楊超平 李兆星

摘? 要：浸漬環(huán)氧樹脂的玻璃纖維在拉擠機(jī)牽引下通過加熱模具并受熱固化形成拉擠板材。模具加熱一般采用三個(gè)區(qū)域分段加熱。本文選取三組不同三區(qū)溫度進(jìn)行板材制造，研究其對(duì)產(chǎn)品表觀性能、理化性能、靜態(tài)力學(xué)性能的影響。研究結(jié)果表明：較低三區(qū)溫度的產(chǎn)品，邊緣有富樹脂及掉粉現(xiàn)象，拉伸力學(xué)性能明顯偏低，0°拉伸強(qiáng)度為1309MPa，其余兩組分別為1405MPa，1400MPa。較高三區(qū)溫度的產(chǎn)品表觀性能異常，出現(xiàn)板材發(fā)黃現(xiàn)象，而其靜態(tài)力學(xué)性能無明顯提升。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電葉片;拉擠板材;三區(qū)溫度;性能;

2021年1月，國家能源局發(fā)布2020年全國電力工業(yè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。截至12月底，全國發(fā)電機(jī)裝機(jī)容量約22億千瓦，同比增長(zhǎng)9.5%。其中風(fēng)電裝機(jī)容量約2.8億千瓦，同比增長(zhǎng)34.6%;太陽能發(fā)電裝機(jī)容量約2.5億千瓦，同比增長(zhǎng)24.1%。截至12月底，風(fēng)電新增裝機(jī)7167萬千瓦。

風(fēng)力發(fā)電高速增長(zhǎng)，但同質(zhì)化競(jìng)爭(zhēng)嚴(yán)重。平價(jià)、低價(jià)項(xiàng)目的推進(jìn)，代表競(jìng)價(jià)時(shí)代已經(jīng)來臨，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)成本壓力巨大。風(fēng)電葉片作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主要部件，成本占據(jù)重要地位。近年來，風(fēng)電葉片日趨大型化，葉片越大越長(zhǎng)，其材料用量及重量也越大，不僅會(huì)增加風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的載荷，也會(huì)導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的成本居高不下。因此，風(fēng)電葉片的輕量化、高強(qiáng)度、低成本是其工藝發(fā)展的必然方向。

拉擠板材采用高模量纖維結(jié)合樹脂進(jìn)行生產(chǎn)，該工藝自動(dòng)化程度高，質(zhì)量穩(wěn)定。產(chǎn)品在長(zhǎng)度方向基本無限制，可以滿足風(fēng)電葉片大型化需求。產(chǎn)品的高纖維含量使其有更高的力學(xué)性能，同等力學(xué)性能要求下，能有效降低葉片重量及材料成本，在葉片主梁制造部分基本已替代傳統(tǒng)灌注工藝。

拉擠板材在制造過程中，由于工藝參數(shù)問題，可能導(dǎo)致產(chǎn)品外觀、力學(xué)性能低等問題。溫度是控制產(chǎn)品固化度及性能的主要參數(shù)，三區(qū)溫度主要控制板材成型及固化，后固化溫度主要控制板材完全固化并防止由于溫度劇烈變化帶來的應(yīng)力集中。本文主要是研究三區(qū)溫度對(duì)產(chǎn)品外觀、理化性能、靜態(tài)力學(xué)性能的影響，為拉擠板材生產(chǎn)工藝參數(shù)設(shè)定提供相關(guān)的參考。

1試驗(yàn)部分

1.1. 試驗(yàn)材料

拉擠環(huán)氧樹脂（東樹新材 DQ209E及DQ209H）;玻璃纖維（歐文斯科寧 WS4000）;脫模劑（AXEL INT1890M）;脫模布（浙江佑威 PY-PA66-85）。

1.2. 試驗(yàn)設(shè)備

履帶式拉擠設(shè)備（NLL-12T）;萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)（MTS 45.105-100KN）;CNC加工中心（PL700A）;分析天平（ME204）;箱式電阻爐（SGMM11/17A）;模具（Cr12MoV，長(zhǎng)900mm，寬270mm，高120mm）。

1.3. 試驗(yàn)方案

產(chǎn)品在一定拉擠速度下，通過模具加熱（三區(qū)）進(jìn)行固化，再通過4個(gè)后固化箱（單個(gè)長(zhǎng)度1m）進(jìn)行后固化。

