風電葉片玻纖拉擠板性能影響因素的研究

王偉偉，楊 忠，劉鮮紅，賈宇婷，常軍委

(東方電氣(天津)風電葉片工程有限公司 天津 300480)

0 引 言

隨著海上風力資源和陸上超低風資源的開發，國內外風電葉片的開發開始加速，國外LM公司首次推出了 LM107m 葉片，明陽、重通、中材、時代等葉片廠也陸續推出長 80m 以上的葉片，葉片大型化已然成為趨勢，但是大型化帶來的成本、重量及與主機載荷匹配的壓力也成倍增加。目前風電行業處于競價時代，平價項目正在快速推進，輕量化、高強度、低成本正成為葉片發展追求的目標[1]。主梁作為風電葉片重要承力部件，其性能提升和成本降低，是葉片大型化發展需突破解決的難題[2-3]。

葉片主梁主要是由增強材料(玻璃纖維等)和基體材料(樹脂)合成的[4]，與玻璃纖維布灌注工藝和手糊工藝相比，玻纖拉擠板由于生產過程中纖維紗直線度極高的特點，故能夠更充分地發揮玻璃纖維紗線的性能，使產品軸向方向的性能更優異[5]。在同種紗線的條件下，玻纖經編編織單向布經真空灌注成型的復合材料纖維體積含量一般在55%左右、模量為52GPa左右，但玻纖拉擠板的纖維體積含量可以達到 70%、模量可以達到 63GPa。如果玻纖拉擠板替換單向織物復合材料，則主梁可減重 21%，葉片整體可減重5%～7%，葉片重量明顯減少，給機組承載及疲勞性能帶來的壓力大幅減少。玻纖拉擠板在葉片上的應用不僅可以增加葉片剛度，而且可以減輕葉片重量、降低葉片制造成本。基于以上優點，玻纖拉擠板在風電行業被廣泛關注，玻纖拉擠板的靜態性能的研究尤為重要。本文主要研究了不同紗線、不同纖維體積含量、不同層間織物和不同表面粗糙度這4種因素對于玻纖拉擠板靜態性能的影響。

1 實驗部分

1.1 材料

表1為不同模量紗線樣品信息，表2為不同纖維體積含量拉擠板樣品信息，表3為不同表面粗糙度拉擠板樣品信息，表 4為不同層間織物樣品信息。選取表1至表4的材料進行實驗。

表1 不同模量紗線樣品信息Tab.1 Information of yarn samples with different moduli

表2 不同纖維體積含量拉擠板樣品信息Tab.2 Sample information of pultruded plate with different fiber volume contents

表3 不同表面粗糙度拉擠板樣品信息Tab.3 Sample information of pultruded plate with different surface roughnesses

表4 不同層間織物樣品信息Tab.4 Sample information of different interlaminar fabrics

1.2 設備

實驗所需要的主要儀器和設備：試樣加工中心、萬能力學試驗機(100kN)、游標卡尺(0.01mm)。

1.3 試驗過程

①0°拉伸性能測試：參照ISO 527—5標準。

②0°壓縮性能測試：參照ISO 14126標準。

③±45°V型剪切性能：參照ASTM D7078標準。

④界面拉剪性能測試：2層拉擠板間鋪放1層夾層織物，用灌注樹脂進行真空灌注固化，參照 DIN EN1465標準進行測試。

⑤界面抗拉強度測試：2層拉擠板的拼接縫位于試樣中心線位置，用灌注樹脂進行真空灌注固化。拼接縫橫向拉伸樣條，拼接縫居中，試樣寬度方向為0°纖維方向，參照 ISO527—5標準進行測試。

2 結果與討論

2.1 不同模量紗線對玻纖拉擠板靜態性能的影響

實驗選取相同纖維體積含量的普通玻璃紗線(模量 82GPa)、高模玻璃紗線(模量 87GPa)和超高模玻璃紗線(模量 90GPa)3種玻纖拉擠板進行靜態力學性能研究，實驗觀察材料表面與橫截面，確定材料表面無缺陷(損傷、脫模布夾雜等)及通過橫截面和透光實驗觀察材料無未浸透樹脂導致的干紗和半干紗情況。

