1. 引言

葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)中最基礎(chǔ)和關(guān)鍵部件，對(duì)風(fēng)力機(jī)組的發(fā)電效率、運(yùn)行安全起著至關(guān)重要的作用，其良好的設(shè)計(jì)、穩(wěn)定的質(zhì)量和優(yōu)越的性能是保證風(fēng)電機(jī)組正常運(yùn)行的重要因素[1]。葉片在工作中要承受風(fēng)載荷、砂粒沖刷、紫外線照射、鹽霧腐蝕等外界因素的作用，要求葉片具有比重輕、最佳的疲勞性能和機(jī)械性能，能經(jīng)受極端惡劣條件和隨機(jī)負(fù)荷的考驗(yàn)，具有良好的耐紫外線性能、耐腐蝕性能和良好的穩(wěn)定性。

葉片材料的選擇是葉片設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，優(yōu)良的材料是風(fēng)力機(jī)葉片具有優(yōu)良特性的重要保證?，F(xiàn)今國內(nèi)風(fēng)電行業(yè)形勢(shì)嚴(yán)峻，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈，同時(shí)葉片向大型化方向發(fā)展，使得替代材料的選擇和先進(jìn)材料的開發(fā)顯得尤為重要。國內(nèi)目前尚未有特定的標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)定方法，結(jié)合國內(nèi)外葉片材料的要求及實(shí)際生產(chǎn)要求，主要從基體材料、增強(qiáng)材料、膠粘劑和芯材等幾方面對(duì)葉片材料進(jìn)行分析，提出選材的相關(guān)要求和方法。

2. 葉片材料體系

復(fù)合材料葉片大多采用組裝方式制造，一般是先在特有的模具上分別成型葉片主梁、腹板及其他部件，然后在主模具上把兩個(gè)殼體、腹板及其它部件通過結(jié)構(gòu)膠粘劑膠接組裝在一起，合模加壓固化后制成整體葉片。目前國內(nèi)以真空輔助灌注工藝為主，其主要材料為增強(qiáng)材料、基體材料、芯材和膠粘劑。

2.1 增強(qiáng)材料

增強(qiáng)材料主要起著承載載荷的作用， 包括E- 玻璃纖維、S- 玻璃纖維、M- 玻璃纖維、碳纖維以及超高分子量聚乙烯纖維、玄武巖纖維等新型纖維。

E- 玻璃纖維因其成本低、適用性強(qiáng)的特點(diǎn)得到大量使用，是目前葉片主流增強(qiáng)材料，與許多樹脂、成型工藝匹配性較佳，目前具有單軸向、雙軸向、三軸向、四軸向甚至三維立體結(jié)構(gòu)等許多編織形式，以滿足不同的需要，使靈活的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得到更好的體現(xiàn)。

但是，E- 玻璃纖維的密度較大，大型葉片的開發(fā)對(duì)葉片的重量和強(qiáng)度提出新的要求，完全依靠傳統(tǒng)的E- 玻璃纖維已不能滿足葉片發(fā)展的需求，新型的玻璃纖維和碳纖維開始應(yīng)用到葉片中。高模量玻璃纖維具有良好的強(qiáng)度和抗疲勞性能，提高葉片的抗風(fēng)能力，增加葉片壽命，減輕葉片重量。碳纖維復(fù)合材料葉片是葉片發(fā)展的新趨勢(shì)，現(xiàn)已有葉片制造商利用碳纖維制造葉片，多以玻/ 碳混雜為主，但其價(jià)格過于昂貴，目前尚未得到廣泛應(yīng)用。

2.1.1 性能要求。選擇任何一種纖維織物，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)工藝和葉片設(shè)計(jì)需要，要從以下幾個(gè)方面考慮，主要包括力學(xué)性能和工藝性能：

(1)外觀質(zhì)量。纖維織物無斷絲、毛絲、雜質(zhì)、缺絲和絲束排列不均勻等缺陷。

(2)鋪覆性。在葉片曲面上鋪放纖維織物，纖維織物在無褶皺、不斷裂、不撕裂，纖維無波折、扭結(jié)或起伏的情況下，與模具貼合緊密，能夠制成與產(chǎn)品相同的形狀。

