[噴膠,風(fēng)電,葉片]淺析噴膠對復(fù)合材料風(fēng)電葉片剪切性能的影響

1、淺析噴膠對復(fù)合材料風(fēng)電葉片剪切性能的影響1前言隨著煤、石油、天然氣等傳統(tǒng)化石能源耗盡時間表的日益臨近，風(fēng)能的開發(fā)和利用越來 越得到人們的重視，風(fēng)能、核能及太陽能并列成為三大清潔能源。2015年，中國風(fēng)電并網(wǎng)總 量達(dá)到12934萬千瓦，占上網(wǎng)總電量的3. 3舟,風(fēng)電已超過核電成為繼煤電和水電之后的第 三大主力電源。根據(jù)十三五規(guī)劃，到2020年風(fēng)電將達(dá)到2億千瓦以上。在大兆瓦級風(fēng)力發(fā) 電機(jī)組中，葉片成型是風(fēng)電機(jī)組制造過程的核心技術(shù)。目前葉片制造工藝是通過真空灌注成 型，需要在模具上預(yù)鋪設(shè)葉片的結(jié)構(gòu)鋪層，再進(jìn)行樹脂真空濯注，然后加熱固化，最后通過 結(jié)構(gòu)膠粘接合上、下模成型。葉片的鋪層結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)型式

2、為腹板通過結(jié)構(gòu)膠粘接支撐起上、下主梁，殼體和腹板為 三明治芯材結(jié)構(gòu)，同時尾邊有尾緣梁。葉片的蒙皮和腹板芯材兩側(cè)主要鋪設(shè)雙軸向布，葉片 殼體和腹板中間以芯材填充。葉根處主要鋪設(shè)的是三軸向玻纖布，主梁和尾緣梁主要鋪設(shè)單 向布。一般在葉片玻纖布鋪設(shè)工藝中，葉根處和尾邊增強(qiáng)層處由于模具曲率大和層數(shù)多成為鋪 設(shè)過程中容易滑落的區(qū)域。由于葉根處需要打孔并且跟輪毅等金屬件相連，因此需要通過增 加葉根處復(fù)合材料的厚度使其剛度與輪毅連續(xù)過渡，而且葉根受到各個方向的彎矩，因此用 三軸向玻纖布鋪設(shè)TLX870。葉片的主梁與尾緣梁主要采用單向布，主梁一般采用預(yù)制的方式 獲得，尾緣梁使用單向布是為了提高葉片在弦向的剛度

3、。在最大弦處，由于模具軸向和弦向 曲率比較大，因此在此位置的單向布鋪設(shè)時容易出現(xiàn)滑落，需要使用工裝進(jìn)行固定，而且這 兩個區(qū)域在結(jié)構(gòu)鋪層中比較厚，需要通過剪切強(qiáng)度來傳遞上、下層玻纖布的應(yīng)力，同時剪切 強(qiáng)度反映了玻纖束與樹脂之間結(jié)合的能力。以某2MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的56. 5 m葉片為例，葉根鋪層達(dá)到機(jī)0多層三軸向布TLX870, 在最大弦長位置鋪設(shè)30多層單向布L1250尾緣梁，在鋪設(shè)葉片殼體曲率大、層數(shù)多的玻纖 布時容易出現(xiàn)滑落、褶皺和反彈等問題。目前行業(yè)內(nèi)解決葉根鋪設(shè)滑移的方法有兩種：方式 一，采用翻轉(zhuǎn)架預(yù)鋪設(shè)，先做一個半圓型陽模，讓玻纖布順著重力與模具服帖，然后鋪完玻 纖布后再重新倒回葉片內(nèi)

4、部。這種方法費時費力，而且倒回來的玻纖層數(shù)也容易出現(xiàn)褶皺。 方式二，用針線縫編或者通過夾子把玻纖布固定在模具翻邊上，通過工字梁支撐，使玻璃鋼 的前后緣兩側(cè)固定在模具上，由于用針線縫編過程中，玻纖布只是點固定，在玻纖布其他區(qū) 域容易出現(xiàn)褶皺，而且每一層數(shù)需用針線縫，同樣耗費時間長，影響葉片生產(chǎn)周期。在葉片 最大弦長的位置，模具在軸向和弦向的曲率都很大。該區(qū)域葉片模具上鋪設(shè)的是L1250單軸 向布，在該位置玻纖布曲率很大且很難彎過去，即使是用手直接撫平過去，如果沒有有效固 定，玻纖布受到擠壓也會反彈回來。在葉片模具上預(yù)鋪設(shè)干玻纖布時碰到玻纖布層數(shù)多而且模具曲率又較大時，在鋪設(shè)玻纖 布過程中容易出現(xiàn)

5、滑落、褶皺等現(xiàn)象，一旦出現(xiàn)該問題，返工時間又比較長，而且弄摺的玻 纖布很難再恢復(fù)起來，因此需要一種快速的方法來固定玻纖布。利用3M噴膠的粘性，讓其噴 出的霧狀物灑在玻纖布上可對其進(jìn)行固定，這是一種快速、簡便、有效的方法。但是在玻纖 布上過多使用噴膠會阻滯樹脂滲透進(jìn)玻纖束內(nèi)，導(dǎo)致玻纖的含量下降，尤其會影響復(fù)合材料 葉片的剪切強(qiáng)度。綜合葉片的鋪層結(jié)構(gòu)和工藝分析結(jié)果，本文重點研究噴膠分別對三軸向布和單向布為主 的復(fù)合材料的纖維含量和剪切強(qiáng)度的影響，玻纖布鋪設(shè)使用噴膠后，復(fù)合材料的剪切強(qiáng)度能 否滿足葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計要求。目前行業(yè)未有專門研究，因此研究噴膠對復(fù)合材料剪切強(qiáng)度的影 響對提高葉片生產(chǎn)效率、縮短產(chǎn)