根據(jù)前期試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，拉擠速度固定為450mm/min;后固化溫度固定為145℃，135℃，125℃，115℃。

根據(jù)拉擠速度，拉擠板材在模具合計(jì)受熱時(shí)間120s（每個(gè)區(qū)40s），在每個(gè)后固化箱受熱時(shí)間約133s。

本次主要研究三區(qū)溫度對(duì)產(chǎn)品性能的影響，根據(jù)該體系環(huán)氧樹脂的前期拉擠經(jīng)驗(yàn)，考慮板材固化情況及脫模布耐溫情況，本次試驗(yàn)主要在150℃～200℃范圍內(nèi)選取三組三區(qū)溫度進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。

三區(qū)溫度：方案A（155℃，175℃，185℃）;方案B（160℃，180℃，190℃）;方案C（165℃，185℃，195℃）。

1.4. 測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

本次研究共涉及9項(xiàng)測(cè)試，測(cè)試項(xiàng)次涵蓋拉擠板材所必要的理化及靜態(tài)力學(xué)性能表征，其測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)如表 5所示。

2結(jié)果分析與討論

2.1表觀性能

在進(jìn)行三種方案產(chǎn)品制造過程中，方案A產(chǎn)品邊緣有富樹脂及掉粉現(xiàn)象（詳細(xì)情況如圖 2所示），而方案B及方案C無異?，F(xiàn)象。針對(duì)現(xiàn)象進(jìn)行分析，方案A三區(qū)溫度相對(duì)較低，導(dǎo)致板材在制造過程中固化度不足，富樹脂塊與板材剝離并與模具連續(xù)摩擦，導(dǎo)致產(chǎn)品邊緣出現(xiàn)富樹脂塊及玻璃鋼粉末。

三種方案制造的拉擠板材去除脫模布后，進(jìn)行顏色對(duì)比，發(fā)現(xiàn)方案C板材較其余兩組對(duì)比樣顏色偏黃，特別是脫模布未覆蓋區(qū)域偏黃較為明顯（詳細(xì)情況如? 圖 3所示）。針對(duì)現(xiàn)象進(jìn)行分析，方案C三區(qū)溫度相對(duì)較高，樹脂受熱反應(yīng)加劇，反應(yīng)快速放熱，導(dǎo)致拉擠板材表面顏色偏黃。

2.2理化性能

（1）密度

密度測(cè)試數(shù)據(jù)，均滿足葉片設(shè)計(jì)要求。測(cè)試數(shù)據(jù)波動(dòng)范圍為2.15～2.17，最大偏差0.93%，波動(dòng)范圍較小（詳細(xì)數(shù)據(jù)如圖 4）。針對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，三區(qū)溫度對(duì)板材密度基本無影響。

（2）孔隙率

孔隙率測(cè)試數(shù)據(jù)，均滿足葉片設(shè)計(jì)要求。測(cè)試數(shù)據(jù)波動(dòng)范圍為1.28～1.46，最大偏差14.06%，波動(dòng)范圍較大（詳細(xì)數(shù)據(jù)如圖 5）。針對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，三種方案間數(shù)據(jù)存在較大偏差，但方案A本身單組數(shù)據(jù)同樣存在較大偏差;考慮孔隙率本身受密度及纖維含量的影響較大，分析認(rèn)為該偏差主要是由數(shù)據(jù)離散性造成的，三區(qū)溫度對(duì)板材孔隙率基本無影響。

（3）纖維質(zhì)量含量

纖維質(zhì)量含量測(cè)試數(shù)據(jù)，均滿足葉片設(shè)計(jì)要求。測(cè)試數(shù)據(jù)波動(dòng)范圍為83.34～84.20，最大偏差1.03%，波動(dòng)范圍較小（詳細(xì)數(shù)據(jù)如圖 6）。針對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，三區(qū)溫度對(duì)板材纖維質(zhì)量含量基本無影響。

