力机上;其余(321片[107套])则正在运输中或仓库里([注]：三叶式风力机是三片(一套)叶片安装一台风力机)。[22]
4 叶片模具用环氧树脂体系
4.1叶片模具用环氧粘结剂、预浸料
环氧树脂满足高温模具和灌注成型工艺要求，最适合用于加工叶片的模具，例如：①美国Dow Epoxy System公司生产的AIRSTONE system环氧树脂、粘结剂等[1];②有的叶片模具的上、下模是灌注成型玻纤(或碳纤维)织物/环氧树脂——瑞士Solent复合材料公司(SCS)(现称：Gurit公司)。环氧树脂还可用作叶片模具的表面胶衣——Sika公司。[15]
Amber复合材料公司于2008年9月选用经特殊设计纳米改性低温固化环氧树脂体系，推出HX90N牌模具[注]用预浸料([注]：铝、环氧树脂等不同材料的模具)，可提高模具表面的平整度、光洁度和无点蚀，从而缩短模具达到A级表面精度的时间，延长模具的有效使用期。它具有极好的流挂(下垂)性，使用方便，易于成型复杂形状制品。[23]
4.2 叶片模具用环氧胶粘剂
BC5009新型低粘度环氧胶粘剂/积层树脂(BBC公司)，用于模具、零件的粘结。材料里含着色剂[注]，无填料，高性能、易操作，适用期30min([注]：起着胶粘剂厚度[颜色]指示作用)。[24]
5 风力机环氧树脂复合材料机舱罩、整流罩
利用环氧树脂复合材料的优异性能，研制成1.5MW大型风力机的机舱罩、整流罩，并实现了产业化批量生产。[25]风力机3D夹层结构复合材料机舱罩，采用三维(3D)夹层结构复合材料、Ω型(或T型)加强筋，该罩的重量比实心结构复合材料机舱罩轻40%～50%，强度很富裕，轴向压力稳定性很好，有效使用期30a。[26]
6 FRP叶片的材料回收与更新近况[6]
6.1 概 述
热固性树脂(如：环氧树脂等)固有的重要本性是：固化后成为不溶不熔、网状、体形结构，坚硬且受热不再变软，不可回收，成为一个严重污染源——当今世界亟待攻克的环保课题之一。纤维增强热固性树脂(FRP俗称玻璃钢)里含有大量(约30%)热固性树脂，因而具有上述污染性能。从环保、长远观点看，热固性树脂、FRP的发展前景黯淡，纯属“夕阳材料”;惟有热塑性树脂、FRTP才是发展方向!
当今风电业突飞猛进，眼下世界风电量是1980年的10倍;同时，风电叶轮直径超过60m，增长了8倍。风力机叶片的材料消耗量很大，例如：按风力机装机容量计算，每KW的叶片材料重量为10kg;按风力机输出功率计算，每MW的叶片材料重量为10t(原文的数据：每7.5MW的叶片材料重量为75t)。Albers预计：2034年世界回收叶片材料约22.5万t/a。另一专家预测：2040年世界回收纤维增强复合材料约38万t/a。[6]
风电业起步较晚，再有FRP叶片的有效服务期为20～25年。因此，目前绝大部分叶片离退役还早呢!然而，未雨绸谋，一些发达国家眼下就进行了许多关于FRP叶片的材料回收与更新的研究、探讨。实践说明，回收纤维不应再充当叶片的增强纤维，因为后者的性能要求极高、苛刻。报废FRP叶片大致分为两大类：①叶片生产、运输、仓贮、运行过程中产生，又修复不好的次品;②到期退役的叶片。目前，世界范围内废FRP叶片的量还很小，例如：目前丹麦每年废FRP叶片仅500t/a [注],可见一般([注：] 目前丹麦每年废FRP总量约5 000t/a, 其中来自FRP行业报废的4 000t/a、废FRP叶片500t/a、废玻纤500t/a。)!显然，目前FRP叶片市场尚处于孕育、培养过程中;也没有适用于全欧洲的有关回收FRP叶片的法律。有专家预测：15～20年后将出现FRP叶片报废、回收高峰期。
6.2 FRP叶片回收工艺
FRP叶片回收工艺大致有三种：填埋法、焚化法和回收法。
6.2.1填埋法
直接把废FRP叶片埋到地下。简单易行，成本极低，但占据地盘(土地不可再生)，污染源依然如故，只不过被一层薄土掩盖住了而已。因此2005年6月德国颁布了禁止填埋FRP的法令。当今丹麦大部分废FRP叶片都填埋掉。1995年丹麦通过了禁止填埋、丢弃汽车轮胎的法律，于是回收废轮胎行业应运而生。该国人民呼吁将该法律套用到废FRP上，但政府却答复：这难题让市场去解决吧!
