風力機葉片用復合材料的拉伸及沖蝕磨損性能

董旭旭，李新梅，董蘭蘭，曹祥輝

(新疆大學機械工程學院， 烏魯木齊 830008)

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風力機葉片用復合材料的拉伸及沖蝕磨損性能

董旭旭，李新梅，董蘭蘭，曹祥輝

(新疆大學機械工程學院， 烏魯木齊 830008)

摘要：采用真空灌注成型工藝制備了風力機葉片用玻璃纖維增強樹脂基復合材料，研究了其顯微結構、拉伸性能以及在氣固兩相流下的沖蝕磨損性能。結果表明：復合材料的拉伸曲線呈Weibull分布，斷裂前無明顯的屈服現象；鋪設6層纖維織物復合材料的拉伸強度為456.87 MPa，12層的拉伸強度為646.69 MPa，其彈性模量均為4 720.36 MPa；復合材料沖蝕率分別隨沖蝕顆粒沖擊角和沖擊速度的增加而增大，隨著顆粒粒徑的增大成波動性下降。

關鍵詞：風力機葉片；復合材料；真空灌注成型；力學性能；沖蝕磨損

0引言

由于獨特的地理位置和地形地貌，我國的風能資源豐厚，居世界前列。風力發電因綠色、環保而得到了廣泛的關注。風力發電機組最關鍵、最核心的部件是風力機轉子葉片，其設計、質量和性能決定了風力發電機組的性能。因此，葉片的設計水平和制造質量被認為是風力發電機組的關鍵和核心技術[1-2]。風力發電機組在復雜而惡劣的環境下運行時，葉片所承受的載荷多為交變應力，同時高速風沙的沖蝕作用較強，導致其會過早失效。

目前商品化大型風力機葉片多采用玻璃纖維增強樹脂基復合材料，與其他材料相比具有比強度高、比模量高、耐疲勞性能好等優點，復合材料的研究和應用是風力機葉片材料發展的必然趨勢[3]。我國已研發了200～750 kW系列大型風力機復合材料葉片，并已實現批量生產。兆瓦級風力發電機的研究是近年來的熱點，如何減輕自重是葉片選材關鍵。碳纖維復合材料具有輕質高強等優異性能，但是由于其價格過高在工業領域應用較少，目前兆瓦級葉片材料仍以玻璃纖維增強樹脂基復合材料為主。對該葉片的研究也大多集中在結構和強度設計方面，關于高速風沙對其沖蝕磨損性能的影響研究報道較少[4]。

為此，作者制備了兆瓦級風力發電機葉片用玻璃纖維增強環氧樹脂基復合材料[5]，研究了其顯微結構和常溫下的拉伸性能，并模擬新疆地區實際工況進行了氣固兩相流下的沖蝕磨損試驗，研究了沖蝕顆粒粒徑、沖擊角和沖擊速度對葉片沖蝕磨損性能的影響。

1試樣制備與試驗方法

1.1　試樣制備

試驗材料有環氧樹脂，型號為MGSRIMR035C，密度為109～116 g·cm-3，動力黏度為1 100～1 600 mPa·s，環氧當量為180～200 g，耐火系數為1 555～1 565；E玻璃纖維三軸向(0°和±45°)織物，面密度為1 267 g·m-2，單層厚度為0.9 mm；固化劑，型號為MGSRIMH037，密度為0.93～0.95 g·cm-3，動力黏度為10～50 mPa·s，胺值為400～600，耐火系數為1 500～1 463，均由山東華業風能有限責任公司提供。

選擇葉片上承受風沙沖蝕最嚴重的部位，即葉片前緣的鋪層作為研究對象,采用真空灌注成型工藝[6-7]制備玻璃纖維增強環氧樹脂基復合材料，玻璃纖維織物和環氧樹脂的質量比為4∶6，樹脂與固化劑的質量比為100∶28。將纖維織物裁剪成1 000 mm×800 mm的大小，按照逐層堆疊鋪層方式鋪放在模具內，鋪層數分別為6層和12層；將環氧樹脂和固化劑攪拌均勻，除氣泡后導入模具中，模具抽真空，真空度為0.06 MPa；待樹脂充滿模具后，在室溫下保壓固化8 h，脫模后在80 ℃下后固化6 h，隨爐冷卻至室溫后，在酒精中超聲波清洗，吹干備用。

