噴膠對復合材料風電葉片剪切性能的影響
1 前言
隨著煤、石油、天然氣等傳統化石能源耗盡時間表的日益臨近，風能的開發和利用越來越得到人們的重視，風能、核能及太陽能并列成為三大清潔能源。2015年，風電并網總量達到12934萬千瓦，占上網總電量的3.3%:,風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十三五規劃，到2020年風電將達到2億千瓦以上。
在大兆瓦級風力發電機組中.葉片成型是風電機組制造過程的核心技術。目前葉片制造工藝是通過真空灌注成型，需要在模具上預鋪設葉片的結構鋪層，再進行樹脂真空灌注，然后加熱固化，后通過結構膠粘接合上、下模成型。
葉片的鋪層結構如圖1所示.該結構型式為腹板通過結構膠粘接支撐起上、下主梁，殼體和腹板為三明治芯材結構，同時尾邊有尾緣梁.葉片的蒙皮和腹板芯材兩側主要鋪設雙軸向布，葉片殼體和腹板中間以芯材填充。葉根處主要鋪設的是三軸向玻纖布，主梁和尾緣梁主要鋪設單向布。
一般在葉片玻纖布鋪設工藝中，葉根處和尾邊增強層處由于模具曲率大和層數多成為鋪設過程中容易滑落的區域。由于葉根處需要打孔并且跟輪轂等金屬件相連，因此需要通過增加葉根處復合材料的厚度使其剛度與輪轂連續過渡，而且葉根受到各個方向的彎矩，因此用三軸向玻纖布鋪設TLX870。葉片的主梁與尾緣梁主要采用單向布，主梁一般采用預制的方式獲得，尾緣梁使用單向布是為了提高葉片在弦向的剛度。在大弦處，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時容易出現滑落，需要使用工裝進行固定，而且這兩個區域在結構鋪層中比較厚，需要通過剪切強度來傳遞上、下層玻纖布的應力，同時剪切強度反映了玻纖束與樹脂之間結合的能力。
以某2MW風力發電機組的 56.5 m葉片為例，葉根鋪層達到l00多層三軸向布TLX870，在大弦長位置鋪設30多層單向布L1250尾緣梁，在鋪設葉片殼體曲率大、層數多的玻纖布時容易出現滑落、褶皺和反彈等問題。目前行業內解決葉根鋪設滑移的方法有兩種：方式一，采用翻轉架預鋪設，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部。這種方法費時費力，而且倒回來的玻纖層數也容易出現褶皺。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，在玻纖布其他區域容易出現褶皺，而且每一層數需用針線縫，同樣耗費時間長，影響葉片生產周期。在葉片大弦長的位置，模具在軸向和弦向的曲率都很大。該區域葉片模具上鋪設的是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。
在葉片模具上預鋪設干玻纖布時碰到玻纖布層數多而且模具曲率又較大時，在鋪設玻纖布過程中容易出現滑落、褶皺等現象，一旦出現該問題，返工時間又比較長，而且弄褶的玻纖布很難再恢復起來，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，如表回所示，讓其噴出的霧狀物灑在玻纖布上可對其進行固定，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玻纖束內，導致玻纖的含量下降，尤其會影響復合材料葉片的剪切強度。
綜合葉片的鋪層結構和工藝分析結果，本文重點研究噴膠0對三軸向布和單向布為主的復合材料的纖維含量和剪切強度的影響，玻纖布鋪設使用噴膠后，復合材料的剪切強度能否滿足葉片結構設計要求。目前行業未有專門研究，因此研究噴膠對復合材料剪切強度的影響對提高葉片生產效率、縮短產品生產周期、提升產品質量有重要義。
2 實驗部分
2.1增強相
單向布 L1250面密度為 1250g/㎡’;M軸向布TLX870面密度為 870g/㎡;玻纖布采用 OCV品牌SE1500環氧型紗線進行編織。
2.2 基 體
基體采用恒斯曼樹脂與固化劑按照表2所示比例混合，混合后的粘度在500——600 CpS左右，粘度需要滿足真空灌注要求。葉片在真空灌注時，樹脂能夠滲透進玻璃纖維束內與玻璃纖維形成一體，得到復合材料。復合材料界面結合能力的大小主要取決于樹脂的性能。
2.3 樣板制備
用真空灌注工藝制作四組樣板，第1、II兩組都用單向布復合材料，二者之間的差別為是否使用噴膠;第|III、IV組用三軸向布復合材料，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 1250g/㎡，后面單層克重為 870g/㎡，故前面兩組選用12層，后面兩組選用24層做為對照實驗，詳見表3所示。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。
