葉片真空灌注工藝樣件尺寸與纖維孔隙的影響分析

魯學(xué)林，鄭磊，李卓，張金峰

（北京鑒衡認(rèn)證中心，北京 100013）

0 引言

隨著能源危機(jī)日趨嚴(yán)重，風(fēng)能作為一種清潔、可再生的能源日益受到重視。作為風(fēng)電機(jī)組關(guān)鍵部件之一的復(fù)合材料葉片，目前多數(shù)采用真空灌注工藝。真空灌注工藝是將纖維等增強(qiáng)材料鋪設(shè)到模具上，再鋪上具有密封功能的真空輔助系列，在抽真空后的負(fù)壓下導(dǎo)入樹脂浸透增強(qiáng)材料并固化成型的工藝。

當(dāng)前也有不少關(guān)于葉片的真空灌注成型工藝方面的研究。董鋒巖[1]簡述了我國復(fù)合材料風(fēng)電機(jī)組葉片的發(fā)展現(xiàn)狀，并對(duì)葉片材料體系、灌注成型工藝進(jìn)行了較為詳細(xì)的論述；李傳勝、周利峰、張錦南[2]對(duì)真空灌注工藝的技術(shù)原理、工藝要求等進(jìn)行了探討，提出了影響灌注工藝的幾點(diǎn)重要因素；齊大偉、寧榮昌、凌輝[3]對(duì)用于真空灌注工藝的樹脂體系研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述；Scott M Rossell[4]通過真空灌注實(shí)驗(yàn)測(cè)定了3種增強(qiáng)材料在不同纖維體積含量下的滲透率，提出了混合增強(qiáng)材料疊加滲透率的推算方法，并通過實(shí)際葉片灌注予以驗(yàn)證。彭家順、高建勛[5]研究了真空灌注工藝管路布置以及孔隙的形成。

通常，研發(fā)新葉片時(shí)需要先做根端灌注試驗(yàn)，確認(rèn)設(shè)計(jì)的最厚布層區(qū)可以被浸透后，才可以做全尺寸葉片的灌注試驗(yàn)。本文著重討論了葉片根端灌注中橋架與孔隙的影響。

1 真空灌注孔隙的形成與影響

樹脂在纖維內(nèi)的流動(dòng)可分為樹脂在纖維束之間的流動(dòng)和在纖維束內(nèi)部纖維單絲之間的流動(dòng)，即宏觀流動(dòng)與微觀流動(dòng)[6-7]。纖維束間的孔隙比較大，形成的孔隙稱為宏觀孔隙；而纖維單絲之間的孔隙較小，形成的孔隙為微觀孔隙；前后者的動(dòng)力分別為動(dòng)壓力和毛細(xì)壓力。兩種孔隙引起的流動(dòng)速率的不同會(huì)導(dǎo)致纖維布層出現(xiàn)不同程度浸漬不良，從而形成白斑。

此外，還有表層纖維布與真空材料之間形成的間隙。樹脂在表層纖維布與真空材料形成的間隙以及在纖維布層中流動(dòng)的速率不同會(huì)產(chǎn)生虹吸現(xiàn)象導(dǎo)致纖維布層出現(xiàn)不同程度的“包絡(luò)”現(xiàn)象，形成白斑。

2 灌注試驗(yàn)

2.1 材料體系

材料體系如表1所示。

2.2 根端灌注與全尺寸葉片灌注試驗(yàn)

參照Aerodyn某款設(shè)計(jì)葉片的工藝做實(shí)驗(yàn)，具體的試驗(yàn)條件與結(jié)果對(duì)比如表2所示。

2.3 纖維間隙變化的葉片灌注試驗(yàn)

參照Aerodyn某款設(shè)計(jì)葉片的工藝做實(shí)驗(yàn)，具體的試驗(yàn)條件與結(jié)果對(duì)比如表3所示。

3 結(jié)果與分析

3.1 根端灌注與全葉片試驗(yàn)

從試驗(yàn)結(jié)果中可以看出，根端樣件與全葉片的根端出現(xiàn)了完全不同的灌注效果：樣件出現(xiàn)了嚴(yán)重的包絡(luò)現(xiàn)象，中間僅有31%的布層浸透；而全葉片根端僅在前后緣的翻邊陡峭處出現(xiàn)了小面積包絡(luò)，易于通過調(diào)整真空輔材尺寸解決。可見，根端試件的試驗(yàn)不完全等同于全葉片的根端灌注的膠液流動(dòng)模式。