1.2　試驗方法

采用LED-1430VP型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察原始試樣和沖蝕后試樣的表面形貌。

在復合材料上截取拉伸試樣，形狀和尺寸如圖1所示，按照GB/T 1447-2005,使用WDW-300D型拉伸試驗機進行常溫拉伸試驗，拉伸速度2 mm·min-1，采用CML-1H型應變和應力綜合測試儀同步繪制其應力-應變曲線。

圖1　拉伸試樣的形狀和尺寸Fig.1　Shape and size of tensile specimen

采用西安交通大學焊接所自制的沖蝕磨損試驗機進行氣固兩相流沖蝕磨損試驗，利用壓縮氣體帶動沖蝕顆粒沖刷試樣，工作原理如圖2所示。試樣尺寸為60 mm×45 mm×5 mm。

圖2　沖蝕磨損試驗示意Fig.2 　Schematic diagram of erosion-wear test

根據新疆地區風沙的主要成分[8-10]，結合試驗的可行性選取了SiO2和Al2O3作為沖蝕顆粒，兩者質量比為7∶1。由文獻[11]可知不同流動高度下風沙的粒徑大小不同，在2 m以下以粗沙(粒徑0.5～2 mm)為主，5 m以上細沙(粒徑小于0.5 mm)占83%，在2～5 m，既含有粗沙也含有細沙。兆瓦級風力發電機葉片距地面高度15 m左右，因此選取了0.42～0.84，0.212～0.42，0.104～0.212，0.074～0.15 mm四種粒徑范圍的沖蝕顆粒，每次沖刷用量為1 kg。試樣表面和入射顆粒運動軌跡之間的夾角(沖擊角)分別為15°，30°，45°，60°，90°。依據新疆每年風電場的風力情況，選取了7.9，12.8，17.4 m·s-1三種風速，采用雙轉盤法[12]測定沖蝕顆粒平均沖擊速度，通過調節壓縮空氣壓力控制顆粒平均沖擊速度與所選風速相同。

采用精度為0.1 mg的光電天平測試樣在沖蝕試驗前后的質量，測試前將試樣置于酒精中超聲波清洗,晾干。根據下式計算沖蝕率：

(1)

式中：E為試樣沖蝕率，g·kg-1；m0為沖蝕前試樣的質量，g；m1為沖蝕后試樣的質量，g；mm為每次沖蝕時沖蝕顆粒的質量，kg。

2試驗結果與討論

2.1　原始試樣表面形貌

通過肉眼觀察可發現原始試樣表面沒有組織破壞，玻璃纖維與樹脂緊緊地結合在一起，試樣清澈、透明，無明顯白絲。由圖3可知，環氧樹脂在玻璃纖維織物上逐層堆積，緊密圍繞在玻璃纖維鋪層周圍，纖維與樹脂浸潤性較好，采用灰度法測試可知試樣表面氣孔率較低。氣孔等缺陷的存在會使裂紋容易在這些部位萌生和擴展,而較低的氣孔率有利于提高材料的抗沖蝕能力[13]。

圖3　原始試樣表面SEM形貌Fig.3　SEM morphology of raw specimen

2.2　拉伸性能

由圖4可知，鋪放6層和12層纖維織物的試樣，其應力-應變曲線變化趨勢相近，試樣斷裂前沒有明顯的屈服現象；6層纖維織物試樣的拉伸強度為456.87 MPa，12層的拉伸強度為646.69 MPa，彈性模量均為4 720.36 MPa，呈現出較高的初始模量和拉伸強度。在試樣拉伸過程中,玻璃纖維織物及纖維與樹脂基體的結合界面處承受主要載荷，因此呈現出與普通機織復合材料類似的拉伸性能。

圖4　不同試樣的拉伸應力-應變曲線Fig.4　Tensile stress-strain curves of the specimens

有關玻璃纖維增強復合材料等脆性材料拉伸強度分布的研究較多，普遍認為其服從Weibull分布(最弱連接理論)[14]。在拉伸過程中，材料的破壞始于玻璃纖維織物中某一最弱纖維，隨著載荷的增大斷裂纖維的數目隨之增加，當達到一定根數時，材料整體斷裂。Weibull斷裂理論建立在材料各向同性并且數據統計均勻、材料中的N條裂紋間無相互作用的基礎上，當N足夠大時其分布函數為：

(2)

