關(guān)于玻纖酚醛樹脂復(fù)合材料葉片的應(yīng)用概述

張文澤，曹學(xué)偉，何世紀(jì)

（武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢430070）

1 地鐵風(fēng)機(jī)的發(fā)展歷程

隨著國(guó)內(nèi)外經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，大型城市的交通擁堵現(xiàn)象越發(fā)嚴(yán)重。地鐵交通由于具有載客量大、低能耗、污染小、高速、準(zhǔn)時(shí)、安全等明顯優(yōu)點(diǎn)，成為當(dāng)前解決城市交通問(wèn)題最有效的手段。但地鐵在運(yùn)行時(shí)也存在不能將其產(chǎn)生的剩余能量及時(shí)利用或排出的問(wèn)題。這樣不僅會(huì)使車站和區(qū)間溫度上升，同時(shí)也會(huì)影響地鐵列車的舒適性及空氣質(zhì)量等問(wèn)題，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的安全隱患。因此，地鐵通風(fēng)系統(tǒng)是地鐵系統(tǒng)中一個(gè)重要組成部分，而地鐵風(fēng)機(jī)葉片是地鐵通風(fēng)系統(tǒng)中必不可少的結(jié)構(gòu)。地鐵風(fēng)機(jī)葉片的發(fā)展歷程如圖1所示。

圖1 地鐵風(fēng)機(jī)的發(fā)展歷程

早期的地鐵風(fēng)機(jī)葉片采用的是普通金屬材料，利用延展性易加工的特點(diǎn)以滿足風(fēng)機(jī)尺寸的要求。目前國(guó)內(nèi)外的地鐵風(fēng)機(jī)葉片主要是以鋁合金葉片為主。通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，甚至仿生設(shè)計(jì)，利用有限元軟件模擬仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)合進(jìn)行復(fù)合材料設(shè)計(jì)，來(lái)減小風(fēng)機(jī)發(fā)生失速、喘振、噪聲的可能性并提高風(fēng)機(jī)效率。

2 現(xiàn)有材料的優(yōu)缺點(diǎn)分析

地鐵風(fēng)機(jī)葉片對(duì)材料的要求很高，除了需要質(zhì)量輕，還需要有高強(qiáng)度、高硬度以及耐腐蝕性、耐疲勞性、耐高溫等性能?，F(xiàn)有地鐵風(fēng)機(jī)廠家廣泛采用鋁合金制造風(fēng)機(jī)葉片，但隨著技術(shù)的改進(jìn)，未來(lái)風(fēng)機(jī)葉片材料以輕量化復(fù)合材料為發(fā)展趨勢(shì)。

2.1 鋁合金

鋁合金材料是一種以金屬鋁為基體材料，在基體材料中添加一定量其他合金元素的輕金屬材料。鋁合金具有金屬鋁的基礎(chǔ)特性和添加的合金元素的另外特性。另外特性是由添加的合金化元素的不同種類和數(shù)量決定的。鋁合金有良好的鑄造性、加工性、導(dǎo)電導(dǎo)熱性和抗腐蝕性，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空航天、交通運(yùn)輸以及日用品領(lǐng)域等。作為使用最廣泛的地鐵風(fēng)機(jī)葉片材料，鋁合金葉片的質(zhì)地較硬，不易變形，很耐用，有出風(fēng)強(qiáng)而穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。但隨著科技與經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，地鐵風(fēng)機(jī)開始往輕量化和低成本的方向發(fā)展。鋁合金的質(zhì)地過(guò)重，不僅使風(fēng)機(jī)的功耗增大，也增大了機(jī)器產(chǎn)生的噪音，同時(shí)還存在一定的使用危險(xiǎn)性，以及維修保養(yǎng)的難度，已經(jīng)不符合地鐵風(fēng)機(jī)葉片的發(fā)展趨勢(shì)。

2.2 復(fù)合材料

2.2.1 玻璃纖維復(fù)合材料

玻璃纖維復(fù)合材料是一種以玻璃纖維及其制品為基體和增強(qiáng)材料，并通過(guò)一定工藝復(fù)合而成的新型材料。玻璃纖維是由熔融玻璃在快速抽拉的條件下形成的細(xì)絲，其質(zhì)量小、強(qiáng)度高、抗腐蝕的能力強(qiáng)，同時(shí)制造成本低，是風(fēng)機(jī)葉片材料的不錯(cuò)選擇。但是玻璃纖維復(fù)合材料的比模量不夠高，環(huán)氧樹脂玻璃纖維作為最常見的玻璃纖維復(fù)合材料，高溫環(huán)境下性能不穩(wěn)定，容易受熱分解，降低材料的剛度和強(qiáng)度，此時(shí)不能滿足地鐵風(fēng)機(jī)葉片的工作環(huán)境要求。

