風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片復(fù)合材料性能研究*

李啟冬，李新梅，舒冠華（新疆大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，烏魯木齊 830047）

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風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片復(fù)合材料性能研究*

李啟冬，李新梅，舒冠華
（新疆大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，烏魯木齊 830047）

摘要：采用真空袋壓成型工藝，以環(huán)氧樹脂為基體，玻璃纖維為增強(qiáng)材料，制備風(fēng)機(jī)葉片用玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，用巴氏硬度計和萬能試驗機(jī)測試其力學(xué)性能。結(jié)果表明，其巴氏硬度平均值為59.95 HBa，壓縮彈性模量平均值為28.15 GPa，壓縮強(qiáng)度平均值為337.85 MPa，其壓縮強(qiáng)度是拉伸強(qiáng)度的60%，說明其抗拉不抗壓；較厚試樣的平均彎曲強(qiáng)度和平均彎曲彈性模量相對較低。

關(guān)鍵詞：風(fēng)機(jī)葉片；復(fù)合材料；力學(xué)性能

人類利用風(fēng)能已有幾千年歷史，風(fēng)能再次得到重視是在工業(yè)革命造成環(huán)境污染之后，開發(fā)風(fēng)能等清潔而用之不竭的可再生能源成為全球關(guān)注的焦點［1］。風(fēng)機(jī)葉片技術(shù)是風(fēng)機(jī)的最核心技術(shù)，葉片的設(shè)計、材料和工藝決定風(fēng)力發(fā)電裝置的性能和功率［2］。目前制造大中型風(fēng)機(jī)葉片材料主要是玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，也有碳/玻復(fù)合材料和碳纖維復(fù)合材料，但由于碳纖維價格較高，工藝復(fù)雜，限制了其大規(guī)模應(yīng)用［3-5］。

風(fēng)機(jī)葉片成型技術(shù)主要有手糊成型、模壓成型、預(yù)浸料成型、拉擠成型、纖維纏繞、樹脂傳遞模塑以及真空灌注成型、真空導(dǎo)入成型等［6］。真空灌注成型是制造玻璃纖維增強(qiáng)樹脂的主要方法，真空袋壓成型工藝是其中一種，能適應(yīng)聚酯、環(huán)氧樹脂和酚醛樹脂體系，具有成本低、成型周期短、制品質(zhì)量高等優(yōu)點［7-8］。

目前對風(fēng)機(jī)葉片的研究主要側(cè)重于結(jié)構(gòu)性能方面，對葉片材料力學(xué)性能的研究較少，筆者采用真空袋壓成型工藝制備風(fēng)機(jī)葉片用玻璃纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料，著重探討了復(fù)合材料的硬度、壓縮及彎曲性能［9-11］。

1 實驗部分

1.1 原材料

環(huán)氧樹脂（EP）：MGS RIMR035C，瀚森化工企業(yè)管理上海有限公司；

固化劑：MGSRIMH037，瀚森化工企業(yè)管理上海有限公司；

E玻璃纖維布：三軸向（0°，±45°），1 200 g/ m2，常州天馬集團(tuán)有限公司建材二五三廠。

1.2 儀器及設(shè)備

巴氏硬度計：GYZJ934-1型，美國巴勃考曼公司；

微機(jī)控制電子萬能試驗機(jī)：CMT5305型，深圳市新三思計量技術(shù)有限公司。

1.3 試樣制備

按照葉片材料的成分比例即樹脂∶玻璃纖維=4∶6進(jìn)行制備。在保證模具干凈不漏氣下，鋪上一層脫模紙，將玻纖布鋪疊6層后，放一層脫模紙，再鋪上一層真空袋膜。將整個裝置抽真空，把EP及固化劑按質(zhì)量比為100∶28配比后，往模具中澆注直到充滿玻纖布，再保壓固化8 h脫模，然后繼續(xù)在80℃下固化6 h［12］。

1.4 性能測試

表面硬度按GB/T3854-2005用巴氏硬度計測試；

壓縮性能按GB/T 1448-2005測試，試樣尺寸為10 mm×10 mm×30 mm，加載速度為3 mm/ min，測試5個試樣取平均值；

彎曲性能按GB/T 1449-2005測試，考察試樣厚度對彎曲性能的影響，有5 mm和10 mm兩種厚度，分為A，B兩組，每組各測5個試樣。試樣的編號、纖維層數(shù)及尺寸大小如表1所示，A組試樣跨距80 mm，B組試樣跨距160 mm，加載速度為10 mm/min。