按照試驗方案進行工藝鋪層。進膠前真空袋在-0. 09～ -0. 08 MPa 下保壓10 min，壓力表壓降△P≤0. 008 MPa; 將環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，結束后在環境溫度為( 25±2) ℃、濕度為 ( 60±15) %、真空壓力為—0. 09 —0. 08 MPa 的真空條件下導入樹脂; 樹脂灌注完后關閉進膠口，在—0. 09— 0. 08 MPa 的真空壓力下真空保壓至樹脂凝膠。2. 4 層間剪切測試標準測量試驗件尺寸，剪切按照ISO 14130 ∶1998 標準執行，在試驗機上以1 mm/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. 4葉片玻纖含量測試
把玻璃鋼切成3 cm×3 cm 的小樣，稱取坩堝質量m1( g) ，然后把玻璃鋼放在坩堝里，稱重坩堝加試樣質量m2;
把坩堝放在馬弗爐里升溫至500 ℃，進行高溫鍛燒1 h，待其冷卻后，稱重灼燒后坩堝加殘留試樣質量m3( g) ;
計算重量含量α= ( m3——m1) /( m2——m1) ×100%。
3 結果與討論
3. 1 復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，后1 個對比樣組是取前面3 個樣組的均值進行比較，如圖2 所示。
從圖2 中可以看出，相同樣板里纖維體積含量差別控制在1%范圍內，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. 9%之間。三軸布加噴膠纖維體積含量為45. 7%，不加噴膠纖維體積含量為52. 6%，噴膠導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，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度及模量也相應下降，不過對提高玻璃鋼的疲勞強度有好處。
根據單向復合材料縱向強度的混合律方程，復合材料的拉伸強度是由基體和增強體的強度和體積含量決定的，由于玻纖的強度遠大于樹脂基體的強度，因而單向玻璃鋼的強度主要取決于纖維的強度及含量，噴膠對整個復合材料的拉伸強度幾乎沒有影響，纖維本身的強度及其含量決定了整個材料的拉伸強度，見式( 1) 。
3. 2 復合材料的剪切性能
剪切強度分為層間剪切和面內剪切。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; 面內剪切是面內玻纖布在同一平面內單位面積抵抗剪切力的指標，如圖3 所示。
3. 2. 1 面內剪切強度
根據復合材料的理論，玻纖體積含量的下降對復合材料剪切強度有影響。三軸向布的纖維體積含量下降了6. 9%，對面內剪切強度的影響可以通過下面的公式進行推導。三軸布可以分成0°和+ / ——45°兩種玻纖布剪切強度來計算，對TLX870 來說，單向布占57. 5%，雙軸布占42. 5%。根據張汝光的復合材料面內剪切模量和強度計算公式，下面從理論上討論樹脂含量與面內剪切強度的關系。
3. 2. 2 層間剪切性能測試
層間剪切影響因素很多，采用實驗室定量測試來分析，表5 所示為噴膠對不同玻纖布型號的復合材料樣板剪切強度的影響。
數據處理，求取平均值、標準差、離散系數和特征值。特征值計算公式為:
式中，X 為測試結果的平均值; V 為測試結果的離散系數; n 為測試次數。
數據處理原則: 強度值∈( 強度平均值±1. 645×標準方差) 。
在單向布復合材料中使用噴膠后，層間剪切強度下降明顯，只有原來的38. 6%; 層間剪切性能的數值離散度較大，性能不均衡; 三軸向布復合材料中加入噴膠后，層間剪切強度也有所下降，只有原來的81. 2%，層間剪切性能的數值離散度較大，性能不均衡。從以上數據來看，噴膠對葉片的剪切性能影響很大，并且測量的數值離散性相當大。對于單向布來說，層間剪切強度下降很大，在葉片單向布層數越多的區域，比如主梁和尾緣梁處禁止使用噴膠。葉片玻纖層數越厚的位置，該區域在受力的時候，一面受壓，另一面受拉，中間依靠層間剪切力來傳遞應力，如果層間剪切不足，玻纖將發生分層破壞。在以三軸布鋪層為主的葉根鋪設區域，可以適量地使用噴膠。
4 結論
(1) 噴膠對單向布復合材料玻纖含量影響很小; 噴膠使得三軸布TLX870 復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%，剪切強度下降了11. 1%;
(2) 單向玻纖布復合材料樣板使用噴膠后，層間剪切強度下降明顯，只有原來的38. 6%; 并且層間剪切性能的數值離散度較大，層間剪切性能不均衡;三軸向布復合材料樣板使用噴膠后，層間剪切強度也有所下降，只有原來的81. 2%，同樣性能不均衡;
(3) 噴膠禁止在以單向布為主的鋪層里使用，在鋪設三軸布時可以適量使用。