2.2.2 碳纖維復(fù)合材料

碳纖維是指由有機(jī)纖維經(jīng)過(guò)一系列熱處理轉(zhuǎn)化而成的新型無(wú)機(jī)高性能纖維材料，其含碳量高于90%，有較強(qiáng)的力學(xué)性能，不僅具有碳材料的本質(zhì)特征，還具有紡織纖維材料的柔軟性，便于加工。由于碳纖維比玻璃纖維具有更高的比強(qiáng)度和比剛度，使用碳纖維復(fù)合材料能夠提高風(fēng)能的利用率，適應(yīng)葉片的工作環(huán)境，滿足對(duì)葉片更高的要求?，F(xiàn)有碳纖維材料已廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，有很高的應(yīng)用價(jià)值和應(yīng)用前景。但使用碳纖維復(fù)合材料使成本增加，遠(yuǎn)遠(yuǎn)降低其工程應(yīng)用價(jià)值，將此類纖維復(fù)合材料應(yīng)用于風(fēng)機(jī)葉片是不合適的。

3 玻璃纖維酚醛樹脂材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

纖維金屬層板是由金屬薄板與纖維預(yù)浸料粘合后交替鋪層，在一定壓力和溫度下固化而成，纖維金屬板具備了金屬的延展性和可加工性，同時(shí)具有較高的斷裂韌性、優(yōu)良的抗沖擊和耐疲勞性等優(yōu)點(diǎn)。

在耐高溫方面，查資料可知，國(guó)內(nèi)外提高酚醛固化體系耐熱性主要有3種途徑：合成具有耐熱性骨架結(jié)構(gòu)的酚醛樹脂，合成具有新型耐熱結(jié)構(gòu)的酚醛樹脂固化劑，與耐熱材料進(jìn)行共混或共聚。

與環(huán)氧樹脂基玻璃纖維復(fù)合材料、鋁合金復(fù)合相比，酚醛樹脂基在高溫下綜合力學(xué)性能更好，而環(huán)氧樹脂基在高溫的環(huán)境下會(huì)出現(xiàn)分層現(xiàn)象，郭云竹等對(duì)玻璃纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的熱性能進(jìn)行了研究，其中使用了固化劑4，4’二氨基二苯甲烷，研究結(jié)果表明隨著纖維含量的增加復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性也有所增加，該復(fù)合材料在300℃以上，開始熱分解，接近400℃分解速率最快。

4 復(fù)合材料輕量化設(shè)計(jì)

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用中的基本出發(fā)點(diǎn)是具有高比強(qiáng)度和高比剛度的特點(diǎn)，比強(qiáng)度和比模量越高，結(jié)構(gòu)的質(zhì)量就會(huì)越輕。還有FRP力學(xué)性能的各向異性，通過(guò)合理設(shè)計(jì)發(fā)揮出材料的最大承載能力，完成復(fù)合材料輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。酚醛樹脂基體固化交聯(lián)后具有很強(qiáng)的內(nèi)聚力，所以具有優(yōu)良的力學(xué)性能。

第一階段對(duì)復(fù)合材料尺寸進(jìn)行優(yōu)化，確定所需要的結(jié)構(gòu)；第二階段給出厚度優(yōu)化設(shè)計(jì)方案；第三階段根據(jù)復(fù)合材料力學(xué)性能各向異性和強(qiáng)可設(shè)計(jì)性進(jìn)行多次疊加優(yōu)化。除此之外，還可以采用夾芯結(jié)構(gòu)、格柵結(jié)構(gòu)、桁架結(jié)構(gòu)以及與金屬材料復(fù)合，改善強(qiáng)度與剛度。利用ABAQUS有限元軟件仿真與實(shí)驗(yàn)，揭示層間損傷、纖維損傷及基體損傷的演化過(guò)程。對(duì)復(fù)合材料格柵結(jié)構(gòu)的屈曲優(yōu)化設(shè)計(jì)，基于有限元模型參數(shù)化設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)，找到最優(yōu)彎曲格柵圖形并通過(guò)屈曲分析進(jìn)行評(píng)估。

5 玻璃纖維酚醛樹脂復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)