式中：σ為斷裂強度；σth為位置參數，脆性材料σth為0；σ0為尺寸參數；P為拉伸強度不高于σ的概率；m為Weibull模量。

圖5為試樣拉伸過程中的典型形貌。在拉伸載荷加載初期，試樣外觀沒有明顯變化；加載持續一段時間后出現“噼啪”的纖維斷裂聲；當達到極限載荷時試樣斷裂，玻璃纖維織物大部分被拉斷，只有小部分相連，說明當纖維斷裂達到一定根數時，試樣整體斷裂；試樣斷裂面為與軸線成45°的斜面，纖維斷裂的位置參差不齊，說明拉伸載荷并非全部集中在纖維上，而是由玻璃纖維織物及纖維與樹脂基體的結合界面處共同承擔。

圖5　試樣拉伸過程的典型形貌Fig.5　Typical morphology of the specimen during tensile process

2.3　沖蝕磨損性能

由圖6可知，當顆粒粒徑在0.104～0.212 mm，沖擊速度為12.8 m·s-1時，試樣沖蝕率隨著沖擊角的增大而增加，沖蝕率的增加說明試樣受到風沙沖蝕的破壞變大。當沖擊角增大時沖蝕顆粒切向速度減小，垂直于試樣的正向速度增大，正向速度增大導致顆粒擠壓并嵌入試樣，增大了切削深度，使試樣產生疲勞破壞；而切向速度增大則使試樣表面劃痕增多，顆粒對試樣產生靜強度破壞。

圖6　不同沖擊角沖蝕時試樣的沖蝕率曲線Fig.6　Erosion rate curves of the specimen after erodedat different impact angles

劉英杰等[15]認為材料的沖蝕率與沖擊角的關系可表示為:

(3)

式中：α為沖擊角；n,A′,B′為常數。

脆性材料沖蝕時A′為0，B′取1.2左右，代入式(3)計算得到的沖蝕率見圖6。可見，理論計算結果與試驗結果基本吻合。在保證顆粒粒徑范圍和沖擊速度一定的情況下，風力機葉片用玻璃纖維增強樹脂基復合材料的沖蝕率與沖擊角的關系基本滿足式(3)。

大沖擊角沖蝕過程分為兩個階段,即顆粒直接入射造成的一次沖蝕(包括沖擊顆粒的切削、鑿削、犁溝擠壓)和破碎粒子造成的二次沖蝕[16]。由圖7可以看到，0.104～0.212 mm的顆粒在12.8 mm·s-1的沖擊速度下以90°的沖擊角沖蝕試樣后，樹脂基體與玻璃纖維發生了脫離(包括玻璃纖維的沖斷和拔出)，試樣出現分層并產生裂紋。

圖7　90°沖蝕后試樣表面SEM形貌(顆粒粒徑0.104～0.212 mm，沖擊速度12.8 m·s-1)Fig.7　SEM morphology of the specimen after eroded at 90° (particle size of 0.104-0.212 mm and impact velocity of 12.8 m·s-1)

由圖8可知，沖蝕顆粒粒徑為0.104～0.212 mm，沖擊角為45°時，試樣沖蝕率隨著顆粒沖擊速度的增大而增加。顆粒速度越大，其動能也越大，對試樣的沖蝕也就越大。邵荷生等[17]認為，材料發生沖蝕磨損存在一個沖擊速度的門檻值,低于這個數值不產生沖蝕磨損,只發生彈性變形；當沖擊速度高于門檻值時,材料沖蝕率與顆粒沖擊速度存在如下關系:

(4)

式中：v0為沖蝕顆粒沖擊速度；k,n為常數。

圖8　不同沖擊速度沖蝕后試樣的沖蝕率曲線Fig.8　Erosion rate curves of the specimen erodedunder different impact velocities

試樣為脆性材料，n取3，k取0.000 4，代入式(4)計算所得沖蝕率見圖8。可見，理論計算結果與試驗結果基本吻合。在顆粒粒徑和沖擊角一定時，風力機葉片用玻璃纖維增強樹脂基復合材料的沖蝕率與沖擊速度的關系基本滿足式(4)。

由圖9可知，試樣在17.4 m·s-1的沖擊速度下沖蝕后，玻璃纖維被拔出，在樹脂基體中留下凹坑；大面積的玻璃纖維被沖斷從而形成了表面斷層現象。這是因為樹脂基體的硬度比沖蝕顆粒的低，顆粒沖刷后在試樣表面產生微切削、犁溝，隨后產生脆性片狀脫離，出現玻璃纖維的沖斷和拔出現象。

