高模量玻纖布在風機葉片中的應用

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）

隨著人類對生態環境的發展要求和全球能源趨緊，風力發電已成為21 世紀大規模開發的一種可再生清潔能源[1]。葉片是風力發電機中最基礎和最關鍵的部件，是一個復合材料結構，其重量的90%以上由復合材料組成，其良好的結構設計、可靠的質量和優異的性能均是保證機組穩定正常運行的決定因素。

目前實際生產中葉片復合材料還是以環氧樹脂-玻璃纖維復合材料為主，界面是環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，故灌注效果是生產過程管控的關鍵點，如何評價灌注效果尤為重要。

本文將三家不同環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，總結經驗，為以后高模量玻纖布在風電葉片中的應用提供了一定的實踐基礎。

1 實驗材料及方法

1.1 實驗材料及主要儀器

環氧樹脂體系：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。旋轉粘度計（數字式）：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，待放熱峰結束后，表面全部位置溫度降到45℃以下，樣件表面已經硬化后，將加熱器開到70℃固化5 小時。

2 結果與討論

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，將試驗數據按要求轉化為實際生產工藝，會發現高模量玻纖布在風電葉片生產中能夠滿足需求，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構的內應力，延長產品的使用壽命；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等；過低的溫度一是造成留膠現象，二是降低生產效率等，均會對產品質量造成影響[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℃，滿足葉片生產工藝要求，合適的溫度能夠有效提高灌注產品的質量。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，可得高模玻纖布與葉片用環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，可得含膠量大產品的重量會增加，與目前提倡的減重相悖，但此樣件數據滿足工藝要求，由于樹脂用量與環境溫度、壓力、玻纖不均勻性等因素相關，后期可以進一步優化灌注試驗方案，增強強度的同時，亦實現了輕量化。

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 結語

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