(3)浸潤性。

(4)葉片根端模擬試驗(yàn)。根端是葉片結(jié)構(gòu)最厚的位置，不管是樹脂還是纖維的選擇，均應(yīng)該進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)模擬，主要是觀測(cè)其實(shí)際灌注情況，有無白絲、發(fā)熱等異?，F(xiàn)象發(fā)生。

(5)層壓板力學(xué)性能。目前所用E- 玻璃纖維織物主要有單軸向布、雙軸向和三軸向布。以玻璃纖維織物為例，采用真空灌注工藝制備各種纖維織物的層壓板，按相應(yīng)的ISO 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試， 葉片一般設(shè)計(jì)性能基本要求見表1。層壓板性能影響因素主要包括施加載荷相對(duì)纖維取向的偏軸角、施加載荷類型、材料局部范圍內(nèi)組分材料的性能、組分材料的幾何結(jié)構(gòu)以及產(chǎn)品內(nèi)部缺陷。

同時(shí)，采用歸一化方法分析力學(xué)性能測(cè)試數(shù)據(jù)，通過把測(cè)試值修正成相對(duì)于規(guī)定的纖維體積含量的數(shù)值，直接比較力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果。單軸向布和0°三軸向布層壓板的0°拉伸和壓縮性能(強(qiáng)度和模量)根據(jù)下式進(jìn)行歸一化處理：

其中，P 為歸一化值;Pm 為實(shí)測(cè)值;Vt 為理論纖維體積含量;Vm為實(shí)測(cè)纖維體積含量。
 

2.1.2 浸潤性測(cè)試方法。樹脂與纖維布之間的浸潤性是真空灌注成型工藝中的重要影響因素，兩者之間良好的浸潤性是保證產(chǎn)品質(zhì)量和避免氣泡、白斑等缺陷的關(guān)鍵。

浸潤性通過增強(qiáng)材料的滲透率來表征。滲透率是綜合反映纖維滲透特性的參數(shù)，用來表征樹脂流過纖維織物的難易程度，是優(yōu)化成型工藝和保證產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵。樹脂在纖維中的流動(dòng)主要是樹脂在纖維束空隙之間的宏觀流動(dòng)和樹脂在纖維單絲之間的微觀流動(dòng)，受纖維孔隙率、樹脂粘度、纖維與樹脂的表面張力、溫度、注射壓力等影響。利用Darcy 定律，通過一維和二維面內(nèi)徑向測(cè)量滲透率。

(1)一維方向。一維方向滲透法是樹脂在單向流動(dòng)(即y 和z方向樹脂流速較小，可以忽略)的情況下，測(cè)量恒定流速的樹脂在纖維內(nèi)的一維流動(dòng)壓力降。由Darcy定律可推出樹脂一維方向方程：

式中：x 為樹脂流動(dòng)前鋒位置(m);K 為纖維的滲透率張量(m2);ΔP 為壓力梯度(Pa);t 為灌注時(shí)間(s);φ 為孔隙率(%);η 為樹脂粘度(Pa˙s)。其中孔隙率φ 為

其中，n 為增強(qiáng)材料層數(shù);ψ 為玻璃纖維單位面積質(zhì)量(g/m2);h為增強(qiáng)材料厚度(mm);ρf—玻璃纖維密度(g/cm3)。

通過記錄樹脂流動(dòng)過程中流動(dòng)前鋒位置x 與時(shí)間t，并對(duì)x2~t 作圖，通過線性擬合由直線斜率k 來計(jì)算出滲透率。其示意圖如圖1 所示。

(2)二維徑向。二維徑向滲透率是指樹脂從增強(qiáng)材料中心一點(diǎn)注入，在恒定流速或恒定壓力下在面內(nèi)沿徑向流動(dòng)(不考慮樹脂沿厚度方向的流動(dòng))，通過記錄樹脂徑向流動(dòng)前鋒與時(shí)間的關(guān)系可同時(shí)得到平面內(nèi)兩個(gè)主方向的滲透率，具體如下：

