纖維增強樹脂基復合材料在風機葉片的應用研究

萬 佳,鐘智麗,張 肖,石若星

(天津工業(yè)大學 紡織學院,天津300387)

隨著人口的增長,能源危機愈加嚴重,生態(tài)環(huán)境不斷惡化。風能作為一種綠色環(huán)?？稍偕茉?極具開發(fā)潛力,風力發(fā)電作為一種綠色環(huán)保技術(shù)在開發(fā)可再生能源中倍受關(guān)注。風機葉片是風力發(fā)電系統(tǒng)中的核心部件,良好的設計、可靠的質(zhì)量以及優(yōu)越的性能是其保持正常穩(wěn)定運轉(zhuǎn)的關(guān)鍵,是獲得更大經(jīng)濟效益的基礎(chǔ)[1]。我國對風機葉片的研究比發(fā)達國家起步晚,且進展緩慢,在葉片結(jié)構(gòu)設計與生產(chǎn)技術(shù)方面與起步較早的國家存在一定差距。隨著風能這種可再生清潔能源的開發(fā),風機葉片的研發(fā)也開始引起關(guān)注和重視,并將復合材料風機葉片列入重點開發(fā)項目,怎樣合理設計葉片結(jié)構(gòu)以提高其機械性能和減輕質(zhì)量已成為研究的熱點。目前,世界上最大單機容量為7 MW的海上風電機組已建成并投入生產(chǎn),其中,單機容量達到1.5 MW和2 MW的風電機組已經(jīng)占據(jù)絕大部分市場[2-3]。我國風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展遲緩的原因在于大型風力發(fā)電機生產(chǎn)技術(shù)落后以及不能自主研發(fā)出高強、大尺寸的葉片[4]。由于風電機組長期在極其惡劣的環(huán)境中運作,要求葉片材料具有高強度、耐疲勞、耐氣候等特性。如何減輕其質(zhì)量,增加抗疲勞強度和機械性能成為研究風機葉片的焦點。

1 風機葉片性能要求

目前大型風力發(fā)電機的葉片基本上是由復合材料構(gòu)成,復合材料占比通常超過90%。

每臺發(fā)電機一般有3支葉片,1.5 M W的發(fā)電機單支葉片使用復合材料達6 t,而3 MW以上的風機葉片單支重量在10 t以上。近20年來,風電發(fā)電在國內(nèi)迅猛發(fā)展,風機葉片作為風力發(fā)電的核心部件,其使用量逐年增長,由于風機單機裝機容量越來越大,風機葉片的直徑也在逐漸上升,因此對材料的要求很高。一般來講,風機葉片材料需要滿足以下性能要求:

(1)材料要求密度小、質(zhì)輕;

(2)結(jié)構(gòu)設計與受力要合理,穩(wěn)定性好,要求其表面打磨光滑來減小阻力,同時防止葉片損壞;

(4)耐腐蝕、抗紫外、耐氣候變化能力強,葉片安裝在戶外,在極度惡劣的環(huán)境中還能保持良好的工作狀態(tài);

(5)抗疲勞強度高,使用壽命達到20～30年,能承受1～10億次循環(huán)負載,而且抗震性能要好;

(6)易加工成型,生產(chǎn)成本低,維護方便。

2 風機葉片主要材料

風力發(fā)電技術(shù)是將風能轉(zhuǎn)化成機械能,再由機械能轉(zhuǎn)化成電能。而風機葉片則是風力發(fā)電系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的部件之一,可用來制造加工風機葉片的材料很多,如木材、鋁材、鋼材,但這些材料因為種種原因沒有得到廣泛應用[5]。

2.1 傳統(tǒng)材料

(1)木制葉片。早期小型發(fā)電系統(tǒng)采用木制葉片,一般在真空條件下用樹脂將木材浸透后層壓固化。其制品撓性和扭轉(zhuǎn)性較好,但其加工形狀單一,不易扭曲,且木制葉片耐腐蝕較差,強度低,耐疲勞能力差,壽命短,在強風作用下容易發(fā)生變形和破壞,不易在中大型風力發(fā)電系統(tǒng)中使用。

(2)鋁合金葉片。鋁合金密度較小,工藝簡單,易成型,通常采用擠壓成型生產(chǎn)等弦長葉片,還可進行扭曲加工。但是鋁合金耐酸堿能力差,易被氧化,且抗疲勞性能較差[6]。

(3)合金鋼葉片。合金鋼密度較大,采用鋼材制造葉片通常在其內(nèi)部填充泡沫以減輕重量,可加工成細長形狀和翼型。但是,風機葉片設計結(jié)構(gòu)復雜,對表面要求也比較高,這對于合金鋼加工來說比較困難,其主要應用在大型風力機上。

