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預固化溫度對風電葉片復合材料性能的影響
2021-08-30 來源:掌上風電
 風電葉片是風力發電機組的關鍵核心部件,選擇適合的制造工藝制造出低成本、高性能的產品是風電產業永恒的話題。
 
制造工藝
 
真空導入工藝因其較低的原材料價格、更好的產品性能、成熟的生產工藝和穩定的成品質量被普遍認為是復合材料葉片低成本的最佳工藝。原有的風電葉片生產工藝不斷地進行升級優化,形成各個葉片、各個公司特定的工藝特點,步入制造成熟階段后生產環節進入提速增效過程,使復合材料葉片制造樹脂導入后的固化過程成為一個關鍵的時間可調節點,但關于這方面的資料比較少,只有個別研究者對不同固化工藝制度制作的三軸向纖維織物復合材料進行了靜力測試和玻璃化轉變溫度的對比測試,以尋找合適的高溫短周期的固化制度,但未對疲勞特性進行對比分析。
 
潛在風險
 
目前風電產品固化效果的快速評價主要通過材料的玻璃化轉變溫度和外觀進行評判,未對疲勞性能與固化制度的關系進行相關的研究。若實驗測試的葉片成型工藝和批量化產品制作的材料工藝性能存在差異,未進行深入的預固化工藝變更論證分析,一旦葉片后期出現承載能力的下降,將直接威脅葉片甚至整機的服役壽命。基于以上研究背景,作者結合現有的葉片固化制度以及預期出現的固化制度進行研究,通過對比不同預固化制度下材料性能的差異,為風電葉片的工藝制造提出可行性建議。
 
研究發現
 
采用真空導入工藝制作纖維增強環氧樹脂的疲勞測試試樣,八層纖維織物對稱鋪層,吸注后分別采用35℃ 6h+70℃ 6h,50℃ 2h+70℃ 6h, 65℃ 2h+70℃ 6h,85℃ 4h 四種固化方式。85℃ 4h是在實驗室制樣時為縮減時間周期特定的一個固化制度。
 
 
在某型號 64m葉片制作過程中,制造環節實施提速增效,在固化制度中加快了模具升溫速率及預固化溫度、以縮短生產時間, 模具加熱在灌注完成后的預固化段加熱速率較快,預固化 25h 內模具溫度反饋顯示溫度由 35 ℃升至 75 ℃ (最高達到 80 ℃ )。
 
對不同預固化條件下樹脂和復合材料的性能進行了對比測試。樹脂澆鑄體測試中,結果表明拉伸強度和模量測試值相近無明顯差異,FRP 靜態拉伸強度和模量測試值相近,也無明顯差異;玻璃化轉變溫度的測試結果表明不同固化體制下固化的 FRP 試樣的Tg基本一致,該測試項只能表明樹脂固化完好,不能表征樹脂和纖維復合的綜合特性。在FRP疲勞性能測試中,本文按照DNV GL2015 規范的要求進行了與表3靜力測試同批次相近體積含量下不同固化制度成型試樣的應力壽命關系對比測試比較疲勞測試的 m 值.
 
 
TMII-L1250 織物在R 為 0.1時的拉拉疲勞測試結果表明預固化溫度對S-N曲線的斜率 m值具有較大影響,在預固化溫度超過50℃ 后,m值出現下降,數據離散程度變大,材料的穩定性變差,大約63.7 ℃時,m值接近GL規范中的最低值 10,對 85 ℃預固化試樣進行了在 R 為-1時的拉壓疲勞測試,當壽命次數達到百萬級左右時出現試樣材料“粉化現象”。根據實驗數據測試結果分析 S-N 曲線斜率下降的主要原因,初步推斷為預固化溫度過高,放熱接近固化后Tg降低了樹脂與纖維界面形成的結合力,同時拉壓疲勞時啞鈴型區域出現壓縮力,導致出現壓縮力下樹脂材料分層斷裂損傷摩擦后粉化的特性。
 
預固化時間短、溫度高制作的64m葉片產品出現帶狀泛白,分析判斷此現象歸因于模具在預固化恒溫停留時間短,固化溫度過于劇烈且樹脂放熱峰存在時間段重疊而出現應力紋。對比分析工藝實驗方案的差異,結合疲勞測試的m最低值要求,調整預固化段為60℃恒溫25h,提出延長預固化時間段的解決方案并驗證方案的有效性,按照此方案制作的產品消除了復合材料葉片表面的泛白缺陷,達到了很好的外觀效果,驗證了推論的正確性.在風電葉片復合材料制造過程中,預固化階段模具溫度對復合材料的微觀界面特性、疲勞壽命具有較大的影響,具體表現為復合材料葉片的外觀以及服役期間性能的穩定性。
 
觀點
 
 
作者認為,預固化溫度對樹脂本體和成型的復合材料靜力性能影響不明顯,但超過一定溫度后對材料的疲勞特性具有明顯的影響;表觀的泛白缺陷是樹脂和纖維的界面應力與裂紋的雙重效應疊加導致界面光的折射形成的泛白現象;風電葉片成型預固化部件時,部件預固化溫度不宜超過 63.7 ℃ 。在葉片制造的提速增效過程中,預固化階段是成型的關鍵階段,不能在此階段僅根據產品外觀和Tg進行工藝變更,忽略和全性能測試葉片的工藝差異。
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