風(fēng)電葉片拉擠玻板層間夾層織物性能研究

馬 騰，賈宇婷，吳海亮，別春華，楊 忠

(東方電氣(天津)風(fēng)電葉片工程有限公司 天津 300480)

0 引 言

近年來，隨著海上葉片及低風(fēng)速風(fēng)電的發(fā)展，風(fēng)電葉片長(zhǎng)度不斷增加[1]，風(fēng)電葉片主梁帽材料由傳統(tǒng)單軸向經(jīng)編織物逐漸向拉擠玻板、拉擠碳板轉(zhuǎn)變[2]。拉擠板是由連續(xù)纖維經(jīng)樹脂充分浸潤(rùn)并在模具內(nèi)充分加熱固化形成的一種復(fù)合材料連續(xù)板材。相對(duì)于傳統(tǒng)葉片玻璃鋼具有纖維含量高、比強(qiáng)度和比模量更高的特點(diǎn)，且成型工藝簡(jiǎn)單、材料利用率高[3]?？紤]到拉擠板的 90°方向力學(xué)性能較弱，單塊拉擠板不宜過寬，且為了實(shí)現(xiàn)拉擠板的高效生產(chǎn)，目前在風(fēng)電葉片主梁位置應(yīng)用的拉擠板厚度約為 5mm，寬度在100～200mm之間，但是風(fēng)電葉片主梁帽的厚度和寬度一般大于上述數(shù)值。因此，在葉片成型過程中需要將若干塊拉擠板進(jìn)行弦向拼接、厚度方向堆疊以達(dá)到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所需的寬度和厚度，并將堆疊好的拉擠板進(jìn)行二次真空灌注，以充當(dāng)風(fēng)電葉片的主梁帽結(jié)構(gòu)。堆疊過程中需要在拉擠板層與層之間鋪放夾層玻纖織物以便在拉擠板層與層之間形成樹脂流道，以實(shí)現(xiàn)拉擠板層與層之間的連接。為了實(shí)現(xiàn)拉擠板疊層的高質(zhì)量灌注連接，拉擠板層間夾層織物的選擇成為風(fēng)電葉片工藝設(shè)計(jì)中亟待解決的問題。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原材料及設(shè)備

1.1.1 玻纖織物

本次實(shí)驗(yàn)所用玻纖織物規(guī)格如表1所示。

表1 玻纖織物規(guī)格Tab.1 Specification of glass fiber fabric

1.1.2 拉擠玻板

本次實(shí)驗(yàn)所用拉擠玻板規(guī)格如表2所示。

1.1.3 樹脂

本次實(shí)驗(yàn)所用樹脂規(guī)格如表3所示。

表3 環(huán)氧樹脂規(guī)格Tab.3 Specification of epoxy resin

1.1.4 試驗(yàn)設(shè)備

萬能試驗(yàn)機(jī)(100kN)；游標(biāo)卡尺(0.01mm)；真空泵；試驗(yàn)臺(tái)；試樣加工中心。

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

使用上下層玻璃板模擬拉擠玻板夾一層織物，通過相同環(huán)境及真空度條件下的導(dǎo)流速度實(shí)驗(yàn)測(cè)試4組織物的導(dǎo)流速度差異；通過搭接剪切測(cè)試4種織物分別作為拉擠玻板層間夾層織物時(shí)的界面性能差異；通過層間剪切測(cè)試4種織物分別作為拉擠玻板層間夾層織物時(shí)的界面性能差異；通過 90°拉伸測(cè)試4種織物分別作為拉擠玻板層間夾層織物時(shí)的 90°拉伸性能差異。

1.2.1 織物導(dǎo)流速度測(cè)試方案

按照400mm×400mm裁剪如下4種織物，保證織物平整度、纖維無明顯變形：方格布 A緯向方向、方格布B、經(jīng)編±45°雙向布C、經(jīng)編±45°雙向布D。

清理干凈實(shí)驗(yàn)臺(tái)，然后使用潔模水將大玻璃板擦拭干凈，晾干后在玻璃板上均勻地涂抹脫模劑，晾干后在玻璃板四周貼上密封膠條，然后依次鋪放待測(cè)織物、玻璃壓板(400mm×400mm)，待測(cè)織物兩側(cè)分別長(zhǎng)出板材50mm左右，用于導(dǎo)流和抽氣。

