關于玻纖酚醛樹脂復合材料葉片的應用概述

張文澤，曹學偉，何世紀

（武漢理工大學機電工程學院，湖北 武漢430070）

1 地鐵風機的發展歷程

隨著國內外經濟的高速發展，大型城市的交通擁堵現象越發嚴重。地鐵交通由于具有載客量大、低能耗、污染小、高速、準時、安全等明顯優點，成為當前解決城市交通問題最有效的手段。但地鐵在運行時也存在不能將其產生的剩余能量及時利用或排出的問題。這樣不僅會使車站和區間溫度上升，同時也會影響地鐵列車的舒適性及空氣質量等問題，同時會產生一定的安全隱患。因此，地鐵通風系統是地鐵系統中一個重要組成部分，而地鐵風機葉片是地鐵通風系統中必不可少的結構。地鐵風機葉片的發展歷程如圖1所示。

圖1 地鐵風機的發展歷程

早期的地鐵風機葉片采用的是普通金屬材料，利用延展性易加工的特點以滿足風機尺寸的要求。目前國內外的地鐵風機葉片主要是以鋁合金葉片為主。通過優化設計，甚至仿生設計，利用有限元軟件模擬仿真與實驗結合進行復合材料設計，來減小風機發生失速、喘振、噪聲的可能性并提高風機效率。

2 現有材料的優缺點分析

地鐵風機葉片對材料的要求很高，除了需要質量輕，還需要有高強度、高硬度以及耐腐蝕性、耐疲勞性、耐高溫等性能。現有地鐵風機廠家廣泛采用鋁合金制造風機葉片，但隨著技術的改進，未來風機葉片材料以輕量化復合材料為發展趨勢。

2.1 鋁合金

鋁合金材料是一種以金屬鋁為基體材料，在基體材料中添加一定量其他合金元素的輕金屬材料。鋁合金具有金屬鋁的基礎特性和添加的合金元素的另外特性。另外特性是由添加的合金化元素的不同種類和數量決定的。鋁合金有良好的鑄造性、加工性、導電導熱性和抗腐蝕性，已經廣泛應用于航空航天、交通運輸以及日用品領域等。作為使用最廣泛的地鐵風機葉片材料，鋁合金葉片的質地較硬，不易變形，很耐用，有出風強而穩定的優點。但隨著科技與經濟的發展，地鐵風機開始往輕量化和低成本的方向發展。鋁合金的質地過重，不僅使風機的功耗增大，也增大了機器產生的噪音，同時還存在一定的使用危險性，以及維修保養的難度，已經不符合地鐵風機葉片的發展趨勢。

2.2 復合材料

2.2.1 玻璃纖維復合材料

玻璃纖維復合材料是一種以玻璃纖維及其制品為基體和增強材料，并通過一定工藝復合而成的新型材料。玻璃纖維是由熔融玻璃在快速抽拉的條件下形成的細絲，其質量小、強度高、抗腐蝕的能力強，同時制造成本低，是風機葉片材料的不錯選擇。但是玻璃纖維復合材料的比模量不夠高，環氧樹脂玻璃纖維作為最常見的玻璃纖維復合材料，高溫環境下性能不穩定，容易受熱分解，降低材料的剛度和強度，此時不能滿足地鐵風機葉片的工作環境要求。

2.2.2 碳纖維復合材料

碳纖維是指由有機纖維經過一系列熱處理轉化而成的新型無機高性能纖維材料，其含碳量高于90%，有較強的力學性能，不僅具有碳材料的本質特征，還具有紡織纖維材料的柔軟性，便于加工。由于碳纖維比玻璃纖維具有更高的比強度和比剛度，使用碳纖維復合材料能夠提高風能的利用率，適應葉片的工作環境，滿足對葉片更高的要求。現有碳纖維材料已廣泛應用于航空航天領域，有很高的應用價值和應用前景。但使用碳纖維復合材料使成本增加，遠遠降低其工程應用價值，將此類纖維復合材料應用于風機葉片是不合適的。

3 玻璃纖維酚醛樹脂材料結構設計

纖維金屬層板是由金屬薄板與纖維預浸料粘合后交替鋪層，在一定壓力和溫度下固化而成，纖維金屬板具備了金屬的延展性和可加工性，同時具有較高的斷裂韌性、優良的抗沖擊和耐疲勞性等優點。

在耐高溫方面，查資料可知，國內外提高酚醛固化體系耐熱性主要有3種途徑：合成具有耐熱性骨架結構的酚醛樹脂，合成具有新型耐熱結構的酚醛樹脂固化劑，與耐熱材料進行共混或共聚。

