环境温度对风电叶片复合材料力学性能的影响

环境温度对风电叶片复合材料力学性能的影响

刘永峰

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国家能源集团联合动力技术有限公司首届科技论文大赛

摘要：选用风电叶片用的环氧树脂及单向高模玻纤织物，采用真空灌注工艺制作复合材料，通过测定该复合材料在不同环境温度下的力学性能，研究环境温度对叶片复合材料力学性能的影响。

关键词：风电叶片、复合材料、力学性能

1 引言

近十余年，国内风电行业发展迅速，风电设备装机遍布全国，陆地风机的设计、生产、运维等各周期内技术日益成熟。为满足一些特殊地域（如：热带、高海拔、冰原、极地等具有极端气候条件的地区）的装机需求，需要专门研究风机设备的各种部件结构的环境适应性，以设计安全可靠的适应极端气候环境的风机设备。但目前对极端温度环境下风机设备可靠性的研究还比较少。本文旨在研究高低温环境对叶片用复合材料力学性能的影响。

叶片主体材料一般使用玻纤增强环氧树脂基复合材料作为结构材料，该类材料的Tg值一般为70-80℃。该类复合材料在室温下具有高强度、高模量的特点，但随着温度升高，尤其是接近Tg值温度时，由于树脂分子链段活性增大，受外力时，分子间易发生滑移，导致其力学性能有极大衰减。而在低温区，树脂脆性增加，在经受周期性的应力时，易产生损伤，导致疲劳寿命缩短[1]。因此，研究温度对复合材料力学性能的影响，对叶片设计寿命有较大指导意义。

本文选用了风电叶片常用的单向玻纤织物（1250g/m³）作为增强材料，研究了双酚A型环氧树脂基复合材料在不同环境温度下的拉伸性能和疲劳性能。

2 实验设备与试样制作

2.1 实验仪器与材料

实验仪器详见表1，实验材料详见表2。

表1 实验仪器

表2实验材料

2.2 纤维增强复合材料试样制作

铺床模具上，对称铺设2层单向玻纤织物，外层包覆脱模布。树脂按推荐比例混匀后，用真空法脱泡，采用真空灌注工艺注胶。灌注结束后，开启模具加热，于70℃保温7h进行固化。自然降温至35℃以下后脱模。切除距边缘5cm的部分，取纤维0°方向为长度方向。为防止试样在试验过程中在夹持端破坏，自中间部分加工长250mm宽300mm的坯件。在坯件两端的四个宽向表面上粘贴加强片，加强片用±45°双轴向玻纤增强树脂材料制作，长度为50mm，厚度为2-4mm。将贴有加强片的坯件置于恒温箱中，于60℃加热处理2h。加工试样，尺寸加工要求为长250±1mm宽为15±0.2mm。

3 力学性能试验

3.1 试验温度设定

3.1.1 拉伸性能试验温度

设计了分别在-40℃、25℃（室温）、40℃、50℃、60℃、70℃、80℃、90℃环境下纤维增强复合材料的拉伸试验。

3.1.2 疲劳性能试验温度

设计了分别在-40℃、25℃（室温）环境下纤维增强复合材料的拉-拉疲劳试验。

3.2 力学性能测试结果

3.2.1 拉伸性能试验结果

按照ISO 527-5:2009方法要求，分别测试-40℃、25℃（室温）、40℃、50℃、60℃、70℃、80℃环境下纤维增强复合材料的拉伸性能。横梁位移速率为2mm/min。试验破坏形式为脆断，试样纤维散开。

表3环氧树脂基复合材料在不同温度下的拉伸强度

图1 环氧树脂基复合材料拉伸强度-温度曲线

3.2.2 拉-拉疲劳性能试验结果

按照ISO 13003:2013方法要求，分别测试-40℃、25℃（室温）环境下纤维增强复合材料的拉-拉疲劳性能。使用应力控制模式，选用4个应力等级：60%、55%、45%、38%，每个应力等级5个试样。疲劳震动频率10Hz。选用25℃下该材料的拉伸强度为1280MPa作为极限强度。

3.2.2.1 在环境温度为25℃下的拉-拉疲劳试验，试样失效形式均为纤维束散开。

表4环氧树脂基复合材料在25℃环境的疲劳性能结果

用最小二乘法绘制拟合曲线，如下：

图2 环氧树脂基复合材料拉-拉疲劳结果的S-N曲线

推算1000万次循环对应的应力为：407MPa。

3.2.2.2 在环境温度为-40℃下的拉-拉疲劳试验，试样失效形式均为纤维束散开。

表4环氧树脂基复合材料在-40℃环境的疲劳性能结果

用最小二乘法绘制logS-logN的拟合曲线，如下：

图2 环氧树脂基复合材料拉-拉疲劳结果的S-N曲线

推算1000万次循环对应的应力为：386MPa。对比25℃的10000万次循环疲劳试验结果，疲劳极限下降了5.16%。

5 结果与讨论

本次试验比对了不同环境温度下的纤维增强环氧树脂基复合材料的力学性能，因为考虑到主梁结构（为单向纤维织物层结构）的安全性更为重要，因此选择了单项玻纤织物作为研究对象。结果表明，-40℃低温环境下该材料的拉伸强度略有提高（增加了2.73%），疲劳性能下降5.16%。低温环境下，树脂分子链段运动活性降低，因此运动阻力增加，结构材料拉伸强度增大。但是脆性增加，使得疲劳裂纹扩展速度加剧，应力重新分配的几率降低，导致疲劳性能下降较明显。

另外，在高寒地区的工况更为复杂，寒流、覆冰、暴风雪等极端气候可能会加剧叶片损坏。研究多环境因素条件下的材料力学性能具有较大意义。

参考文献

[1]宋健，温卫东.不同温度下树脂及复合材料层合板力学性能试验[J].航空动力学报，2016,31（4）：1006-1018.

[2]陈详宝.先进树脂基复合材料的发展和应用[J].航空材料学报，2003,23：194-204.

[3] 杜善义.先进复合材料与航空航天[J].复合材料学报，2007,24（1）：1-12.

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