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预固化温度对风电叶片复合材料性能的影响

日期:2021-07-02    来源:中国复合材料学会

国际风力发电网

2021
07/02
09:07
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关键词: 风电叶片 风电材料 叶片材料

风电叶片是风力发电机组的关键核心部件,选择适合的制造工艺制造出低成本、高性能的产品是风电产业永恒的话题。

制造工艺

真空导入工艺因其较低的原材料价格、更好的产品性能、成熟的生产工艺和稳定的成品质量被普遍认为是复合材料叶片低成本的最佳工艺。原有的风电叶片生产工艺不断地进行升级优化,形成各个叶片、各个公司特定的工艺特点,步入制造成熟阶段后生产环节进入提速增效过程,使复合材料叶片制造树脂导入后的固化过程成为一个关键的时间可调节点,但关于这方面的资料比较少,只有个别研究者对不同固化工艺制度制作的三轴向纤维织物复合材料进行了静力测试和玻璃化转变温度的对比测试,以寻找合适的高温短周期的固化制度,但未对疲劳特性进行对比分析。

潜在风险

目前风电产品固化效果的快速评价主要通过材料的玻璃化转变温度和外观进行评判,未对疲劳性能与固化制度的关系进行相关的研究。若实验测试的叶片成型工艺和批量化产品制作的材料工艺性能存在差异,未进行深入的预固化工艺变更论证分析,一旦叶片后期出现承载能力的下降,将直接威胁叶片甚至整机的服役寿命。基于以上研究背景,作者结合现有的叶片固化制度以及预期出现的固化制度进行研究,通过对比不同预固化制度下材料性能的差异,为风电叶片的工艺制造提出可行性建议。

研究发现

采用真空导入工艺制作纤维增强环氧树脂的疲劳测试试样,八层纤维织物对称铺层,吸注后分别采用35℃ 6h+70℃ 6h,50℃ 2h+70℃ 6h, 65℃ 2h+70℃ 6h,85℃ 4h 四种固化方式。85℃ 4h是在实验室制样时为缩减时间周期特定的一个固化制度。

在某型号 64m叶片制作过程中,制造环节实施提速增效,在固化制度中加快了模具升温速率及预固化温度、以缩短生产时间, 模具加热在灌注完成后的预固化段加热速率较快,预固化 25h 内模具温度反馈显示温度由 35 ℃升至 75 ℃ (最高达到 80 ℃ )。

对不同预固化条件下树脂和复合材料的性能进行了对比测试。树脂浇铸体测试中,结果表明拉伸强度和模量测试值相近无明显差异,FRP 静态拉伸强度和模量测试值相近,也无明显差异;玻璃化转变温度的测试结果表明不同固化体制下固化的 FRP 试样的Tg基本一致,该测试项只能表明树脂固化完好,不能表征树脂和纤维复合的综合特性。在FRP疲劳性能测试中,本文按照DNV GL2015 规范的要求进行了与表3静力测试同批次相近体积含量下不同固化制度成型试样的应力寿命关系对比测试比较疲劳测试的 m 值.

TMII-L1250 织物在R 为 0.1时的拉拉疲劳测试结果表明预固化温度对S-N曲线的斜率 m值具有较大影响,在预固化温度超过50℃ 后,m值出现下降,数据离散程度变大,材料的稳定性变差,大约63.7 ℃时,m值接近GL规范中的最低值 10,对 85 ℃预固化试样进行了在 R 为-1时的拉压疲劳测试,当寿命次数达到百万级左右时出现试样材料“粉化现象”。根据实验数据测试结果分析 S-N 曲线斜率下降的主要原因,初步推断为预固化温度过高,放热接近固化后Tg降低了树脂与纤维界面形成的结合力,同时拉压疲劳时哑铃型区域出现压缩力,导致出现压缩力下树脂材料分层断裂损伤摩擦后粉化的特性。

预固化时间短、温度高制作的64m叶片产品出现带状泛白,分析判断此现象归因于模具在预固化恒温停留时间短,固化温度过于剧烈且树脂放热峰存在时间段重叠而出现应力纹。对比分析工艺实验方案的差异,结合疲劳测试的m最低值要求,调整预固化段为60℃恒温25h,提出延长预固化时间段的解决方案并验证方案的有效性,按照此方案制作的产品消除了复合材料叶片表面的泛白缺陷,达到了很好的外观效果,验证了推论的正确性.在风电叶片复合材料制造过程中,预固化阶段模具温度对复合材料的微观界面特性、疲劳寿命具有较大的影响,具体表现为复合材料叶片的外观以及服役期间性能的稳定性。

观点

作者认为,预固化温度对树脂本体和成型的复合材料静力性能影响不明显,但超过一定温度后对材料的疲劳特性具有明显的影响;表观的泛白缺陷是树脂和纤维的界面应力与裂纹的双重效应叠加导致界面光的折射形成的泛白现象;风电叶片成型预固化部件时,部件预固化温度不宜超过 63.7 ℃ 。在叶片制造的提速增效过程中,预固化阶段是成型的关键阶段,不能在此阶段仅根据产品外观和Tg进行工艺变更,忽略和全性能测试叶片的工艺差异。


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