风电叶片玻纤拉挤板性能影响因素的研究

王伟伟，杨 忠，刘鲜红，贾宇婷，常军委

(东方电气(天津)风电叶片工程有限公司 天津 300480)

0 引 言

随着海上风力资源和陆上超低风资源的开发，国内外风电叶片的开发开始加速，国外LM公司首次推出了 LM107m 叶片，明阳、重通、中材、时代等叶片厂也陆续推出长 80m 以上的叶片，叶片大型化已然成为趋势，但是大型化带来的成本、重量及与主机载荷匹配的压力也成倍增加。目前风电行业处于竞价时代，平价项目正在快速推进，轻量化、高强度、低成本正成为叶片发展追求的目标[1]。主梁作为风电叶片重要承力部件，其性能提升和成本降低，是叶片大型化发展需突破解决的难题[2-3]。

叶片主梁主要是由增强材料(玻璃纤维等)和基体材料(树脂)合成的[4]，与玻璃纤维布灌注工艺和手糊工艺相比，玻纤拉挤板由于生产过程中纤维纱直线度极高的特点，故能够更充分地发挥玻璃纤维纱线的性能，使产品轴向方向的性能更优异[5]。在同种纱线的条件下，玻纤经编编织单向布经真空灌注成型的复合材料纤维体积含量一般在55%左右、模量为52GPa左右，但玻纤拉挤板的纤维体积含量可以达到 70%、模量可以达到 63GPa。如果玻纤拉挤板替换单向织物复合材料，则主梁可减重 21%，叶片整体可减重5%～7%，叶片重量明显减少，给机组承载及疲劳性能带来的压力大幅减少。玻纤拉挤板在叶片上的应用不仅可以增加叶片刚度，而且可以减轻叶片重量、降低叶片制造成本。基于以上优点，玻纤拉挤板在风电行业被广泛关注，玻纤拉挤板的静态性能的研究尤为重要。本文主要研究了不同纱线、不同纤维体积含量、不同层间织物和不同表面粗糙度这4种因素对于玻纤拉挤板静态性能的影响。

1 实验部分

1.1 材料

表1为不同模量纱线样品信息，表2为不同纤维体积含量拉挤板样品信息，表3为不同表面粗糙度拉挤板样品信息，表 4为不同层间织物样品信息。选取表1至表4的材料进行实验。

表1 不同模量纱线样品信息Tab.1 Information of yarn samples with different moduli

表2 不同纤维体积含量拉挤板样品信息Tab.2 Sample information of pultruded plate with different fiber volume contents

表3 不同表面粗糙度拉挤板样品信息Tab.3 Sample information of pultruded plate with different surface roughnesses

表4 不同层间织物样品信息Tab.4 Sample information of different interlaminar fabrics

1.2 设备

实验所需要的主要仪器和设备：试样加工中心、万能力学试验机(100kN)、游标卡尺(0.01mm)。

1.3 试验过程

①0°拉伸性能测试：参照ISO 527—5标准。

②0°压缩性能测试：参照ISO 14126标准。

③±45°V型剪切性能：参照ASTM D7078标准。

④界面拉剪性能测试：2层拉挤板间铺放1层夹层织物，用灌注树脂进行真空灌注固化，参照 DIN EN1465标准进行测试。

⑤界面抗拉强度测试：2层拉挤板的拼接缝位于试样中心线位置，用灌注树脂进行真空灌注固化。拼接缝横向拉伸样条，拼接缝居中，试样宽度方向为0°纤维方向，参照 ISO527—5标准进行测试。

2 结果与讨论

2.1 不同模量纱线对玻纤拉挤板静态性能的影响

实验选取相同纤维体积含量的普通玻璃纱线(模量 82GPa)、高模玻璃纱线(模量 87GPa)和超高模玻璃纱线(模量 90GPa)3种玻纤拉挤板进行静态力学性能研究，实验观察材料表面与横截面，确定材料表面无缺陷(损伤、脱模布夹杂等)及通过横截面和透光实验观察材料无未浸透树脂导致的干纱和半干纱情况。

