王偉偉，楊 忠，劉鮮紅，賈宇婷，常軍委

(東方電氣(天津)風(fēng)電葉片工程有限公司 天津 300480)

0 引 言

隨著海上風(fēng)力資源和陸上超低風(fēng)資源的開(kāi)發(fā)，國(guó)內(nèi)外風(fēng)電葉片的開(kāi)發(fā)開(kāi)始加速，國(guó)外LM公司首次推出了 LM107m 葉片，明陽(yáng)、重通、中材、時(shí)代等葉片廠也陸續(xù)推出長(zhǎng) 80m 以上的葉片，葉片大型化已然成為趨勢(shì)，但是大型化帶來(lái)的成本、重量及與主機(jī)載荷匹配的壓力也成倍增加。目前風(fēng)電行業(yè)處于競(jìng)價(jià)時(shí)代，平價(jià)項(xiàng)目正在快速推進(jìn)，輕量化、高強(qiáng)度、低成本正成為葉片發(fā)展追求的目標(biāo)[1]。主梁作為風(fēng)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(fā)展需突破解決的難題[2-3]。

葉片主梁主要是由增強(qiáng)材料(玻璃纖維等)和基體材料(樹(shù)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(chǎn)過(guò)程中纖維紗直線度極高的特點(diǎn)，故能夠更充分地發(fā)揮玻璃纖維紗線的性能，使產(chǎn)品軸向方向的性能更優(yōu)異[5]。在同種紗線的條件下，玻纖經(jīng)編編織單向布經(jīng)真空灌注成型的復(fù)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(dá)到 70%、模量可以達(dá)到 63GPa。如果玻纖拉擠板替換單向織物復(fù)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(jī)組承載及疲勞性能帶來(lái)的壓力大幅減少。玻纖拉擠板在葉片上的應(yīng)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?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn)，玻纖拉擠板在風(fēng)電行業(yè)被廣泛關(guān)注，玻纖拉擠板的靜態(tài)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(duì)于玻纖拉擠板靜態(tài)性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

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(shè)備

實(shí)驗(yàn)所需要的主要儀器和設(shè)備：試樣加工中心、萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)(100kN)、游標(biāo)卡尺(0.01mm)。

1.3 試驗(yàn)過(guò)程

①0°拉伸性能測(cè)試：參照ISO 527—5標(biāo)準(zhǔn)。

②0°壓縮性能測(cè)試：參照ISO 14126標(biāo)準(zhǔn)。

③±45°V型剪切性能：參照ASTM D7078標(biāo)準(zhǔn)。

④界面拉剪性能測(cè)試：2層拉擠板間鋪放1層夾層織物，用灌注樹(shù)脂進(jìn)行真空灌注固化，參照 DIN EN1465標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試。

⑤界面抗拉強(qiáng)度測(cè)試：2層拉擠板的拼接縫位于試樣中心線位置，用灌注樹(shù)脂進(jìn)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?yàn)?°纖維方向，參照 ISO527—5標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同模量紗線對(duì)玻纖拉擠板靜態(tài)性能的影響

實(shí)驗(yàn)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(jìn)行靜態(tài)力學(xué)性能研究，實(shí)驗(yàn)觀察材料表面與橫截面，確定材料表面無(wú)缺陷(損傷、脫模布夾雜等)及通過(guò)橫截面和透光實(shí)驗(yàn)觀察材料無(wú)未浸透樹(shù)脂導(dǎo)致的干紗和半干紗情況。

不同紗線拉擠板的測(cè)試結(jié)果分別如表 5和圖 1所示。

圖1 不同紗線拉擠板的測(cè)試結(jié)果Fig.1 Test results of pultruded plate with different yarn moduli

表5 不同紗線拉擠板的測(cè)試結(jié)果Tab.5 Test results of different yarn pultruded plates

經(jīng)過(guò)不同紗線拉擠板的測(cè)試結(jié)果分析對(duì)比，發(fā)現(xiàn)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(tài)力學(xué)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(tài)性能越好。

2.2 不同纖維體積含量對(duì)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(cè)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(cè)試結(jié)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(cè)試結(jié)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(cè)試結(jié)果Tab.6 Test results of pultruded plate with different fiber volume contents

通過(guò)不同纖維體積含量拉擠板測(cè)試結(jié)果對(duì)比，發(fā)現(xiàn)纖維體積含量越高，玻纖拉擠板的靜態(tài)力學(xué)性能越優(yōu)異。主要原因是當(dāng)材料受到外力作用時(shí)玻纖拉擠板中的纖維作為增強(qiáng)體會(huì)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(dāng)纖維體積增大時(shí)，玻纖拉擠板的力學(xué)性能增強(qiáng)。

2.3 不同粗糙度對(duì)玻纖拉擠板性能的影響

拉擠板表面的粗糙度對(duì)拉擠板本體拉伸、壓縮性能幾乎無(wú)影響，主要對(duì)拉擠板界面結(jié)合性能有影響。實(shí)驗(yàn)分別選取 2種脫模布生產(chǎn)出來(lái)的玻纖拉擠板進(jìn)行粗糙度測(cè)試和界面拉剪性能測(cè)試，并觀察粗糙度對(duì)材料界面結(jié)合性的影響。

玻纖拉擠板界面拉剪測(cè)試結(jié)果如表7所示。

表7 玻纖拉擠板界面拉剪測(cè)試結(jié)果Tab.7 Tensile and shear test results of glass fiber pultruded plate interface

通過(guò)測(cè)試數(shù)據(jù)可以得出，不同脫模布克重生產(chǎn)出來(lái)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(qiáng)度越小，拉擠板層間結(jié)合能力越差。

2.4 不同類型層間織物對(duì)玻纖拉擠板性能的影響

層間織物在玻纖拉擠板間起導(dǎo)流作用，屬于板材之間不可或缺的材料。本實(shí)驗(yàn)選取 4種不同類型的層間織物測(cè)試 2個(gè)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(duì)拉擠板板材界面結(jié)合性的影響。

玻纖拉擠板與織物界面測(cè)試結(jié)果如表 8和圖 3所示。

表8 玻纖拉擠板與織物界面測(cè)試結(jié)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(cè)試結(jié)果Fig.3 Test results of interface between glass fiber pultruded plate and fabric

通過(guò)玻纖拉擠板與織物界面測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)4款不同類型的織物與玻纖拉擠板的拉剪強(qiáng)度相差不大，說(shuō)明使用不同層間織物對(duì)玻纖拉擠板界面之間結(jié)合性能影響不大，其與層間織物本身拉伸性能無(wú)關(guān)，層間織物沒(méi)有增強(qiáng)拉擠板的界面性能。

3 結(jié) 論

不同因素對(duì)玻纖拉擠板靜態(tài)力學(xué)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(duì)玻纖拉擠板界面之間結(jié)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(jié)合性越好。本文對(duì)拉擠板性能影響因素的研究為今后拉擠板在風(fēng)電葉片應(yīng)用提供了參考理論依據(jù)。