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隨著煤、石油、天然氣等傳統化石能源耗盡時間表的日益臨近，風能的開發和利用越來越得到人們的重視，風能、核能及太陽能并列成為三大清潔能源。2015年，風電并網總量達到12934萬千瓦，占上網總電量的3.3%:,風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十三五規劃，到2020年風電將達到2億千瓦以上。
在大兆瓦級風力發電機組中.葉片成型是風電機組制造過程的核心技術。目前葉片制造工藝是通過真空灌注成型，需要在模具上預鋪設葉片的結構鋪層，再進行樹脂真空灌注，然后加熱固化，后通過結構膠粘接合上、下模成型。
葉片的鋪層結構如圖1所示.該結構型式為腹板通過結構膠粘接支撐起上、下主梁，殼體和腹板為三明治芯材結構，同時尾邊有尾緣梁.葉片的蒙皮和腹板芯材兩側主要鋪設雙軸向布，葉片殼體和腹板中間以芯材填充。葉根處主要鋪設的是三軸向玻纖布，主梁和尾緣梁主要鋪設單向布。
一般在葉片玻纖布鋪設工藝中，葉根處和尾邊增強層處由于模具曲率大和層數多成為鋪設過程中容易滑落的區域。由于葉根處需要打孔并且跟輪轂等金屬件相連，因此需要通過增加葉根處復合材料的厚度使其剛度與輪轂連續過渡，而且葉根受到各個方向的彎矩，因此用三軸向玻纖布鋪設TLX870。葉片的主梁與尾緣梁主要采用單向布，主梁一般采用預制的方式獲得，尾緣梁使用單向布是為了提高葉片在弦向的剛度。在大弦處，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時容易出現滑落，需要使用工裝進行固定，而且這兩個區域在結構鋪層中比較厚，需要通過剪切強度來傳遞上、下層玻纖布的應力，同時剪切強度反映了玻纖束與樹脂之間結合的能力。
以某2MW風力發電機組的 56.5 m葉片為例，葉根鋪層達到l00多層三軸向布TLX870，在大弦長位置鋪設30多層單向布L1250尾緣梁，在鋪設葉片殼體曲率大、層數多的玻纖布時容易出現滑落、褶皺和反彈等問題。目前行業內解決葉根鋪設滑移的方法有兩種：方式一，采用翻轉架預鋪設，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部。這種方法費時費力，而且倒回來的玻纖層數也容易出現褶皺。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，在玻纖布其他區域容易出現褶皺，而且每一層數需用針線縫，同樣耗費時間長，影響葉片生產周期。在葉片大弦長的位置，模具在軸向和弦向的曲率都很大。該區域葉片模具上鋪設的是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。
在葉片模具上預鋪設干玻纖布時碰到玻纖布層數多而且模具曲率又較大時，在鋪設玻纖布過程中容易出現滑落、褶皺等現象，一旦出現該問題，返工時間又比較長，而且弄褶的玻纖布很難再恢復起來，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，如表回所示，讓其噴出的霧狀物灑在玻纖布上可對其進行固定，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玻纖束內，導致玻纖的含量下降，尤其會影響復合材料葉片的剪切強度。
綜合葉片的鋪層結構和工藝分析結果，本文重點研究噴膠0對三軸向布和單向布為主的復合材料的纖維含量和剪切強度的影響，玻纖布鋪設使用噴膠后，復合材料的剪切強度能否滿足葉片結構設計要求。目前行業未有專門研究，因此研究噴膠對復合材料剪切強度的影響對提高葉片生產效率、縮短產品生產周期、提升產品質量有重要義。
2 實驗部分
2.1增強相
單向布 L1250面密度為 1250g/㎡’;M軸向布TLX870面密度為 870g/㎡;玻纖布采用 OCV品牌SE1500環氧型紗線進行編織。
2.2 基 體
基體采用恒斯曼樹脂與固化劑按照表2所示比例混合，混合后的粘度在500——600 CpS左右，粘度需要滿足真空灌注要求。葉片在真空灌注時，樹脂能夠滲透進玻璃纖維束內與玻璃纖維形成一體，得到復合材料。復合材料界面結合能力的大小主要取決于樹脂的性能。
2.3 樣板制備
用真空灌注工藝制作四組樣板，第1、II兩組都用單向布復合材料，二者之間的差別為是否使用噴膠;第|III、IV組用三軸向布復合材料，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 1250g/㎡，后面單層克重為 870g/㎡，故前面兩組選用12層，后面兩組選用24層做為對照實驗，詳見表3所示。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。
