风电叶片材料的选择与评价

1. 引言

叶片是风力发电机中最基础和关键部件，对风力机组的发电效率、运行安全起着至关重要的作用，其良好的设计、稳定的质量和优越的性能是保证风电机组正常运行的重要因素[1]。叶片在工作中要承受风载荷、砂粒冲刷、紫外线照射、盐雾腐蚀等外界因素的作用，要求叶片具有比重轻、最佳的疲劳性能和机械性能，能经受极端恶劣条件和随机负荷的考验，具有良好的耐紫外线性能、耐腐蚀性能和良好的稳定性。

叶片材料的选择是叶片设计的关键，优良的材料是风力机叶片具有优良特性的重要保证。现今国内风电行业形势严峻，市场竞争激烈，同时叶片向大型化方向发展，使得替代材料的选择和先进材料的开发显得尤为重要。国内目前尚未有特定的标准和评定方法，结合国内外叶片材料的要求及实际生产要求，主要从基体材料、增强材料、胶粘剂和芯材等几方面对叶片材料进行分析，提出选材的相关要求和方法。

2. 叶片材料体系

复合材料叶片大多采用组装方式制造，一般是先在特有的模具上分别成型叶片主梁、腹板及其他部件，然后在主模具上把两个壳体、腹板及其它部件通过结构胶粘剂胶接组装在一起，合模加压固化后制成整体叶片。目前国内以真空辅助灌注工艺为主，其主要材料为增强材料、基体材料、芯材和胶粘剂。

2.1 增强材料

增强材料主要起着承载载荷的作用， 包括E- 玻璃纤维、S- 玻璃纤维、M- 玻璃纤维、碳纤维以及超高分子量聚乙烯纤维、玄武岩纤维等新型纤维。

E- 玻璃纤维因其成本低、适用性强的特点得到大量使用，是目前叶片主流增强材料，与许多树脂、成型工艺匹配性较佳，目前具有单轴向、双轴向、三轴向、四轴向甚至三维立体结构等许多编织形式，以满足不同的需要，使灵活的结构设计得到更好的体现。

但是，E- 玻璃纤维的密度较大，大型叶片的开发对叶片的重量和强度提出新的要求，完全依靠传统的E- 玻璃纤维已不能满足叶片发展的需求，新型的玻璃纤维和碳纤维开始应用到叶片中。高模量玻璃纤维具有良好的强度和抗疲劳性能，提高叶片的抗风能力，增加叶片寿命，减轻叶片重量。碳纤维复合材料叶片是叶片发展的新趋势，现已有叶片制造商利用碳纤维制造叶片，多以玻/ 碳混杂为主，但其价格过于昂贵，目前尚未得到广泛应用。

2.1.1 性能要求。选择任何一种纤维织物，根据实际生产工艺和叶片设计需要，要从以下几个方面考虑，主要包括力学性能和工艺性能：

(1)外观质量。纤维织物无断丝、毛丝、杂质、缺丝和丝束排列不均匀等缺陷。

(2)铺覆性。在叶片曲面上铺放纤维织物，纤维织物在无褶皱、不断裂、不撕裂，纤维无波折、扭结或起伏的情况下，与模具贴合紧密，能够制成与产品相同的形状。

(3)浸润性。

(4)叶片根端模拟试验。根端是叶片结构最厚的位置，不管是树脂还是纤维的选择，均应该进行实际生产模拟，主要是观测其实际灌注情况，有无白丝、发热等异常现象发生。

(5)层压板力学性能。目前所用E- 玻璃纤维织物主要有单轴向布、双轴向和三轴向布。以玻璃纤维织物为例，采用真空灌注工艺制备各种纤维织物的层压板，按相应的ISO 标准进行测试， 叶片一般设计性能基本要求见表1。层压板性能影响因素主要包括施加载荷相对纤维取向的偏轴角、施加载荷类型、材料局部范围内组分材料的性能、组分材料的几何结构以及产品内部缺陷。

同时，采用归一化方法分析力学性能测试数据，通过把测试值修正成相对于规定的纤维体积含量的数值，直接比较力学性能测试结果。单轴向布和0°三轴向布层压板的0°拉伸和压缩性能(强度和模量)根据下式进行归一化处理：