2.2 纖維增強復合材料

復合材料是有兩種或兩種以上采用物理和化學手段得到的一種新性能材料。目前,風機葉片朝著質(zhì)輕、大型化的方向發(fā)展,纖維增強復合材料成為風機葉片的主要材料,其材質(zhì)包括增強體材料、樹脂基體材料、夾芯材料、涂料等[7]。

“進博會彰顯了中國政府對貿(mào)易自由化和經(jīng)濟全球化的堅定支持以及主動向世界開放市場的決心。”瓦克集團董事賀達博士從德國總部趕來參加進博會并表示，“作為一家積極支持自由貿(mào)易和經(jīng)濟全球化的公司，我們是最早決定參展的幾家德國公司之一。中國是瓦克全球最大的單一市場，公司在華12億歐元銷售額中的一半來自進口產(chǎn)品，與此同時，瓦克在華生產(chǎn)的產(chǎn)品中20%也會出口國際市場，自由貿(mào)易對瓦克來說意義重大?！?/p>

2.2.1 增強體材料

隨著葉片的大型化,質(zhì)輕化,纖維增強復合材料漸漸取代傳統(tǒng)材料,其中,玻纖增強復合材料質(zhì)輕高強,易加工成型,具有較好的抗疲勞、耐腐蝕、耐氣候性及維護方便等優(yōu)點。碳纖維增強復合材料在新能源葉片材料加工中也有廣泛應用。此外,玄武巖作為新型無機纖維,其耐酸堿腐蝕、耐高溫性能優(yōu)異,加之成本低廉,有望成為風機葉片生產(chǎn)的新型材料。各種纖維性能見表1。

表1 纖維性能比較

(1)玻璃纖維。E-玻璃纖維和S-玻璃纖維是生產(chǎn)風機葉片最常用的增強材料,由表1可知,S-玻璃纖維力學性能優(yōu)于E-玻璃纖維,但是其價格較高,而E-玻璃纖維實用性較好,能與許多基體樹脂搭配,且加工工藝成熟,被廣泛應用在加工葉片的增強材料。當生產(chǎn)高強度、高剛度的風機葉片時,E-玻璃纖維不能滿足要求,而S-玻璃纖維作為增強材料可極大地提高復合材料的性能,但因其造價較高,不能成為制造風機葉片的主要增強材料。

(2)碳纖維。碳纖維密度小,使風機葉片朝質(zhì)輕化的方向發(fā)展。碳纖維力學性能優(yōu)于玻璃纖維,其剛度約為玻纖的3倍,是生產(chǎn)高強度、高鋼度,承載能力強的大型葉片的首選材料,且導電性好,可有效避免雷擊[8]。但是碳纖維較脆,受力過大容易直接斷裂,而且造價較高,極大地限制了碳纖維在葉片中的使用。目前,國內(nèi)外只是在某些關(guān)鍵部位使用碳纖維或碳/?；祀s纖維。

(3)玄武巖纖維。玄武巖力學性能與S-玻璃纖維相當,耐高溫,能長期使用在高溫環(huán)境中[9],耐酸堿腐蝕性能好,化學性能穩(wěn)定,有利于長期戶外工作。玄武巖纖維作為風機葉片增強材料部分取代玻璃纖維和碳纖維,會使葉片性能更高,具有深遠的研究意義。

2.2.2 樹脂基體材料

風機葉片復合材料主要是由增強體與乙烯基酯樹脂、環(huán)氧樹脂、聚酯樹脂等基體復合加工而成型。乙烯基樹脂是由雙酚A環(huán)氧樹脂與甲基丙烯酸反應合成,兼具環(huán)氧樹脂和不飽和聚酯的優(yōu)點,具有較高的強度,較好的耐腐蝕性,室溫下可固化。環(huán)氧樹脂是分子中有兩個或兩個以上的環(huán)氧基團的一種有機化合物,由于其中的環(huán)氧基團較為活潑,因此機械和粘結(jié)性能較好。但是其耐氣候性較差,柔韌性也不好,極大地限制其在風機葉片上的應用。聚氨酯改性環(huán)氧樹脂不僅粘結(jié)強度好,同時還有較強的防腐性能和較好的柔韌性。聚酯是由多元酸和多元醇經(jīng)過縮聚反應而得的一類聚合物,具有高強高模高硬度、耐腐蝕耐疲勞抗蠕變等優(yōu)良性能,可二次利用,但是不耐高溫且剛性較差。