表1 彎曲試驗的試樣纖維層數(shù)及尺寸

2 結(jié)果與討論

2.1 巴氏硬度測試

為了保證實驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，試樣表面取20個點測試硬度值，單個測試值x1，x2，x3…x20分別為68，56，40，65，60，60，54，60，65，52，63，59，61，63，58，60，61，66，59，69 HBa。

巴氏硬度測試值的算術(shù)平均值：

其標(biāo)準(zhǔn)差：

離散系數(shù):

這組數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差及離散系數(shù)都較小，說明數(shù)據(jù)的離散程度及差異程度較小，即所制備的玻璃纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料表面缺陷少，完整性好。

2.2 縱向壓縮試驗

試樣的縱向壓縮載荷-位移曲線如圖1所示，試樣所發(fā)生的形變基本上是隨施加載荷的增加而增加，破壞載荷為32 165 N，最大位移為1.5 mm。在0.13～0.3 mm，1.4～1.5 mm變形區(qū)間曲線基本上都類似拋物線，而在0.3～1.4 mm變形區(qū)間曲線類似直線。

圖1 縱向壓縮載荷-位移曲線圖

由所測實驗數(shù)據(jù)，可計算出試樣的縱向壓縮彈性模量平均值為28.15 GPa，壓縮強(qiáng)度平均值為337.85 MPa，同時測得試樣平均拉伸強(qiáng)度是580 MPa，壓縮強(qiáng)度大約是拉伸強(qiáng)度的60%。連續(xù)纖維能承受很大的拉力，卻不能承受太大壓力，只有纖維足夠短，且達(dá)到一定的穩(wěn)定性，才能承受一定的壓力。本次試驗的增強(qiáng)材料是柔軟的纖維布，纖維布與樹脂基體粘成一個整體時才能承受一定的壓力作用，故承受縱向壓力能力差。但纖維布具有一定的抗拉能力，所以玻璃纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的壓縮性能要低于其拉伸性能。

試樣加載初期，外觀無明顯形變；隨著載荷增大，試樣逐漸被壓縮；當(dāng)載荷加大到試樣極限載荷時，試樣因過載而遭到破壞，且發(fā)出“砰”的響聲，層合板樹脂基體發(fā)生屈服使纖維織物與界面脫膠，進(jìn)而發(fā)生縱向的劈裂。試樣承受縱向壓縮極限載荷后的典型破壞形態(tài)照片如圖2所示?？梢悦黠@看到試樣因承受縱向壓縮載荷都發(fā)生了縱向劈裂，使纖維布與樹脂基體分離，從而破壞失效。接觸試驗機(jī)壓頭部分的試樣破壞較大，而另一端沒有明顯變化。同時可以看到縱向纖維發(fā)生了近似45°彎折，這是由于與壓縮方向成約45°方向的剪切破壞造成的。

圖2 壓縮破壞的試樣照片

2.3 彎曲試驗

A組試樣典型彎曲載荷-撓度曲線如圖3所示。加載初始階段，試樣的彎曲撓度隨載荷的增加而增大，曲線類似直線，說明彎曲應(yīng)力與應(yīng)變成正相關(guān)關(guān)系，直線斜率即為彎曲彈性模量，此階段為彈性階段。超過彈性階段后，載荷大小變化不大，只是在一微小范圍（a處）上下波動，而應(yīng)變卻繼續(xù)增大，這是由于樹脂基體此時發(fā)生著形變。繼續(xù)加載，彎曲載荷突然下降而應(yīng)變幾乎未變，并且伴隨著咯吱咯吱的聲音，這是因為試樣底部最外層纖維發(fā)生斷裂。繼續(xù)施加載荷，發(fā)現(xiàn)彎曲形變隨著載荷增加而增大（此時彎曲載荷已低于最大載荷），且呈線性關(guān)系，這是因為次外層的纖維繼續(xù)承受拉力（b，c處）。繼續(xù)加載，載荷再次突降而應(yīng)變幾乎為零，這是因為次外層的纖維突然斷裂而失效。以此類推，直至試樣受拉伸作用部分的所有纖維被拉斷。在15 ～24 mm區(qū)間，載荷無突變現(xiàn)象，這是由于被拉伸的纖維都被拉斷，只有樹脂基體在承受壓應(yīng)力作用。B組試樣的載荷-撓度曲線如圖4所示，與圖3變化規(guī)律類似。