各向同性材料計(jì)算公式：

各向異性材料計(jì)算公式：

一般情況下，二維徑向流動(dòng)前沿曲線為圓形或橢圓形，記錄樹脂流動(dòng)前沿半徑和時(shí)間，根據(jù)以上公式計(jì)算滲透率。其示意圖見圖2。

2.2 基體材料

基體材料在復(fù)合材料中起著粘結(jié)、支持、保護(hù)增強(qiáng)材料和傳遞應(yīng)力的作用，主要包括不飽和聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂和乙烯基酯樹脂，直接關(guān)系到葉片的工作溫度、耐環(huán)境性能及成型工藝，目前國內(nèi)主要以環(huán)氧樹脂為主。

為達(dá)到葉片性能要求，提高葉片的承載能力以及滿足真空灌注成型工藝的要求，須從以下幾個(gè)方面進(jìn)行材料選擇和測(cè)試：

2.2.1 粘度要求合適。一般控制在180mPa˙s~300mPa˙s。樹脂粘度影響葉片成型時(shí)間，以及與增強(qiáng)材料之間的浸潤性。

2.2.2 低固化放熱峰溫度。葉片結(jié)構(gòu)中局部較厚，低的放熱峰可大大減少內(nèi)應(yīng)力和延長(zhǎng)模具的使用壽命，放熱峰過高會(huì)引起爆聚。

2.2.3 凝膠時(shí)間長(zhǎng)，固化時(shí)間短。根據(jù)大型葉片的實(shí)際情況，凝膠時(shí)間以超過120min 為宜。

2.2.4 樹脂澆鑄體具有良好的力學(xué)性能。主要包括拉伸、彎曲和沖擊韌性。詳見表2。

2.2.5 低的體積收縮率和較高的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)。低的收縮率是尺寸穩(wěn)定性的關(guān)鍵，Tg直接影響產(chǎn)品的使用性能。

2.2.6 層壓板力學(xué)性能優(yōu)異。層壓板力學(xué)性能是葉片設(shè)計(jì)鋪層的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，詳見表1。

2.2.7 樹脂與纖維之間的浸潤性，其測(cè)試方法同增強(qiáng)材料。

2.3 膠粘劑

目前葉片多采用兩個(gè)半模膠接合模而成，膠粘劑是葉片的重要結(jié)構(gòu)材料，直接關(guān)系到葉片的強(qiáng)度和剛度，要求膠粘劑具有較高的強(qiáng)度、良好的韌性和良好的操作工藝性。葉片用膠粘劑有環(huán)氧膠粘劑和聚氨酯膠粘劑，目前以環(huán)氧膠粘劑為主。

2.3.1 本體性能。主要包括膠粘劑澆鑄體的拉伸性能、壓縮性能、彎曲性能和沖擊韌性等力學(xué)性能以及玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。

2.3.2 填充性能。膠粘劑堆積30mm 高，直到凝膠或進(jìn)行下一步工序時(shí)仍能保持初始狀態(tài)。

2.3.3 放熱峰溫度和凝膠時(shí)間。放熱峰溫度要低，凝膠時(shí)間應(yīng)不小于120min，掌握凝膠時(shí)間和放熱峰溫度，有利于控制膠粘劑的一次施工用量。

2.3.4 拉伸剪切性能。這是表征膠粘劑的一項(xiàng)重要指標(biāo)。測(cè)試基材為玻璃鋼- 玻璃鋼。

2.3.5 拉伸剪切疲勞性能。模擬葉片在不同風(fēng)況下的工作情況，用來預(yù)測(cè)葉片內(nèi)膠粘劑的最終運(yùn)行情況，要求循環(huán)107 次后不失效，是保證葉片壽命的關(guān)鍵性能。

2.4 芯材

芯材是葉片的關(guān)鍵材料之一，在葉片的前緣、后緣以及剪切肋等部位，一般采用夾層結(jié)構(gòu)來增加結(jié)構(gòu)剛度，防止局部失穩(wěn)，提高整個(gè)葉片的抗載荷能力。葉片常用芯材為PVC 泡沫和Balsa。

大型葉片的發(fā)展，對(duì)葉片的重量、質(zhì)量、成本以及材料的一致性提出新的要求，現(xiàn)已開發(fā)出新型芯材在風(fēng)能行業(yè)中逐漸得到應(yīng)用和認(rèn)可，是未來重要芯材，主要包括：