（4）玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）

拉擠玻板玻璃化轉(zhuǎn)變溫度是表征產(chǎn)品固化度的主要指標(biāo)，要求一般為≥105℃。針對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，方案A低于指標(biāo)要求，表明產(chǎn)品固化度不足，可能會(huì)影響產(chǎn)品的力學(xué)性能，具體影響范圍還需通過詳細(xì)性能數(shù)據(jù)對(duì)比進(jìn)行分析。方案B與方案C數(shù)據(jù)基本一致，表明產(chǎn)品固化達(dá)到一定程度后，提升溫度短時(shí)間加熱對(duì)產(chǎn)品固化度提升無明顯效果。

2.3靜態(tài)力學(xué)性能

產(chǎn)品制造完成后，按對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，采用CNC加工中心進(jìn)行樣條加工并對(duì)邊緣毛刺進(jìn)行水磨處理，以保證試樣性能的準(zhǔn)確性。

（1） 拉伸性能

測(cè)試結(jié)果表明（表 6），所有數(shù)據(jù)中方案A的0°拉伸強(qiáng)度及模量不滿足葉片設(shè)計(jì)要求，其余均滿足使用要求。方案B與方案C各項(xiàng)拉伸性能基本相當(dāng)。結(jié)合玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的數(shù)據(jù)，表明產(chǎn)品未完全固化前，三區(qū)溫度對(duì)產(chǎn)品拉伸性能提升明顯;三區(qū)溫度各提升5℃，拉伸各項(xiàng)性能提升約7%～15%。當(dāng)固化達(dá)到一定階段后，繼續(xù)提升溫度對(duì)產(chǎn)品拉伸性能基本無明顯意義，該趨勢(shì)與Tg表現(xiàn)趨勢(shì)方向一致。

（2） 壓縮與彎曲性能

測(cè)試結(jié)果表明（表 7），數(shù)據(jù)均滿足葉片設(shè)計(jì)要求，但方案A及方案C強(qiáng)度性能數(shù)據(jù)明顯低于方案B。影響復(fù)合材料的力學(xué)性能的因素主要有基體及纖維本身性能，復(fù)合材料界面的影響。方案B主要考慮樹脂固化度不足，造成性能偏低，而方案C考慮溫度過高導(dǎo)致樹脂基體軟化，使其與玻璃纖維粘結(jié)力降低，在復(fù)合材料界面處樹脂基體與纖維材料產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，導(dǎo)致性能偏低。

（3） 剪切性能

測(cè)試結(jié)果表明（表 8），方案A數(shù)據(jù)不滿足葉片設(shè)計(jì)要求且明顯低于方案B及方案C，方案B與方案C結(jié)果基本一致。分析原因，性能偏低主要由溫度偏低固化度不足導(dǎo)致。

2. 結(jié)論

（4）根據(jù)試驗(yàn)表明，三區(qū)溫度過低會(huì)導(dǎo)致拉擠板材固化度不足，邊緣出現(xiàn)富樹脂及出粉等表觀異常;三區(qū)溫度過高會(huì)導(dǎo)致樹脂反應(yīng)加劇，拉擠板材表面顏色發(fā)黃。三區(qū)溫度的設(shè)置與樹脂本身的性能息息相關(guān)，應(yīng)配套進(jìn)行。

（1）三區(qū)溫度對(duì)拉擠板材密度、孔隙率、纖維質(zhì)量含量參數(shù)基本無影響。

（2）三區(qū)溫度過低會(huì)降低產(chǎn)品固化度，當(dāng)溫度已滿足產(chǎn)品完全固化需求后，提升溫度短時(shí)間加熱對(duì)產(chǎn)品固化度提升無明顯效果。

（3）各項(xiàng)力學(xué)性能對(duì)比數(shù)據(jù)均表明：產(chǎn)品未完全固化時(shí)，三區(qū)溫度對(duì)產(chǎn)品力學(xué)性能提升效果明顯;固化達(dá)到一定階段后，繼續(xù)提升溫度對(duì)產(chǎn)品力學(xué)性能基本無明顯意義且會(huì)因?yàn)闇囟冗^高導(dǎo)致樹脂軟化而造成個(gè)別性能降低。溫度對(duì)力學(xué)性能的影響大趨勢(shì)基本與玻璃化轉(zhuǎn)變溫度一致，后續(xù)進(jìn)行相關(guān)研究時(shí)可以以玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為大范圍篩選判定依據(jù)。

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