圖9　17.4 m·s-1沖擊速度沖蝕后試樣表面SEM形貌(顆粒粒徑0.104～0.212 mm，沖擊角45°)Fig.9　SEM morphology of the specimen eroded under impact velocity of 17.4 m·s-1 (particle size of 0.104-0.212 mm 　　　　　　and impact angle of 45°)

由表1可知，當沖擊速度為12.8 m·s-1，沖擊角為45°時，試樣沖蝕率隨著顆粒粒徑的增大呈現上下波動；當顆粒粒徑為0.212～0.42 mm時，沖蝕率最大，為0.850 7 g·kg-1，粒徑為0.42～0.84 mm時最低，為0.691 5 g·kg-1；顆粒粒徑對試樣沖蝕率的影響相對較小。當顆粒粒徑為0.104～0.212 mm時，顆粒間的沖擊和反彈過程發生相互干擾的概率大大提高[18]，導致顆粒沖擊能量降低，使沖蝕率下降；但顆粒粒徑繼續增大時，與試樣的接觸面積也隨之增大，導致試樣表面微切削和犁溝增多增大，沖蝕率又隨之上升；但粒徑增大的同時顆粒質量也相應增大，當粒徑為0.42～0.84 mm時空氣挾帶到達試樣表面的顆粒數量大量減少，又導致了沖蝕率的下降。

表1　不同粒徑顆粒沖蝕后試樣的沖蝕率Tab.1　Erosion rates of the specimen eroded with particlesof different sizes

由圖10可知，在粒徑為0.212～0.42 mm的顆粒沖蝕后，玻璃纖維與樹脂基體出現了剝離、脫落。

圖10　粒徑為0.212~0.42 mm的顆粒沖蝕后試樣表面SEM形貌(沖擊角45°，沖擊速度12.8 m·s-1)Fig.10　SEM morphology of the specimen eroded with the particle size of 0.212-0.42 mm (impact angle of 45° and impact velocity of 12.8 m·s-1)

3結論

(1) 玻璃纖維增強環氧樹脂基復合材料的拉伸強度服從Weibull分布，斷裂前沒有明顯的屈服；鋪放6層纖維織物復合材料的拉伸強度為456.87 MPa，12層的拉伸強度為646.69 MPa，彈性模量均為4 720.36 MPa;拉伸載荷由玻璃纖維織物及纖維與基體的結合界面處共同承擔，拉伸斷裂面與軸線成45°。

(2) 玻璃纖維增強環氧樹脂基復合材料沖蝕率隨顆粒沖擊角的增加而增大，表現出明顯的脆性沖蝕特征；同時也隨著顆粒沖擊速度的增大而增加，兩者基本呈指數關系。

(3) 玻璃纖維增強環氧樹脂基復合材料的沖蝕率隨顆粒粒徑的增大呈現出先減小再增大再減小的波動趨勢，但粒徑大小對沖蝕率的影響相對較小。

(4) 玻璃纖維增強環氧樹脂基復合材料在氣固兩相流下沖蝕后的破壞形式主要有玻璃纖維與樹脂基體剝離、玻璃纖維斷裂、樹脂基體脆性片狀脫離等。

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Tensile and Erosion-wear Properties of Composite Material

for Wind Turbine Blade

DONG Xu-xu, LI Xin-mei, DONG Lan-lan, CAO Xiang-hui

(College of Mechanical Engineering, Xinjiang University, Urumqi 830008, China)

Abstract:The glass fiber reinforced resin composite material for wind turbine blade was prepared by vacuum infusion method and the microstructure, mechanical and erosion-wear properties under gas-solid two phase flow were also studied. The results show that the tensile curve of the composite material was in accordance with Weibull distribution and no obvious yield point was observed before fracture. The tensile strength of the composite material with 6 fiber layers was 456.87 MPa and of 12 fiber layers was 646.69 MPa. The elastic modulus of the composite material was 4 720.36 MPa. The erosion rate of the composite material increased with the increase of impact angle and velocity of the erosion particles, and showed a decreased fluctuation with the increase of the particle size.

Key words:wind turbine blade; composite material; vacuum infusion; mechanical property; erosion-wear

中圖分類號：V258.3

文獻標志碼：A

文章編號：1000-3738(2015)12-0025-05