圖3 A組2#試樣的典型載荷-撓度曲線

圖4 B組6#試樣的典型載荷-撓度曲線

厚度為5 mm的A組1#～5#試樣最大彎曲載荷分別為3 065，2 672，3 010，3 105，2 986 N，其最大彎曲載荷對應(yīng)的彎曲撓度分別為6.4，5.9，6.3，6.5，6.1 mm。A組試樣所受最大彎曲載荷平均值為2 967.6 N，最大載荷對應(yīng)彎曲撓度的平均值為6.24 mm。

厚度為10 mm的B組6#～10#試樣最大彎曲載荷分別為4 750，4 770，4 733，4 683，4 746 N，其最大彎曲載荷對應(yīng)的彎曲撓度分別為13.3，11.0，11.2，12.4，11.8 mm。B組試樣最大彎曲載荷平均值為4 736.4 N，對應(yīng)彎曲撓度的平均值為11.94 mm。由實驗數(shù)據(jù)計算出A組試樣的平均彎曲強(qiáng)度為950 MPa，平均彎曲彈性模量為20.4 GPa；B組試樣的平均彎曲強(qiáng)度為758 MPa，平均彎曲彈性模量為16.8 GPa。

B組試樣最大彎曲載荷平均值是A組試樣的1.6倍，相應(yīng)的彎曲撓度平均值是A組試樣的1.9倍。這是因為B組試樣纖維布層數(shù)是A組試樣的2倍，纖維越多，其同時承受的拉力就更大。雖然B組試樣厚度是A組試樣的2倍，但其彎曲強(qiáng)度及模量要小于A組試樣，是因為彎曲強(qiáng)度與試樣厚度的平方成反比、彎曲彈性模量與試樣厚度的三次方成反比。

圖5為不同厚度試樣的彎曲破壞形貌圖?？梢钥闯鲈嚇拥南露死w維由于受到拉應(yīng)力撕扯而斷裂，而上端樹脂基體由于受到局部擠壓力而擠壓在一起。說明試樣承受彎曲載荷時，主要由纖維承擔(dān)垂直于截面的正應(yīng)力，基體承擔(dān)壓應(yīng)力，由于纖維的拉伸彈性模量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于基體的拉伸彈性模量，故試樣抗彎曲破壞的力學(xué)性能較高。

圖5 不同厚度試樣的彎曲破壞形貌圖

3 結(jié)論

（1）所制備玻璃纖維增強(qiáng)EP復(fù)合材料表面20個點的巴氏硬度平均值為59.95 HBa。

（2）玻璃纖維增強(qiáng)EP復(fù)合材料壓縮彈性模量平均值為28.15 GPa，壓縮強(qiáng)度平均值為337.85 MPa，其壓縮強(qiáng)度是拉伸強(qiáng)度的60%，說明其抗壓縮性能低于抗拉伸性能?？v向壓縮典型載荷-位移曲線類似直線。試樣承受縱向壓縮載荷發(fā)生了縱向劈裂，同時縱向纖維發(fā)生了近似45°彎折。

（3） 5 mm厚試樣的平均彎曲強(qiáng)度為950 MPa，平均彎曲彈性模量為20.4 GPa；10 mm厚試樣的平均彎曲強(qiáng)度為758 MPa，平均彎曲彈性模量為16.8 GPa。加載初期，試樣彎曲撓度隨載荷增加而增大，曲線類似直線；加載到最大載荷后，由于纖維突然被拉斷，曲線有突然下降的現(xiàn)象。試樣承受彎曲載荷時，主要由纖維承擔(dān)拉應(yīng)力，基體承擔(dān)壓應(yīng)力，由于纖維的拉伸彈性模量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于基體的拉伸彈性模量，故試樣抗彎曲破壞的力學(xué)性能較高。

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聯(lián)系人：李啟冬，碩士研究生，主要研究方向為玻璃纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料

Research in Properties of Composites for Wind Turbine Blade

Li Qidong， Li Xinmei， Shu Guanhua
（College of Mechanical Engineering， Xinjiang University， Urumqi 830047， China）

Abstract：Vacuum bag pressure molding process was used to make fan blades of glass fiber reinforced epoxy resin composites，barcol impressor and universal testing machine were used to test the mechanical property.The results show that the average barcol hardness is 59.95 HBa，the average compressive modulus of elasticity is 28.15 GPa，the average compression strength is 337.85 MPa，which is 60% of the tensile strength，it suggests that the composites resists more tensile than compressive；the average bending strength and bending modulus of elasticity of thicker sample are relatively low.

Keywords：wind turbine blade；composite；mechanical property

中圖分類號：TB332

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1001-3539（2016）01-0092-04

doi:10.3969/j.issn.1001-3539.2016.01.021

收稿日期：2015-10-15

*國家自然科學(xué)基金項目（51561029）