2.2.3 夾芯材料

風電機組在滿足高發(fā)電效率和降低度電成本的條件下,其大型化已成為大勢所趨,這就要求風機葉片的長度更長、掃風面積更大。同時,為了減輕葉片自身重量,增加葉片結(jié)構(gòu)剛度,提高整個葉片抵抗載荷的能力,一般在風電葉片相關(guān)部位都會大量采用夾芯材料。夾芯材料是層壓在復合材料中間的一個整體,通過固化成型,應滿足高強度、高剛度、阻燃、優(yōu)良的耐腐蝕性且與樹脂能夠良好地結(jié)合,其材料一般為泡沫或者木材[10],目前市場上常用的夾芯材料主要是PVC結(jié)構(gòu)泡沫和Balsa輕木,其中Balsa輕木主要應用于葉根部位,PVC結(jié)構(gòu)泡沫則應用于葉片蒙皮和腹板部位。夾芯材料不僅要提高風機葉片的機械強度,還要有效地減輕葉片的質(zhì)量。

2.2.4 涂料

涂料是為了使葉片獲得更好的氣動性能而使葉片變得更加光滑的一類材料,同時也能夠防止沙塵、雨水對葉片的損害,有效地延長葉片的使用壽命。其常用材料有聚氨酯樹脂、丙烯酸樹脂、氟樹脂、有機硅樹脂和環(huán)氧樹脂等[11]。

聚氨酯樹脂是風機葉片中使用最多的樹脂,其耐磨性、柔韌性較好。丙烯酸樹脂在汽車和航空領(lǐng)域均有廣泛應用,是由丙烯酸酯和甲基丙烯酸以及其他烯類單體共聚而制成,作為一種性能優(yōu)異的戶外材料,其耐氣候性較好,并具有保光保色的特性。氟樹脂的分子結(jié)構(gòu)中含有氟原子,屬于熱塑性樹脂,具有優(yōu)越的耐高溫低溫性、耐氣候性,化學性能相對比較穩(wěn)定。有機硅樹脂耐高溫,也具有穩(wěn)定的化學性能,但是其機械性能較差,粘結(jié)強度低,制備工藝復雜且生產(chǎn)成本較高。由于風機葉片長期在比較惡劣的環(huán)境中工作,經(jīng)受雨水腐蝕、紫外照射、強風沖擊、大氣氧化等作用,為提高葉片的整體性能,需要對普通樹脂進行改性,使得改性后樹脂的綜合性能得到改進,進而延長葉片使用壽命。

2.2.5 復合材料成型工藝

傳統(tǒng)葉片多為手糊成型(又稱濕法成型),該法主要是手工勞動,操作簡單方便,成本較低,但是質(zhì)量極其不穩(wěn)定,依賴工人操作熟練程度,生產(chǎn)效率低,不適用大型葉片的生產(chǎn)加工[12]。

樹脂傳遞模塑(RTM)是一種成本低、效率高,可生產(chǎn)精度高的尺寸和復雜的外形。其原理是將增強材料預制件在模具中鋪放好,樹脂通過注射設備流入封閉的模具浸漬增強體后加熱固化成型,脫模后獲得構(gòu)件。其制品表面光滑度高、孔隙率低、生產(chǎn)周期短且生產(chǎn)過程對環(huán)境污染小,但是其模具設計復雜、加工困難。

真空輔助樹脂傳遞模塑(VART M)是對RT M工藝的一種改進,通過真空泵抽真空引導樹脂流入薄膜包覆的模具中浸漬預制件[13]。該方法可生產(chǎn)大型風機葉片,但要求工藝參數(shù)達到最優(yōu),樹脂黏度最佳且流動性要好,模具設計合理,保證增強材料能夠完全均勻浸漬樹脂。

3 結(jié)語

未來風機葉片將朝著大型化、輕質(zhì)化、重載化的方向發(fā)展。這不僅要求風機葉片具有高強高模,還要滿足在更加惡劣的環(huán)境中正常工作。除了具有優(yōu)良的機械性能外,還必須具有優(yōu)越的耐疲勞、耐腐蝕性能,能夠面臨環(huán)境的侵蝕并大大提高葉片的使用壽命。纖維增強復合材料比強度高,力學性能優(yōu)良,具有耐氣候,耐腐蝕,密度小、質(zhì)輕等優(yōu)點,在減輕葉片重量的同時具有足夠的機械強度,目前我國雖然從國外引進先進制造技術(shù),但仍然缺乏自主研發(fā)能力。大型葉片質(zhì)輕化,機械強度、抗疲勞性能的提升,結(jié)構(gòu)設計,材料體系以及制造技術(shù)有待深入研究。

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