其中，P 为归一化值;Pm 为实测值;Vt 为理论纤维体积含量;Vm为实测纤维体积含量。
 

2.1.2 浸润性测试方法。树脂与纤维布之间的浸润性是真空灌注成型工艺中的重要影响因素，两者之间良好的浸润性是保证产品质量和避免气泡、白斑等缺陷的关键。

浸润性通过增强材料的渗透率来表征。渗透率是综合反映纤维渗透特性的参数，用来表征树脂流过纤维织物的难易程度，是优化成型工艺和保证产品质量的关键。树脂在纤维中的流动主要是树脂在纤维束空隙之间的宏观流动和树脂在纤维单丝之间的微观流动，受纤维孔隙率、树脂粘度、纤维与树脂的表面张力、温度、注射压力等影响。利用Darcy 定律，通过一维和二维面内径向测量渗透率。

(1)一维方向。一维方向渗透法是树脂在单向流动(即y 和z方向树脂流速较小，可以忽略)的情况下，测量恒定流速的树脂在纤维内的一维流动压力降。由Darcy定律可推出树脂一维方向方程：

式中：x 为树脂流动前锋位置(m);K 为纤维的渗透率张量(m2);ΔP 为压力梯度(Pa);t 为灌注时间(s);φ 为孔隙率(%);η 为树脂粘度(Pa˙s)。其中孔隙率φ 为

其中，n 为增强材料层数;ψ 为玻璃纤维单位面积质量(g/m2);h为增强材料厚度(mm);ρf—玻璃纤维密度(g/cm3)。

通过记录树脂流动过程中流动前锋位置x 与时间t，并对x2~t 作图，通过线性拟合由直线斜率k 来计算出渗透率。其示意图如图1 所示。

(2)二维径向。二维径向渗透率是指树脂从增强材料中心一点注入，在恒定流速或恒定压力下在面内沿径向流动(不考虑树脂沿厚度方向的流动)，通过记录树脂径向流动前锋与时间的关系可同时得到平面内两个主方向的渗透率，具体如下：

各向同性材料计算公式：

各向异性材料计算公式：

一般情况下，二维径向流动前沿曲线为圆形或椭圆形，记录树脂流动前沿半径和时间，根据以上公式计算渗透率。其示意图见图2。

2.2 基体材料

基体材料在复合材料中起着粘结、支持、保护增强材料和传递应力的作用，主要包括不饱和聚酯树脂、环氧树脂和乙烯基酯树脂，直接关系到叶片的工作温度、耐环境性能及成型工艺，目前国内主要以环氧树脂为主。

为达到叶片性能要求，提高叶片的承载能力以及满足真空灌注成型工艺的要求，须从以下几个方面进行材料选择和测试：

2.2.1 粘度要求合适。一般控制在180mPa˙s~300mPa˙s。树脂粘度影响叶片成型时间，以及与增强材料之间的浸润性。

2.2.2 低固化放热峰温度。叶片结构中局部较厚，低的放热峰可大大减少内应力和延长模具的使用寿命，放热峰过高会引起爆聚。

2.2.3 凝胶时间长，固化时间短。根据大型叶片的实际情况，凝胶时间以超过120min 为宜。

2.2.4 树脂浇铸体具有良好的力学性能。主要包括拉伸、弯曲和冲击韧性。详见表2。

2.2.5 低的体积收缩率和较高的玻璃化转变温度(Tg)。低的收缩率是尺寸稳定性的关键，Tg直接影响产品的使用性能。

2.2.6 层压板力学性能优异。层压板力学性能是叶片设计铺层的关键数据，详见表1。

2.2.7 树脂与纤维之间的浸润性，其测试方法同增强材料。

2.3 胶粘剂

目前叶片多采用两个半模胶接合模而成，胶粘剂是叶片的重要结构材料，直接关系到叶片的强度和刚度，要求胶粘剂具有较高的强度、良好的韧性和良好的操作工艺性。叶片用胶粘剂有环氧胶粘剂和聚氨酯胶粘剂，目前以环氧胶粘剂为主。