按照要測(cè)試的流速方向，分別在玻璃板的兩側(cè)固定注膠螺旋管和抽氣管，且注膠管壓在待測(cè)纖維布據(jù)板材相同距離位置處，然后用真空袋沿膠條進(jìn)行密封。4種織物分別配置真空系統(tǒng)，但用同一抽氣泵同時(shí)抽真空，以保證真空壓力一致。

使用密封膠帶密封樹脂進(jìn)膠口，并開啟真空泵，當(dāng)壓力指示表示數(shù)顯示為 0.095～0.097MPa時(shí)關(guān)閉真空系統(tǒng)，保壓 15min，當(dāng)真空度降低至低于0.0004MPa即可開始灌注樹脂。保壓期間使用馬克筆在真空袋上沿流速測(cè)試方向標(biāo)注尺寸，每隔 3cm標(biāo)注一個(gè)尺寸。

取脫泡完全的樹脂進(jìn)行灌注，灌注時(shí)用秒表進(jìn)行計(jì)時(shí)，以記錄樹脂流動(dòng)前達(dá)到每一刻度的時(shí)間。對(duì)比4種織物的流速差異。

1.2.2 搭接剪切性能測(cè)試方案

按照?qǐng)D1所示，在2層拉擠玻板間夾方格布或經(jīng)編±45°方格布，采用真空灌注工藝制備拉剪測(cè)試樣條，拉擠玻板纖維 0°方向需沿樣條長(zhǎng)度方向進(jìn)行；灌注樹脂為東樹 DQ200E/204H，固化條件為預(yù)固化35℃/12h，后固化 70℃/8h。如表 4所示，按照 EN 1465：2009制作試樣并進(jìn)行測(cè)試，試樣尺寸187.5mm×25mm。通過測(cè)試試樣的搭接剪切性能評(píng)價(jià)4種方案的界面性能差異。

圖1 搭接剪切試樣示意圖Fig.1 Diagram of lap shear testing sample

表4 測(cè)試項(xiàng)目及標(biāo)準(zhǔn)Tab.4 Testing items and standards

1.2.3 層間剪切性能測(cè)試方案

按照?qǐng)D2所示，在2層拉擠玻板間夾方格布或經(jīng)編±45°方格布，采用真空灌注工藝制備拉剪測(cè)試樣條，拉擠玻板纖維 0°方向需沿樣條長(zhǎng)度方向進(jìn)行；灌注樹脂為東樹 DQ200E/204H，固化條件為預(yù)固化35℃/12h，后固化 70℃/8h。如表 5所示，按照J(rèn)C/T773—2010制作試樣并進(jìn)行測(cè)試，試樣尺寸10h×5h(h為樣條厚度)。通過測(cè)試試樣的層間剪切性能評(píng)價(jià)4種方案的界面性能差異。

表5 測(cè)試項(xiàng)目及標(biāo)準(zhǔn)Tab.5 Testing items and standards

圖2 層間剪切試樣示意圖Fig.2 Diagram of interlayer shearing testing sample

1.2.4 90°方向拉伸測(cè)試方案

按照?qǐng)D 3所示，選取 4塊拉擠板，長(zhǎng)度約為500mm，拉擠板沿弦向兩塊并排放置、厚度方向2層堆疊，分別在2層拉擠板的上下表面及中間鋪放上述4種織物，采用真空灌注工藝制備拉剪測(cè)試樣條，拉擠玻板纖維 0°方向需沿試樣長(zhǎng)度方向；灌注樹脂為東樹 DQ200E/204H，固化條件為預(yù)固化 35℃/12h，后固化70℃/8h。如表6所示，按照ISO 527—5制作試樣并進(jìn)行測(cè)試，試樣尺寸200mm×25mm。通過測(cè)試試樣90°方向的抗拉強(qiáng)度評(píng)價(jià)4種方案90°方向的拉伸性能差異。