6.2.2 焚化法
把废FRP叶片焚烧掉(如：在热电厂焚烧)。所产可燃物质可用于发电和回收热能，产的残渣率约60%，残渣中的玻纤可作FRP填料。
6.2.3 回收法
回收法可分为物理回收和化学回收。
(1)物理回收
2003～2005年欧洲有的研究单位进行了机械回收FRP(包括FRP叶片)研究：把FRP研磨碎，回收纤维被再利用。丹麦Erik Grove-Nielsen公司机械回收FRP：挤压废FRP，回收纤维的拉伸强度不会降低。
REACT国际协会设计、研制能加工出理想规格纤维的(fit-for-purpose-size-reduction)混杂纤维梳散机(a hybrid shredder),其产量约2.5t/d。其原理、工序是：①用锤猛击废FRP，使树脂与纤维剥离，确保纤维(指回收纤维，下同)长15～25mm，且内伤最小(“minimal internal damage”);②纤维再生工艺(a reactivation)：用新化学粘结剂处理纤维表面，从而提高它与新基材的粘结性能;③清除纤维表面的杂质(杂质会降低纤维与基材的粘结性);④纤维按长度分等级。
(2)化学回收
化学回收有溶剂溶解工艺和高温分解工艺等。下面试举后者的一个实例。
丹麦ReFiber公司的高温分解与气化工艺(pyrolysis and gasification)：将废FRP连续喂入无氧回转焚化炉(oxygen-free rotating oven)，废FRP在无氧气氛中高温(500℃)焚化后，所产合成煤气(synthetic gas, 废FRP里树脂焚化产物)用于发电或供应焚化炉;回收GF与少量PP纤维混合后喂入加热炉，PP纤维熔化并涂敷GF表面，成为稳定的保温板坯(stable insulation slab)。另外，利用高温分解工艺，从CF/环氧预浸料回收的CF，与原始值相比，其弹性模量不变，最大拉伸强度下降5%。[6]
6.3 FRP叶片的材料更新近况
一般地说，FRP叶片污染环境的解决办法就是：材料更新换代——用热塑性树脂取代传统的热固性树脂来加工叶片。“热塑性树脂及其复合材料(FRTP)可以回收且轻(跟环氧树脂相比)，但易发生蠕变，用胶粘剂胶结FRTP壳体比较困难。因此，不适于加工大型风电机叶片。”[2]实践说明，用普通FRTP加工小功率(如：5KW)叶片，可以胜任;但加工更大功率(如：MW级)的叶片就成问题——这就必须选用高性能FRTP加工。这也就是说，传统FRP叶片材料的更新换代，必须进行一系列科学实验、研究——系统工程，方能成功。下面试举实例：例一：“Gaoth Teo、三菱重工和Cyclics公司合作，选用CBT™树脂(低粘度工程热塑性树脂)、无害环氧树脂和一种增强型添加剂等，破天荒地研制成可回收[注]、长12.6m风力机叶片。([注]：平均每台风力机回收叶片材料19t)”[2]例二：瑞典利用聚对苯二甲酸乙二酯(PET)做叶片芯材。PET可回收，而且回收料的性能、强度如初。例三：Risoe DTU公司宣布：帮助中国林业部门利用竹纤维(bamboo shreds)/环氧树脂试制叶片。后来，因环氧树脂不可回收，又希望进一步用生物粘结剂(bio-based adhesive)取代上述环氧树脂。[6]
7 小 结
抛砖引玉，综上所述可粗浅地得出以下几点管见：
(1)风力机叶片在野外长年累月运转，不仅承受着强大的风载荷，还经受着大气冲刷、砂石粒子冲击、强烈的紫外线照射等恶劣环境侵蚀，从而导致老化、折断、分离以致破坏、报废。作为受力构件，在整个有效使用期(一般使用寿命为20～25年)内，不允许出现折断、分离严重质量事故。[19] 风力机叶片业界科技人员的责任就是：明察秋毫、防微杜渐、确保杜绝上述事故的发生。上述S88牌风力机叶片召回事件，其数量之大、情节之严重、损失之惨重，实属世界风电叶片发展史罕见?!前车覆，后车诫!
(2)科技发展具有其固有的客观发展规律，同时人的主观能动性能也促进科技的发展进程。风力机叶片自修复技术、材料实属新颖、前沿科技。目前，我国风电叶片业正处于消化、研制的历史阶段，自顾不暇，尚未迈入叶片自修复历史进程的门槛。见先进就学。因此，我国有必要对此予以特别关注、学习、研究，以求快速追赶该领域的先进水平。
(3)目前，我国大型风力机叶片的主要原材料(包括环氧树脂—笔者注)还依赖进口，材料的开发能力较低，不适应发展要求，阻碍叶片的快速发展，亟待突破这一瓶颈。[19]
(4)从环保、长远观点看，热固性树脂、FRP的发展前景黯淡，纯属“夕阳材料”;惟有热塑性树脂、FRTP才是发展方向!上面§6介绍了国外回收FRP叶片近况。相比之下我国在这方面的差距很大。风电业突飞猛进，时不我待，是时候了，我国该把“FRP叶片回收课题”和“FRTP叶片研制课题”提到议事日程上啦!
参 考 文 献
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鲁ICP备2021047099号