按照試驗方案進行工藝鋪層。進膠前真空袋在-0. 09～ -0. 08 MPa 下保壓10 min，壓力表壓降△P≤0. 008 MPa; 將環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，結束后在環境溫度為( 25±2) ℃、濕度為 ( 60±15) %、真空壓力為—0. 09 —0. 08 MPa 的真空條件下導入樹脂; 樹脂灌注完后關閉進膠口，在—0. 09— 0. 08 MPa 的真空壓力下真空保壓至樹脂凝膠。2. 4 層間剪切測試標準測量試驗件尺寸，剪切按照ISO 14130 ∶1998 標準執行，在試驗機上以1 mm/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. 4葉片玻纖含量測試
把玻璃鋼切成3 cm×3 cm 的小樣，稱取坩堝質量m1( g) ，然后把玻璃鋼放在坩堝里，稱重坩堝加試樣質量m2;
把坩堝放在馬弗爐里升溫至500 ℃，進行高溫鍛燒1 h，待其冷卻后，稱重灼燒后坩堝加殘留試樣質量m3( g) ;
計算重量含量α= ( m3——m1) /( m2——m1) ×100%。
3 結果與討論
3. 1 復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，后1 個對比樣組是取前面3 個樣組的均值進行比較，如圖2 所示。
從圖2 中可以看出，相同樣板里纖維體積含量差別控制在1%范圍內，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. 9%之間。三軸布加噴膠纖維體積含量為45. 7%，不加噴膠纖維體積含量為52. 6%，噴膠導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，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度及模量也相應下降，不過對提高玻璃鋼的疲勞強度有好處。
根據單向復合材料縱向強度的混合律方程，復合材料的拉伸強度是由基體和增強體的強度和體積含量決定的，由于玻纖的強度遠大于樹脂基體的強度，因而單向玻璃鋼的強度主要取決于纖維的強度及含量，噴膠對整個復合材料的拉伸強度幾乎沒有影響，纖維本身的強度及其含量決定了整個材料的拉伸強度，見式( 1) 。
3. 2 復合材料的剪切性能
剪切強度分為層間剪切和面內剪切。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; 面內剪切是面內玻纖布在同一平面內單位面積抵抗剪切力的指標，如圖3 所示。
3. 2. 1 面內剪切強度
根據復合材料的理論，玻纖體積含量的下降對復合材料剪切強度有影響。三軸向布的纖維體積含量下降了6. 9%，對面內剪切強度的影響可以通過下面的公式進行推導。三軸布可以分成0°和+ / ——45°兩種玻纖布剪切強度來計算，對TLX870 來說，單向布占57. 5%，雙軸布占42. 5%。根據張汝光的復合材料面內剪切模量和強度計算公式，下面從理論上討論樹脂含量與面內剪切強度的關系。
3. 2. 2 層間剪切性能測試
層間剪切影響因素很多，采用實驗室定量測試來分析，表5 所示為噴膠對不同玻纖布型號的復合材料樣板剪切強度的影響。
數據處理，求取平均值、標準差、離散系數和特征值。特征值計算公式為:
式中，X 為測試結果的平均值; V 為測試結果的離散系數; n 為測試次數。
數據處理原則: 強度值∈( 強度平均值±1. 645×標準方差) 。
在單向布復合材料中使用噴膠后，層間剪切強度下降明顯，只有原來的38. 6%; 層間剪切性能的數值離散度較大，性能不均衡; 三軸向布復合材料中加入噴膠后，層間剪切強度也有所下降，只有原來的81. 2%，層間剪切性能的數值離散度較大，性能不均衡。從以上數據來看，噴膠對葉片的剪切性能影響很大，并且測量的數值離散性相當大。對于單向布來說，層間剪切強度下降很大，在葉片單向布層數越多的區域，比如主梁和尾緣梁處禁止使用噴膠。葉片玻纖層數越厚的位置，該區域在受力的時候，一面受壓，另一面受拉，中間依靠層間剪切力來傳遞應力，如果層間剪切不足，玻纖將發生分層破壞。在以三軸布鋪層為主的葉根鋪設區域，可以適量地使用噴膠。
4 結論
(1) 噴膠對單向布復合材料玻纖含量影響很小; 噴膠使得三軸布TLX870 復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%，剪切強度下降了11. 1%;
(2) 單向玻纖布復合材料樣板使用噴膠后，層間剪切強度下降明顯，只有原來的38. 6%; 并且層間剪切性能的數值離散度較大，層間剪切性能不均衡;三軸向布復合材料樣板使用噴膠后，層間剪切強度也有所下降，只有原來的81. 2%，同樣性能不均衡;
(3) 噴膠禁止在以單向布為主的鋪層里使用，在鋪設三軸布時可以適量使用。
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