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。現(xiàn)今國內(nèi)風(fēng)電行業(yè)形勢嚴(yán)峻，市場競爭激烈，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，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，主要是觀測其實(shí)際灌注情況，有無白絲、發(fā)熱等異常現(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)性能測試數(shù)據(jù)，通過把測試值修正成相對于規(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)測值;Vt 為理論纖維體積含量;Vm為實(shí)測纖維體積含量。
 

2.1.2 浸潤性測試方法。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主要是樹脂在纖維束空隙之間的宏觀流動和樹脂在纖維單絲之間的微觀流動，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)徑向測量滲透率。

(1)一維方向。一維方向滲透法是樹脂在單向流動(即y 和z方向樹脂流速較小，可以忽略)的情況下，測量恒定流速的樹脂在纖維內(nèi)的一維流動壓力降。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)。

通過記錄樹脂流動過程中流動前鋒位置x 與時(shí)間t，并對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(不考慮樹脂沿厚度方向的流動)，通過記錄樹脂徑向流動前鋒與時(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，二維徑向流動前沿曲線為圓形或橢圓形，記錄樹脂流動前沿半徑和時(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)力和延長模具的使用壽命，放熱峰過高會引起爆聚。

2.2.3 凝膠時(shí)間長，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)需要對芯材的夾層結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)性能測試，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，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，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，對其力學(xué)性能、工藝性能等的鑒定是關(guān)鍵。

(2)對每一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，確定適當(dāng)?shù)脑囼?yàn)、測量方法或評定方法，必須與原有材料所做的試驗(yàn)、測量方法或評定方法嚴(yán)格對應(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

通過對以上葉片主要原材料的選材要求、測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。