圖3 90°拉伸試樣示意圖Fig.3 Diagram of tensile testing sample at 90°

表6 測(cè)試項(xiàng)目及標(biāo)準(zhǔn)Tab.6 Testing items and standards

2 結(jié)果與討論

2.1 織物導(dǎo)流速度測(cè)試結(jié)果

如表7所示，在相同條件下進(jìn)行織物導(dǎo)流速度測(cè)試實(shí)驗(yàn)，觀察4種織物作為玻璃板層間夾層織物的灌導(dǎo)流速度差異。結(jié)果顯示 4種織物的導(dǎo)流速度差異為VA〉VB〉VD〉VC，即方格布A緯向的導(dǎo)流速度最快，經(jīng)編±45°雙向布 C的導(dǎo)流網(wǎng)速度最慢。測(cè)試過程如圖4所示。

圖4 織物導(dǎo)流速度測(cè)試示意圖Fig.4 Diagram of fabric diversion speed test

表7 不同織物導(dǎo)流速率測(cè)試結(jié)果Tab.7 Testing results of diversion speed of different fabrics

2.2 搭接剪切性能測(cè)試結(jié)果

搭接剪切測(cè)試結(jié)果如表 8所示。采用方格布 A、方格布 B、經(jīng)編±45°雙向布 C、經(jīng)編±45°雙向布 D作為拉擠玻板層間夾層織物時(shí)，破壞形式均為拉擠玻板表層纖維破壞，搭接剪切性能無顯著區(qū)別。

表8 不同織物搭接剪切測(cè)試結(jié)果Tab.8 Lap shearing testing results of different fabrics

2.3 層間剪切性能測(cè)試結(jié)果

層間剪切測(cè)試結(jié)果如表 9所示。采用方格布 A、方格布 B、經(jīng)編±45°雙向布 C、經(jīng)編±45°雙向布 D作為拉擠玻板層間夾層織物時(shí)，層間剪切性能存在一定差異：雙向布作為拉擠玻板層間夾層織物時(shí)，拉擠板層間剪切性能相對(duì)方格布較好，其中雙向布 C作為拉擠玻板層間夾層織物可獲得最佳的層間剪切性能，方格布 A作為拉擠玻板層間夾層織物的層間剪切性能最差。

表9 不同織物層間剪切性能測(cè)試結(jié)果Tab.9 Interlayer shearing testing results of different fabrics

2.4 90°方向抗拉強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

如表 10所示，采用方格布 A、方格布 B、經(jīng)編±45°雙向布C、經(jīng)編±45°雙向布D作為拉擠玻板層間夾層織物時(shí)，其 90°方向抗拉強(qiáng)度存在一定差異：方格布作為拉擠玻板層間夾層織物時(shí)其90°抗拉強(qiáng)度相對(duì)經(jīng)編雙軸布較高，由于方格布與經(jīng)編雙軸布的纖維角度差異較大，方格布中沿拉擠板 90°方向的纖維有助于提高拉擠板疊層 90°方向的抗拉強(qiáng)度。其中方格布 A作為拉擠玻板層間夾層織物可獲得最佳的90°拉伸強(qiáng)度，雙向布 C作為拉擠玻板層間夾層織物的90°抗拉強(qiáng)度最差。

表10 90°方向拉伸強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果Tab.10 Tensile strength testing results at 90°

3 結(jié) 論

在織物面密度均為200g/m2的條件下，4種織物作為層間夾層織物，在相同條件下導(dǎo)流速度差異為VA〉VB〉VD〉VC，即方格布 A 緯向的導(dǎo)流速度最快，經(jīng)編±45°雙向布C的導(dǎo)流速度最慢。

使用相同批次的拉擠玻板測(cè)試 4種織物作為層間夾層織物的界面性能，其搭接剪切性能無顯著區(qū)別。使用相同批次的拉擠玻板測(cè)試 4種織物作為層間夾層織物的界面性能，其層間剪切性能存在一定差異：雙向布作為拉擠玻板層間夾層織物時(shí)，拉擠板層間剪切性能相對(duì)方格布較好，雙向布 C作為拉擠玻板層間夾層織物可獲得最佳的層間剪切性能。

使用相同批次的拉擠玻板測(cè)試 4種織物作為層間夾層織物的界面性能，方格布作為拉擠玻板層間夾層織物時(shí)其 90°抗拉強(qiáng)度相對(duì)經(jīng)編雙軸布較高，其中方格布 A作為拉擠玻板層間夾層織物可獲得最佳的90°抗拉強(qiáng)度。