不同紗線拉擠板的測試結果分別如表 5和圖 1所示。

圖1 不同紗線拉擠板的測試結果Fig.1 Test results of pultruded plate with different yarn moduli

表5 不同紗線拉擠板的測試結果Tab.5 Test results of different yarn pultruded plates

經過不同紗線拉擠板的測試結果分析對比，發現相同纖維含量的情況下，模量越高的玻纖所成型的拉擠板靜態力學性能越好。這是由于拉擠板主要靠纖維束承力，纖維束模量越高，承受的外力越大，板材靜態性能越好。

2.2 不同纖維體積含量對玻纖拉擠板性能的影響

選取 3款纖維體積含量分別為 67.4%、68.7%、69.5%的玻纖拉擠板，分別測試了 0°方向拉伸、壓縮性能以及±45°V型剪切性能。

不同纖維體積含量拉擠板測試結果分別如表 6和圖2所示。

圖2 不同纖維體積含量拉擠板測試結果Fig.2 Test results of pultruded plate with different fiber volume contents

表6 不同纖維體積含量拉擠板測試結果Tab.6 Test results of pultruded plate with different fiber volume contents

通過不同纖維體積含量拉擠板測試結果對比，發現纖維體積含量越高，玻纖拉擠板的靜態力學性能越優異。主要原因是當材料受到外力作用時玻纖拉擠板中的纖維作為增強體會承受基體傳遞給它的荷載。隨著纖維體積含量增加，其能承受的外力逐漸增大，因此，當纖維體積增大時，玻纖拉擠板的力學性能增強。

2.3 不同粗糙度對玻纖拉擠板性能的影響

拉擠板表面的粗糙度對拉擠板本體拉伸、壓縮性能幾乎無影響，主要對拉擠板界面結合性能有影響。實驗分別選取 2種脫模布生產出來的玻纖拉擠板進行粗糙度測試和界面拉剪性能測試，并觀察粗糙度對材料界面結合性的影響。

玻纖拉擠板界面拉剪測試結果如表7所示。

表7 玻纖拉擠板界面拉剪測試結果Tab.7 Tensile and shear test results of glass fiber pultruded plate interface

通過測試數據可以得出，不同脫模布克重生產出來的玻纖拉擠板表面粗糙度不同。玻纖拉擠板表面粗糙度越低，界面拉剪強度越小，拉擠板層間結合能力越差。

2.4 不同類型層間織物對玻纖拉擠板性能的影響

層間織物在玻纖拉擠板間起導流作用，屬于板材之間不可或缺的材料。本實驗選取 4種不同類型的層間織物測試 2個玻纖拉擠板拼接縫的拉伸性能和界面拉剪性能，以研究不同層間織物對拉擠板板材界面結合性的影響。

玻纖拉擠板與織物界面測試結果如表 8和圖 3所示。

表8 玻纖拉擠板與織物界面測試結果Tab.8 Test results of interface between glass fiber pultruded plate and fabric

圖3 玻纖拉擠板與織物界面測試結果Fig.3 Test results of interface between glass fiber pultruded plate and fabric

通過玻纖拉擠板與織物界面測試數據對比，發現4款不同類型的織物與玻纖拉擠板的拉剪強度相差不大，說明使用不同層間織物對玻纖拉擠板界面之間結合性能影響不大，其與層間織物本身拉伸性能無關，層間織物沒有增強拉擠板的界面性能。

3 結 論

不同因素對玻纖拉擠板靜態力學性能影響不同，紗線的模量越高或纖維體積含量越高，玻纖拉擠板本體拉伸壓縮性能越好；不同類型層間織物對玻纖拉擠板界面之間結合性能影響不大；拉擠板表面粗糙度越高，玻纖拉擠板界面之間結合性越好。本文對拉擠板性能影響因素的研究為今后拉擠板在風電葉片應用提供了參考理論依據。