高模量玻纖布在風機葉片中的應(yīng)用

梁 穎

（連云港中復連眾復合材料集團有限公司，江蘇 連云港 222000）

隨著人類對生態(tài)環(huán)境的發(fā)展要求和全球能源趨緊，風力發(fā)電已成為21 世紀大規(guī)模開發(fā)的一種可再生清潔能源[1]。葉片是風力發(fā)電機中最基礎(chǔ)和最關(guān)鍵的部件，是一個復合材料結(jié)構(gòu)，其重量的90%以上由復合材料組成，其良好的結(jié)構(gòu)設(shè)計、可靠的質(zhì)量和優(yōu)異的性能均是保證機組穩(wěn)定正常運行的決定因素。

目前實際生產(chǎn)中葉片復合材料還是以環(huán)氧樹脂-玻璃纖維復合材料為主，界面是環(huán)氧樹脂與纖維之間的橋梁，灌注效果直接影響著界面性能[2]。材料界面性能如何，是由樹脂基體和纖維間的浸潤性和粘著力直接決定的[3,4]。一般兩種材料的界面能最低，液體對固體材料就存在一個的浸潤過程[5]。在VARTM 成型工藝中，樹脂基體與增強纖維先灌注浸潤后固化成型，故灌注效果是生產(chǎn)過程管控的關(guān)鍵點，如何評價灌注效果尤為重要。

本文將三家不同環(huán)氧樹脂體系進行了對比，采用VARTM 工藝，通過注膠時間、含膠量、厚度、孔隙率、Tg以及放熱曲線等項目，對比分析了三種樹脂與高模玻纖布的灌注效果，總結(jié)經(jīng)驗，為以后高模量玻纖布在風電葉片中的應(yīng)用提供了一定的實踐基礎(chǔ)。

1 實驗材料及方法

1.1 實驗材料及主要儀器

環(huán)氧樹脂體系：樹脂1，型號036/039；樹脂2，型號4321A/B；樹脂3，型號3329A/B。

高模量玻纖布，型號E8。旋轉(zhuǎn)粘度計（數(shù)字式）：上海昌吉，NDJ-1B；干燥箱：力辰，DGF-4BS；差示掃描量熱儀：德國耐馳公司，DSC200F3。

1.2 復合樣件制備

樣件尺寸為2000×635mm（2000mm 為軸向），雙邊梯形錯層，每層單邊錯層5mm；采用下灌注，上表面加鋪VAP膜灌注方式，VAP 膜開窗觀察流速。鋪設(shè)E8 纖維布，共65層，軸向錯層5mm/層；在第33 層纖維布0°紗線中間空隙位置放置測溫儀的測溫探頭，每個樣件放置3 個。鋪設(shè)VAP 膜抽氣袋，抽氣袋尺寸為1800mm*300mm，VAP 膜抽氣帶開窗，寬度20mm，長度200mm，不貫穿。固化，加熱器開啟40℃固化，待放熱峰結(jié)束后，表面全部位置溫度降到45℃以下，樣件表面已經(jīng)硬化后，將加熱器開到70℃固化5 小時。

2 結(jié)果與討論

2.1 樹脂用量和注膠時間

鋪層前稱量所用高模玻纖的重量和輔助材料重量，保證鋪層過程中所用材料的重量保持一致。灌注完成后計算樹脂用量和注膠時間，三種樹脂用量和注膠所用時間相近，將試驗數(shù)據(jù)按要求轉(zhuǎn)化為實際生產(chǎn)工藝，會發(fā)現(xiàn)高模量玻纖布在風電葉片生產(chǎn)中能夠滿足需求，不會因模量增加，導致注膠時間浸潤時間延長，也不會因孔隙等因素增加葉片重量。

2.2 放熱過程

合適的注膠時間能夠確保樹脂充分浸潤玻纖布，消除真空體系中的氣泡；合適的放熱峰曲線有利于減少結(jié)構(gòu)的內(nèi)應(yīng)力，延長產(chǎn)品的使用壽命；過高的溫度一是易造成芯材顏色巨變，二是易加劇固化反應(yīng)等；過低的溫度一是造成留膠現(xiàn)象，二是降低生產(chǎn)效率等，均會對產(chǎn)品質(zhì)量造成影響[6]。記錄了灌注和固化過程中溫度隨時間的變化，灌注過程中樹脂溫度均小于35℃，滿足葉片生產(chǎn)工藝要求，合適的溫度能夠有效提高灌注產(chǎn)品的質(zhì)量。由表可見，高模玻纖布增強的樹脂基復合材料固化過程中出現(xiàn)了兩次放熱峰，且放熱峰的溫度均小于80℃，整個過程中無異常出現(xiàn)，可得高模玻纖布與葉片用環(huán)氧樹脂有良好的匹配性。

2.3 含膠量和Tg

采用稱重法測量高模量玻纖布增強環(huán)氧樹脂復合材料樣件的含膠量，樣件含膠量等于樹脂重量/樣件中重量，三種環(huán)氧樹脂樣件的含膠量中，樹脂1 的含膠量高其他兩種約2.7%，樣件密度趨勢一致，可得含膠量大產(chǎn)品的重量會增加，與目前提倡的減重相悖，但此樣件數(shù)據(jù)滿足工藝要求，由于樹脂用量與環(huán)境溫度、壓力、玻纖不均勻性等因素相關(guān)，后期可以進一步優(yōu)化灌注試驗方案，增強強度的同時，亦實現(xiàn)了輕量化。

采用DSC 測試固化物的Tg，固化程度越高，固化物的Tg 越高。取樣采用DSC 測試高模量玻纖布增強環(huán)氧樹脂復合材料樣件的Tg，三種樣件的Tg 均小于90℃，樣件的固化度滿足使用需求。

3 結(jié)語

本文重點分析了高模量玻纖布與三種不同環(huán)氧樹脂體系在葉片生產(chǎn)灌注和固化工藝中的適配性，結(jié)論如下：1） 高模量玻纖布在灌注過程中與三種不同環(huán)氧樹脂均有良好的浸潤性和匹配性，滿足當前葉片生產(chǎn)工藝要求；2） 高模量玻纖布增強環(huán)氧樹脂復合材料樣件的含膠量和Tg 值亦滿足葉片產(chǎn)品質(zhì)量需求，可見高模量玻纖布能夠在風機葉片中得到快速推廣應(yīng)用。