原因分析：開啟注膠管后，膠液沿著導(dǎo)流網(wǎng)迅速向前流動(dòng)，同時(shí)也向下面布層滲透。對(duì)于根端試件，膠液很快就達(dá)到了纖維布的邊緣，而四周被壓緊的纖維布壁面與真空材料間形成“橋架”造成了虹吸現(xiàn)象，使得膠液在表層纖維布間加速前進(jìn)，速度明顯大于在布層間的下滲速度。樹脂到達(dá)注膠管最前端的布層后形成回流，導(dǎo)致中央布層中的空氣難以排出，膠液下滲速度變緩，產(chǎn)生包絡(luò)，最終樹脂產(chǎn)生凝膠，出現(xiàn)大面積的多層干布。而對(duì)于全葉片，由于重力作用膠液難以迅速上升到前后緣的翻邊，同時(shí)葉片根端的膠液可以向葉尖無限延伸，出現(xiàn)不了包絡(luò)現(xiàn)象，樹脂得以迅速下滲，浸透下層布層，而前后緣的小面積包絡(luò)應(yīng)該是導(dǎo)流體系的鋪設(shè)尺寸不合理導(dǎo)致的，可以通過增加導(dǎo)流網(wǎng)到翻邊的距離來解決。

表1 材料體系

3.2 纖維間隙變化的葉片灌注試驗(yàn)

從試驗(yàn)結(jié)果看出，增加纖維間隙，提高了布層間的孔隙率，使得灌注時(shí)間大大減少。同時(shí)，由于纖維布只是改變了纖維束間隙而沒有改變面密度，布層強(qiáng)度不會(huì)有變化，也可以保證葉片的強(qiáng)度不會(huì)有明顯變化。

原因分析：纖維間隙的適當(dāng)增加，使得膠液在纖維束間動(dòng)壓力增加，在布層間下滲的速度加快，同時(shí)纖維束間足量的膠液也使得纖維束間的毛細(xì)壓力增加，綜合結(jié)果是膠液下滲和浸透纖維的速度都增加了，布層浸漬良好，如表3所示。但是過度的增加纖維間隙，會(huì)使得纖維束間的動(dòng)壓力大于纖維束內(nèi)的毛細(xì)壓力而造成纖維絲的浸潤不良。從整體灌注時(shí)間上看，在葉片所有管路打開后，葉根與葉身的滲透速度都加快，最終提高了整體灌注時(shí)間。

4 結(jié)語

葉片灌注的質(zhì)量問題多是由工藝因素造成的，這些因素會(huì)影響到膠液在纖維布層間的流動(dòng)：宏觀流動(dòng)、微觀流動(dòng)和虹吸現(xiàn)象。在生產(chǎn)過程中，通過靈活設(shè)計(jì)與匹配工藝因素，如纖維間隙、導(dǎo)流材料的尺寸等，可以提高生產(chǎn)效率和避免缺陷。

表2 根端灌注與全尺寸葉片灌注試驗(yàn)對(duì)比

表3 纖維間隙變化的全尺寸葉片灌注試驗(yàn)對(duì)比

攝影：傅俊明

[1]董鋒巖.復(fù)合材料風(fēng)機(jī)葉片發(fā)展現(xiàn)狀及成型工藝進(jìn)展[A].玻璃鋼/復(fù)合材料增刊(第十七屆玻璃鋼/復(fù)合材料年會(huì)論文集)[C], 2008:343-345.

[2]李傳勝,周利峰,張錦南.真空灌注成型工藝及其影響因素的探討[J].玻璃鋼,2004(4):7-10.

[3]齊大偉,寧榮昌,凌輝.風(fēng)機(jī)葉片真空吸塑成型(VARTM)工藝的研究[J].中國膠粘劑,2007,17(4):50-56.

[4]Scott M.Rossell,Fluid Flow Modeling of Resin Transfer Molding for Material Wind Turbine Blade Structures [D].2004.

[5]彭家順,高建勛.葉片真空灌注工藝管路布置以及孔隙的形成[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2009（31）: 99-100.

[6]Micheal A A.Sapid Frederick R.Phelan Jr.Modeling Void Formation Dynamics in Fibrous Porous Media with the Lattic Bolzamann Method[J].Composite, Part A,1998,29:749-755.

[7]楊俊英.樹脂傳遞模塑工藝過程的樹脂模擬[D].濟(jì)南: 山東大學(xué),2007.