與環氧樹脂基玻璃纖維復合材料、鋁合金復合相比，酚醛樹脂基在高溫下綜合力學性能更好，而環氧樹脂基在高溫的環境下會出現分層現象，郭云竹等對玻璃纖維環氧樹脂復合材料的熱性能進行了研究，其中使用了固化劑4，4’二氨基二苯甲烷，研究結果表明隨著纖維含量的增加復合材料的熱穩定性也有所增加，該復合材料在300℃以上，開始熱分解，接近400℃分解速率最快。

4 復合材料輕量化設計

纖維增強復合材料結構應用中的基本出發點是具有高比強度和高比剛度的特點，比強度和比模量越高，結構的質量就會越輕。還有FRP力學性能的各向異性，通過合理設計發揮出材料的最大承載能力，完成復合材料輕量化結構設計。酚醛樹脂基體固化交聯后具有很強的內聚力，所以具有優良的力學性能。

第一階段對復合材料尺寸進行優化，確定所需要的結構；第二階段給出厚度優化設計方案；第三階段根據復合材料力學性能各向異性和強可設計性進行多次疊加優化。除此之外，還可以采用夾芯結構、格柵結構、桁架結構以及與金屬材料復合，改善強度與剛度。利用ABAQUS有限元軟件仿真與實驗，揭示層間損傷、纖維損傷及基體損傷的演化過程。對復合材料格柵結構的屈曲優化設計，基于有限元模型參數化設計和優化設計，找到最優彎曲格柵圖形并通過屈曲分析進行評估。

5 玻璃纖維酚醛樹脂復合材料的優點

與環氧樹脂相比，酚醛樹脂在高溫下具有較高的穩定性，綜合力學性能較好。環氧樹脂在高溫環境下容易出現分層現象。有研究表明，玻璃纖維環氧樹脂的隨著纖維量的增加，熱穩定性也隨之增加。該材料的熱分解初始溫度在300℃以上，400℃的分解速率最快。

使用玻璃纖維酚醛樹脂復合材料-鋁合金復合材料制成地鐵風機葉片，相對于環氧樹脂基的復合材料而言，玻璃纖維酚醛樹脂復合材料-鋁合金復合材料在高溫下的力學性能更強，根據資料，在180℃下，三維五向編制環氧樹脂復合材料的抗拉性能降低15.37%，而層合復合材料在相同條件下拉伸強度下降了34.42%，其原因為復合材料在高溫下，由于樹脂被破壞，使得復合材料發生分層。而酚醛樹脂基復合材料強度較高，在高溫下不易破壞，相對于環氧樹脂基更能適應地鐵風機葉片的工作環境。

在輕量化方面，目前地鐵風機葉片主要用的材料是鋁合金，而復合材料風扇葉片具有優異的性能，使用復合材料是產品輕量化有效手段，相比民用航空發動機風扇葉片性能要求，地鐵風機葉片使用性能遠遠要低，需要設計研究滿足地鐵使用要求的復合材料風機葉片，國內外對地鐵使用的復合材料風扇葉片的應用案例和研究很少。

6 玻璃纖維酚醛樹脂的應用場景

本文設計輕量化地鐵風機材料，具備輕量化、耐高溫以及性價比高的優勢。輕量化風機葉片為復合材料葉片，可用模具一次成型制造，便于實現完全自動化生產，為后續輕量化風機批量生產、標準化生產提供支持。

輕量化風機葉片還具備耐高溫的優勢，能穩定地在250℃的工質環境下連續工作，可應用于大型廢氣工廠高溫廢氣的排放系統，如火電廠、燃氣廠等。還可與廢氣渦輪增壓技術、廢氣再循環技術結合應用于利用余熱發電的排氣系統，如大型工廠集中擺放的空調外機排放廢氣、大型發動機排放廢氣等需要提供穩定熱源進行余熱回收利用的高溫廢氣利用系統。

同時風機葉片具有啟動慣量小的優勢，可應用于防腐防爆炸場合，如地下煤炭開采區、地下天然氣開采區的排氣系統中。輕量化風機葉片具有降低風阻的優勢，可提高排風效率，滿足熱電廠、鋼鐵廠等大型排氣廠的排氣需求。

7 總結

本文對地鐵風機葉片材料進行了系統的總結與展望，現有的地鐵風機葉片的材料大部分采用的是高強度鋁合金。但鋁合金的缺點也較為突出，鋁合金質地過重，使風機的功耗增大，也增大了機器產生的噪音，同時在使用的過程中也存在一定的危險性，也存在著維修不易的缺陷。