2.3.1 本体性能。主要包括胶粘剂浇铸体的拉伸性能、压缩性能、弯曲性能和冲击韧性等力学性能以及玻璃化转变温度。

2.3.2 填充性能。胶粘剂堆积30mm 高，直到凝胶或进行下一步工序时仍能保持初始状态。

2.3.3 放热峰温度和凝胶时间。放热峰温度要低，凝胶时间应不小于120min，掌握凝胶时间和放热峰温度，有利于控制胶粘剂的一次施工用量。

2.3.4 拉伸剪切性能。这是表征胶粘剂的一项重要指标。测试基材为玻璃钢- 玻璃钢。

2.3.5 拉伸剪切疲劳性能。模拟叶片在不同风况下的工作情况，用来预测叶片内胶粘剂的最终运行情况，要求循环107 次后不失效，是保证叶片寿命的关键性能。

2.4 芯材

芯材是叶片的关键材料之一，在叶片的前缘、后缘以及剪切肋等部位，一般采用夹层结构来增加结构刚度，防止局部失稳，提高整个叶片的抗载荷能力。叶片常用芯材为PVC 泡沫和Balsa。

大型叶片的发展，对叶片的重量、质量、成本以及材料的一致性提出新的要求，现已开发出新型芯材在风能行业中逐渐得到应用和认可，是未来重要芯材，主要包括：

2.4.1 聚对苯二甲酸乙二醇酯泡沫(PET)。成本效益好，可为风电叶片提供有益的物理性能，并且可以回收利用。

2.4.2 聚甲基丙烯酰亚胺(PMI) 泡沫。100% 闭孔结构可以防止树脂被吸入泡沫内部，减少叶片的重量，具有较高的耐疲劳性能，提高叶片使用寿命。

2.4.3 纤维增强复合材料芯材。由玻璃纤维和闭孔低密度泡沫组成，可以满足叶片优化设计，降低叶片的重量和成本，尺寸稳定，密度均匀性能很好，提高叶片均匀性。芯材的选择主要考虑三个方面的因素：力学性能(强度、刚度和密度)要求、工艺要求(承受的温度、制品形状、芯材的加工等)和价格。

现以PVC 泡沫和Balsa 的性能要求为例，主要包括芯材的密度、压缩性能和剪切性能，其性能指标见表3 和表4。同时需要对芯材的夹层结构进行力学性能测试，包括拉伸、压缩、剪切、弯曲和剥离性能。

3. 选材原则

材料的选择主要包括两种情况，一种是在设计前材料的选择，根据材料的性能进行设计，一种是对现有材料的替代。设计选材的一般原则：

(1)根据叶片应用场所，选择其强度、刚度以及能够满足环境条件的材料。

(2)所选材料体系要有良好的工艺性和加工性。

(3)满足特殊使用环境或客户需求的性能。如在风沙较大的风场，需要油漆有较好的风沙防护性能。在高原光照强烈的风场，需要油漆具有良好的防紫外光性能，等等。

(4)优先选用应用较广，有应用案例的材料。

替代材料认证的目的是取代原有的材料，而不对制造、结构和性能带来影响。一般按以下方法进行[6]：

(1)鉴别出材料性能关键参数，并指出为什么是关键参数。如纤维或树脂，关系到叶片的整体性能，对其力学性能、工艺性能等的鉴定是关键。

(2)对每一个关键参数，确定适当的试验、测量方法或评定方法，必须与原有材料所做的试验、测量方法或评定方法严格对应。

(3)确定通过、不通过的原则。需要确定关键性能参数，给定基本要求。性能参数的合格标准要根据实际情况而定，有些值必须满足或超过原先的值，有些值与原有值不能有太大的差距，如层压板纤维含量、增强材料单位面积质量等。

(4)进行试验，根据原则判定是否合格。

4. 结论

通过对以上叶片主要原材料的选材要求、测试方法以及选材原则进行了初步探索和总结，为选材提供了参考。随着大型叶片的开发，对材料性能要求越来越高，其相应的技术指标也相应提高，要不断研究和完善各种材料的检验要求，包括碳纤维织物、碳纤维预浸料、涂料等。充分了解各种材料的性能参数，寻求综合性能优异的材料，更好地把材料的性能发挥到最大程度，满足风力机复合材料叶片低成本、轻量化、质量稳定性的需求。