6、品生產(chǎn)周期、提升產(chǎn)品質(zhì)量有重要義。2實驗部分2. 1增強(qiáng)相單向布L1250而密度為1250 g /n)2 ;三軸向布TLX870面密度為870 g /m2 ;玻纖布 采用0CV品牌SE1500環(huán)氧型紗線進(jìn)行編織。2. 2基體基體采用恒斯顯樹脂與固化劑按照所示比例混合，混合后的粘度在500600 cps左 右，粘度需要滿足真空灌注要求。葉片在真空灌注時，樹脂能夠滲透進(jìn)玻璃纖維束內(nèi)與玻璃 纖維形成一體，得到復(fù)合材料。復(fù)合材料界而結(jié)合能力的大小主要取決于樹脂的性能。2. 3樣板制備用真空濯注工藝制作四組樣板，第I、H兩組都用單向布復(fù)合材料，二者之間的差別為 是否使用噴膠；第HI、N組用三軸向布復(fù)合材

7、料，二者之間的差別也是是否使用噴膠。由于 前面兩組玻纖布的單層克重為1250 g ./m2,后而單層克重為870 g /m2,故前而兩組選用12 層，后面兩組選用24層做為對照實驗，檢查試驗件外觀，如有缺陷和不符合尺寸及制備要 求者，予以作廢。按照試驗方案進(jìn)行工藝鋪層。進(jìn)膠前真空袋在-0. 09-0. 08 MPa下保壓10 min,壓 力表壓降A(chǔ)PO. 008 MPa;將環(huán)氧樹脂和固化劑按比例100 : 34混合，用攪拌棒攪拌均勻， 然后放入真空攪拌器中抽真空消泡，結(jié)束后在環(huán)境溫度為(252) °C、濕度為6015) $、真空 壓力為-0. 09-0. 08 MPa的真空條件下導(dǎo)入

8、樹脂；樹脂灌注完后關(guān)閉進(jìn)膠口，在-0. 09-0. 08 MPa的真空壓力下真空保壓至樹脂凝膠。2. 4層間剪切測試標(biāo)準(zhǔn)測量試驗件尺寸，剪切按照ISO 14130 ： 1998標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，在試驗機(jī)上以1 m/min(剪 切)的加載速率加載，直至試驗件破壞，記錄載荷位移曲線及試驗件破壞形式。2. 5葉片玻纖含量測試把玻璃鋼切成3 cm3 cm的小樣，稱取用期質(zhì)量ml ( g),然后把玻璃鋼放在用煙里， 稱重用煙加試樣質(zhì)量m2;把坨煙放在馬弗爐里升溫至500 ,進(jìn)行高溫鍛燒1 h,待其冷卻 后，稱重灼燒后用堪加殘留試樣質(zhì)量m3( g);計算重量含量=(m3-ml) /( m2-ml) 100機(jī)3結(jié)果

9、與討論3. 1復(fù)合材料樣板玻纖含量從4個樣板里分別取3個試樣，組成3個對比樣組，最后1個對比樣組是取前而3個 樣組的均值進(jìn)行比較，相同樣板里纖維體枳含量差別控制在居范圍內(nèi)，說明4塊樣組中，樹 脂均勻滲透在玻纖布中。單向布不加噴膠和加噴膠對玻纖含量影響不大，玻纖含量維持在51% 和52.烈之間。三軸布加噴膠纖維體積含量為45. 7%,不加噴膠纖維體枳含量為52. 6%, 噴膠導(dǎo)致樣板玻纖含量下降6. 9%,這可能是由于相對于單向布，三軸布玻纖束間紋理較細(xì)， 噴膠使得樹脂流速減慢，同時樹脂在玻纖束之間停留的時間更長，玻纖所吸的樹脂更多所致。 玻纖含量的下降使玻璃鋼的拉伸強(qiáng)度及模量也相應(yīng)下降，不過對

10、提高玻璃鋼的疲勞強(qiáng)度有好 處。根據(jù)單向復(fù)合材料縱向強(qiáng)度的混合律方程，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度是由基體和增強(qiáng)體的強(qiáng) 度和體積含量決定的，由于玻纖的強(qiáng)度遠(yuǎn)大于樹脂基體的強(qiáng)度，因而單向玻璃鋼的強(qiáng)度主要 取決于纖維的強(qiáng)度及含量，噴膠對整個復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度幾乎沒有影響，纖維本身的強(qiáng)度 及其含量決定了整個材料的拉伸強(qiáng)度，+L=f Vf + m Vm其中，f m( 1)式中，+L為復(fù)合材料 的強(qiáng)度；f為增強(qiáng)體的強(qiáng)度；m為基體的強(qiáng)度；Vf為增強(qiáng)體的體積含量；Vm為基體的體積含 量。3. 2復(fù)合材料的剪切性能剪切強(qiáng)度分為層間剪切和面內(nèi)剪切。層間剪切是玻纖布上、下層之間受到的剪切力與搭 接面積的比值；面內(nèi)剪切是面內(nèi)玻纖布在同一平面內(nèi)單位面積抵抗剪切力的指標(biāo)。4結(jié)論(1)噴放對單向布復(fù)合材料玻纖含量影響很小；噴膠使得三軸布TLX870復(fù)合材料體 積含量下降了 6. 9%,通過理論分析，剪切模量下降了 14. 1%,剪切強(qiáng)度下降了