與環(huán)氧樹脂相比，酚醛樹脂在高溫下具有較高的穩(wěn)定性，綜合力學(xué)性能較好。環(huán)氧樹脂在高溫環(huán)境下容易出現(xiàn)分層現(xiàn)象。有研究表明，玻璃纖維環(huán)氧樹脂的隨著纖維量的增加，熱穩(wěn)定性也隨之增加。該材料的熱分解初始溫度在300℃以上，400℃的分解速率最快。

使用玻璃纖維酚醛樹脂復(fù)合材料-鋁合金復(fù)合材料制成地鐵風(fēng)機(jī)葉片，相對(duì)于環(huán)氧樹脂基的復(fù)合材料而言，玻璃纖維酚醛樹脂復(fù)合材料-鋁合金復(fù)合材料在高溫下的力學(xué)性能更強(qiáng)，根據(jù)資料，在180℃下，三維五向編制環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的抗拉性能降低15.37%，而層合復(fù)合材料在相同條件下拉伸強(qiáng)度下降了34.42%，其原因?yàn)閺?fù)合材料在高溫下，由于樹脂被破壞，使得復(fù)合材料發(fā)生分層。而酚醛樹脂基復(fù)合材料強(qiáng)度較高，在高溫下不易破壞，相對(duì)于環(huán)氧樹脂基更能適應(yīng)地鐵風(fēng)機(jī)葉片的工作環(huán)境。

在輕量化方面，目前地鐵風(fēng)機(jī)葉片主要用的材料是鋁合金，而復(fù)合材料風(fēng)扇葉片具有優(yōu)異的性能，使用復(fù)合材料是產(chǎn)品輕量化有效手段，相比民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片性能要求，地鐵風(fēng)機(jī)葉片使用性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)要低，需要設(shè)計(jì)研究滿足地鐵使用要求的復(fù)合材料風(fēng)機(jī)葉片，國(guó)內(nèi)外對(duì)地鐵使用的復(fù)合材料風(fēng)扇葉片的應(yīng)用案例和研究很少。

6 玻璃纖維酚醛樹脂的應(yīng)用場(chǎng)景

本文設(shè)計(jì)輕量化地鐵風(fēng)機(jī)材料，具備輕量化、耐高溫以及性價(jià)比高的優(yōu)勢(shì)。輕量化風(fēng)機(jī)葉片為復(fù)合材料葉片，可用模具一次成型制造，便于實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)化生產(chǎn)，為后續(xù)輕量化風(fēng)機(jī)批量生產(chǎn)、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)提供支持。

輕量化風(fēng)機(jī)葉片還具備耐高溫的優(yōu)勢(shì)，能穩(wěn)定地在250℃的工質(zhì)環(huán)境下連續(xù)工作，可應(yīng)用于大型廢氣工廠高溫廢氣的排放系統(tǒng)，如火電廠、燃?xì)鈴S等。還可與廢氣渦輪增壓技術(shù)、廢氣再循環(huán)技術(shù)結(jié)合應(yīng)用于利用余熱發(fā)電的排氣系統(tǒng)，如大型工廠集中擺放的空調(diào)外機(jī)排放廢氣、大型發(fā)動(dòng)機(jī)排放廢氣等需要提供穩(wěn)定熱源進(jìn)行余熱回收利用的高溫廢氣利用系統(tǒng)。

同時(shí)風(fēng)機(jī)葉片具有啟動(dòng)慣量小的優(yōu)勢(shì)，可應(yīng)用于防腐防爆炸場(chǎng)合，如地下煤炭開采區(qū)、地下天然氣開采區(qū)的排氣系統(tǒng)中。輕量化風(fēng)機(jī)葉片具有降低風(fēng)阻的優(yōu)勢(shì)，可提高排風(fēng)效率，滿足熱電廠、鋼鐵廠等大型排氣廠的排氣需求。

7 總結(jié)

本文對(duì)地鐵風(fēng)機(jī)葉片材料進(jìn)行了系統(tǒng)的總結(jié)與展望，現(xiàn)有的地鐵風(fēng)機(jī)葉片的材料大部分采用的是高強(qiáng)度鋁合金。但鋁合金的缺點(diǎn)也較為突出，鋁合金質(zhì)地過(guò)重，使風(fēng)機(jī)的功耗增大，也增大了機(jī)器產(chǎn)生的噪音，同時(shí)在使用的過(guò)程中也存在一定的危險(xiǎn)性，也存在著維修不易的缺陷。