不同纱线拉挤板的测试结果分别如表 5和图 1所示。

图1 不同纱线拉挤板的测试结果Fig.1 Test results of pultruded plate with different yarn moduli

表5 不同纱线拉挤板的测试结果Tab.5 Test results of different yarn pultruded plates

经过不同纱线拉挤板的测试结果分析对比，发现相同纤维含量的情况下，模量越高的玻纤所成型的拉挤板静态力学性能越好。这是由于拉挤板主要靠纤维束承力，纤维束模量越高，承受的外力越大，板材静态性能越好。

2.2 不同纤维体积含量对玻纤拉挤板性能的影响

选取 3款纤维体积含量分别为 67.4%、68.7%、69.5%的玻纤拉挤板，分别测试了 0°方向拉伸、压缩性能以及±45°V型剪切性能。

不同纤维体积含量拉挤板测试结果分别如表 6和图2所示。

图2 不同纤维体积含量拉挤板测试结果Fig.2 Test results of pultruded plate with different fiber volume contents

表6 不同纤维体积含量拉挤板测试结果Tab.6 Test results of pultruded plate with different fiber volume contents

通过不同纤维体积含量拉挤板测试结果对比，发现纤维体积含量越高，玻纤拉挤板的静态力学性能越优异。主要原因是当材料受到外力作用时玻纤拉挤板中的纤维作为增强体会承受基体传递给它的荷载。随着纤维体积含量增加，其能承受的外力逐渐增大，因此，当纤维体积增大时，玻纤拉挤板的力学性能增强。

2.3 不同粗糙度对玻纤拉挤板性能的影响

拉挤板表面的粗糙度对拉挤板本体拉伸、压缩性能几乎无影响，主要对拉挤板界面结合性能有影响。实验分别选取 2种脱模布生产出来的玻纤拉挤板进行粗糙度测试和界面拉剪性能测试，并观察粗糙度对材料界面结合性的影响。

玻纤拉挤板界面拉剪测试结果如表7所示。

表7 玻纤拉挤板界面拉剪测试结果Tab.7 Tensile and shear test results of glass fiber pultruded plate interface

通过测试数据可以得出，不同脱模布克重生产出来的玻纤拉挤板表面粗糙度不同。玻纤拉挤板表面粗糙度越低，界面拉剪强度越小，拉挤板层间结合能力越差。

2.4 不同类型层间织物对玻纤拉挤板性能的影响

层间织物在玻纤拉挤板间起导流作用，属于板材之间不可或缺的材料。本实验选取 4种不同类型的层间织物测试 2个玻纤拉挤板拼接缝的拉伸性能和界面拉剪性能，以研究不同层间织物对拉挤板板材界面结合性的影响。

玻纤拉挤板与织物界面测试结果如表 8和图 3所示。

表8 玻纤拉挤板与织物界面测试结果Tab.8 Test results of interface between glass fiber pultruded plate and fabric

图3 玻纤拉挤板与织物界面测试结果Fig.3 Test results of interface between glass fiber pultruded plate and fabric

通过玻纤拉挤板与织物界面测试数据对比，发现4款不同类型的织物与玻纤拉挤板的拉剪强度相差不大，说明使用不同层间织物对玻纤拉挤板界面之间结合性能影响不大，其与层间织物本身拉伸性能无关，层间织物没有增强拉挤板的界面性能。

3 结 论

不同因素对玻纤拉挤板静态力学性能影响不同，纱线的模量越高或纤维体积含量越高，玻纤拉挤板本体拉伸压缩性能越好；不同类型层间织物对玻纤拉挤板界面之间结合性能影响不大；拉挤板表面粗糙度越高，玻纤拉挤板界面之间结合性越好。本文对拉挤板性能影响因素的研究为今后拉挤板在风电叶片应用提供了参考理论依据。