2.4.1 聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯泡沫(PET)。成本效益好，可為風(fēng)電葉片提供有益的物理性能，并且可以回收利用。

2.4.2 聚甲基丙烯酰亞胺(PMI) 泡沫。100% 閉孔結(jié)構(gòu)可以防止樹脂被吸入泡沫內(nèi)部，減少葉片的重量，具有較高的耐疲勞性能，提高葉片使用壽命。

2.4.3 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料芯材。由玻璃纖維和閉孔低密度泡沫組成，可以滿足葉片優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低葉片的重量和成本，尺寸穩(wěn)定，密度均勻性能很好，提高葉片均勻性。芯材的選擇主要考慮三個(gè)方面的因素：力學(xué)性能(強(qiáng)度、剛度和密度)要求、工藝要求(承受的溫度、制品形狀、芯材的加工等)和價(jià)格。

現(xiàn)以PVC 泡沫和Balsa 的性能要求為例，主要包括芯材的密度、壓縮性能和剪切性能，其性能指標(biāo)見表3 和表4。同時(shí)需要對(duì)芯材的夾層結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，包括拉伸、壓縮、剪切、彎曲和剝離性能。

3. 選材原則

材料的選擇主要包括兩種情況，一種是在設(shè)計(jì)前材料的選擇，根據(jù)材料的性能進(jìn)行設(shè)計(jì)，一種是對(duì)現(xiàn)有材料的替代。設(shè)計(jì)選材的一般原則：

(1)根據(jù)葉片應(yīng)用場(chǎng)所，選擇其強(qiáng)度、剛度以及能夠滿足環(huán)境條件的材料。

(2)所選材料體系要有良好的工藝性和加工性。

(3)滿足特殊使用環(huán)境或客戶需求的性能。如在風(fēng)沙較大的風(fēng)場(chǎng)，需要油漆有較好的風(fēng)沙防護(hù)性能。在高原光照強(qiáng)烈的風(fēng)場(chǎng)，需要油漆具有良好的防紫外光性能，等等。

(4)優(yōu)先選用應(yīng)用較廣，有應(yīng)用案例的材料。

替代材料認(rèn)證的目的是取代原有的材料，而不對(duì)制造、結(jié)構(gòu)和性能帶來影響。一般按以下方法進(jìn)行[6]：

(1)鑒別出材料性能關(guān)鍵參數(shù)，并指出為什么是關(guān)鍵參數(shù)。如纖維或樹脂，關(guān)系到葉片的整體性能，對(duì)其力學(xué)性能、工藝性能等的鑒定是關(guān)鍵。

(2)對(duì)每一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，確定適當(dāng)?shù)脑囼?yàn)、測(cè)量方法或評(píng)定方法，必須與原有材料所做的試驗(yàn)、測(cè)量方法或評(píng)定方法嚴(yán)格對(duì)應(yīng)。

(3)確定通過、不通過的原則。需要確定關(guān)鍵性能參數(shù)，給定基本要求。性能參數(shù)的合格標(biāo)準(zhǔn)要根據(jù)實(shí)際情況而定，有些值必須滿足或超過原先的值，有些值與原有值不能有太大的差距，如層壓板纖維含量、增強(qiáng)材料單位面積質(zhì)量等。

(4)進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)原則判定是否合格。

4. 結(jié)論

通過對(duì)以上葉片主要原材料的選材要求、測(cè)試方法以及選材原則進(jìn)行了初步探索和總結(jié)，為選材提供了參考。隨著大型葉片的開發(fā)，對(duì)材料性能要求越來越高，其相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)也相應(yīng)提高，要不斷研究和完善各種材料的檢驗(yàn)要求，包括碳纖維織物、碳纖維預(yù)浸料、涂料等。充分了解各種材料的性能參數(shù)，尋求綜合性能優(yōu)異的材料，更好地把材料的性能發(fā)揮到最大程度，滿足風(fēng)力機(jī)復(fù)合材料葉片低成本、輕量化、質(zhì)量穩(wěn)定性的需求。