浅析喷胶对复合材料风电叶片剪切性能的影响

1 前言

随着煤、石油、天然气等传统化石能源耗尽时间表的日益临近，风能的开发和利用越来越得到人们的重视，风能、核能及太阳能并列成为三大清洁能源。2015 年，中国风电并网总量达到12934 万千瓦，占上网总电量的3. 3%，风电已超过核ฏ电成为继煤电和水电之后的第三大主力电源。根据十三五规划，到2020 年风电将达到2 亿千瓦以上。在大兆瓦级风力发电机组中，叶片成型是风电机组制造过程的核心技术。目前叶片制造工艺是通过真空灌注成型，需要在模具上预铺设叶片的结构铺层，再进行树脂真空灌注，然后加热固化，最后通过结构胶粘接合上、下模成型。

叶片的铺层结构，该结构型式为腹板通过结构胶粘接支撑起上、下主梁，壳体和腹板为三明治芯材结构，同时尾边有尾缘梁。叶片的蒙皮和腹板芯材两侧主要铺设双轴向布，叶片壳体和腹板中间以芯材填充。叶根处主要铺设的是三轴向玻纤布，主梁和尾缘梁主要铺设单向布。

一般在叶片玻纤布铺设工艺中，叶根处和尾边增强层处由于模具曲率大和层数多成为铺设过程中容易滑落的区域。由于叶根处需要打孔并且跟轮毂等金属件相连，因此需要通过增加叶根处复合材料的厚度使其刚度与轮毂连续过渡，而且叶根受到各个方向的弯矩，因此用三轴向玻纤布铺设TLX870。叶片的主梁与尾缘梁主要采用单向布，主梁一般采用预制的方式获得，尾缘梁使用单向布是为了提高叶片在弦向的刚度。在最大弦处，由于模具轴向和弦向曲率比较大，因此在此位置的单向布铺设时容易出现滑落，需要使用工装进行固定，而且这两个区域在结构铺层中比较厚，需要通过剪切强度来传递上、下层玻纤布的应力，同时剪切强度反映了玻纤束与树脂之间结合的能力。

以某2 MW 风力发电机组的56. 5 m 叶片为例，叶根铺层达到100 多层三轴向布TLX870，在最大弦长位置铺设30 多层单向布L1250 尾缘梁，在铺设叶片壳体曲率大、层数多的玻纤布时容易出现滑落、褶皱和反弹等问题。目前行业内解决叶根铺设滑移的方法有两种: 方式一，采用翻转架预铺设，先做一个半圆型阳模，让玻纤布顺着重力与模具服帖，然后铺完玻纤布后再重新倒回叶片内部。这种方法费时费力，而且倒回来的玻纤层数也容易出现褶皱。方式二，用针线缝编或者通过夹子把玻纤布固定在模具翻边上，通过工字梁支撑，使玻璃钢的前后缘两侧固定在模具上，由于用针线缝编过程中，玻纤布只是点固定，在玻纤布其他区域容易出现褶皱，而且每一层数需用针线缝，同样耗费时间长，影响叶片生产周期。在叶片最大弦长的位置，模具在轴向和弦向的曲率都很大。该区域叶片模具上铺设的是L1250 单轴向布，在该位置玻纤布曲率很大且很难弯过去，即使是用手直接抚平过去，如果没有有效固定，玻纤布受到挤压也会反弹回来。

在叶片模具上预铺设干玻纤布时碰到玻纤布层数多而且模具曲率又较大时，在铺设玻纤布过程中容易出现滑落、褶皱等现象，一旦出现该问题，返工时间又比较长，而且弄摺的玻纤布很难再恢复起来，因此需要一种快速的方法来固定玻纤布。利用3M喷胶的粘性，让其喷出的雾状物洒在玻纤布上可对其进行固定，这是一种快速、简便、有效的方法。但是在玻纤布上过多使用喷胶会阻滞树脂渗透进玻纤束内，导致玻纤的含量下降，尤其会影响复合材料叶片的剪切强度。

综合叶片的铺层结构和工艺分析结果，本文重点研究喷胶分别对三轴向布和单向布为主的复合材料的纤维含量和剪切强度的影响，玻纤布铺设使用喷胶后，复合材料的剪切强度能否满足叶片结构设计要求。目前行业未有专门研究，因此研究喷胶对复合材料剪切强度的影响对提高叶片生产效率、缩短产品生产周期、提升产品质量有重要义。

2 实验部分

2. 1 增强相

单向布L1250 面密度为1250 g /m2 ; 三轴向布TLX870 面密度为870 g /m2 ; 玻纤布采用OCV 品牌SE1500 环氧型纱线进行编织。

2. 2 基体

基体采用恒斯曼树脂与固化剂按照所示比例混合，混合后的粘度在500 ～ 600 cps 左右，粘度需要满足真空灌注要求。叶片在真空灌注时，树脂能够渗透进玻璃纤维束内与玻璃纤维形成一体，得到复合材料。复合材料界面结合能力的大小主要取决于树脂的性能。

2. 3 样板制备

用真空灌注工艺制作四组样板，第Ⅰ、Ⅱ两组都用单向布复合材料，二者之间的差别为是否使用喷胶; 第Ⅲ、Ⅳ组用三轴向布复合材料，二者之间的差别也是是否使用喷胶。由于前面两组玻纤布的单层克重为1250 g /m2，后面单层克重为870 g /m2，故前面两组选用12 层，后面两组选用24 层做为对照实验，检查试验件外观，如有缺陷和不符合尺寸及制备要求者，予以作废。

按照试验方案进行工艺铺层。进胶前真空袋在-0. 09～ -0. 08 MPa 下保压10 min，压力表压降△P0. 008 MPa; 将环氧树脂和固化剂按比例100 ∶ 34混合，用搅拌棒搅拌均匀，然后放入真空搅拌器中抽真空消泡，结束后在环境温度为 ℃、湿度为6015) %、真空压力为-0. 09 ～ -0. 08 MPa 的真空条件下导入树脂; 树脂灌注完后关闭进胶口，在-0. 09～ -0. 08 MPa 的真空压力下真空保压至树脂凝胶。

2. 4 层间剪切测试标准

测量试验件尺寸，剪切按照ISO 14130 ∶1998 标准执行，在试验机上以1 mm/min 的加载速率加载，直至试验件破坏，记录载荷位移曲线及试验件破坏形式。

2. 5 叶片玻纤含量测试

把玻璃钢切成3 cm3❥ cm 的小样，称取坩埚质量m1 ，然后把玻璃钢放在坩埚里，称重坩埚加试样质量m2;把坩埚放在马弗炉里升温至500 ℃，进行高温锻烧1 h，待其冷却后，称重灼烧后坩埚加残留试样质量m3 ;计算重量含量= / 100%。

3 结果与讨论

3. 1 复合材料样板玻纤含量

从4 个样板里分别取3 个试样，组成3 个对比样组，最后1 个对比样组是取前面3 个样组的均值进行比较，相同样板里纤维体积含量差别控制在1%范围内，说明4 块样组中，树脂均匀渗透在玻纤布中。单向布不加喷胶和加喷胶对玻纤含量影响不大，玻纤含量维持在51%和52. 9%之间。三轴布加喷胶纤维体积含量为45. 7%，不加喷胶纤维体积含量为52. 6%，喷胶导致样板玻纤含量下降6. 9%，这可能是由于相对于单向布，三轴布玻纤束间纹理较细，喷胶使得树脂流速减慢，同时树脂在玻纤束之间停留的时间更长，玻纤所吸的树脂更多所致。玻纤含量的下降使玻璃钢的拉伸强度及模量也相应下降，不过对提高玻璃钢的疲劳强度有好处。根据单向复合材料纵向强度的混合律方程，复合材料的拉伸强度是由基体和增强体的强度和体积含量决定的，由于玻纤的强度远大于树脂基体的强度，因而单向玻璃钢的强度主要取决于纤维的强度及含量，喷胶对整个复合材料的拉伸强度几乎没有影响，纤维本身的强度及其含量决定了整个材料的拉伸强度，+L = f Vf + m Vm其中，f m式中，+L为复合材料的强度; f为增强体的强度; m为基体的强度; Vf为增强体的体积含量; Vm为基体的体积含量。

3. 2 复合材料的剪切性能

剪切强度分为层间剪切和面内剪切。层间剪切是玻纤布上、下层之间受到的剪切力与搭接面积的比值; 面内剪切是面内玻纤布在同一平面内单位面积抵抗剪切力的指标。

4 结论

喷胶对单向布复合材料玻纤含量影响很小; 喷胶使得三轴布TLX870 复合材料体积含量下降了6. 9%，通过理论分析，剪切模量下降了14. 1%，剪切强度下降了♡11. 1%;

单向玻纤布复合材料样板使用喷胶后，层间剪切强度下降明 シ显，只有原来的38. 6%; 并且层间剪切性能的数值离散度较大，层间剪切性能不均衡;三轴向布复合材料样板使用喷胶后，层间剪切强度也有所下降，只有原£来的81. 2%，同样性能不均衡;

喷胶禁止在以单向布为主的铺层里使用，在铺设三轴布时可以适量使用。