董旭旭，李新梅，董蘭蘭，曹祥輝

(新疆大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 烏魯木齊 830008)

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風(fēng)力機(jī)葉片用復(fù)合材料的拉伸及沖蝕磨損性能

董旭旭，李新梅，董蘭蘭，曹祥輝

(新疆大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 烏魯木齊 830008)

摘要：采用真空灌注成型工藝制備了風(fēng)力機(jī)葉片用玻璃纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料，研究了其顯微結(jié)構(gòu)、拉伸性能以及在氣固兩相流下的沖蝕磨損性能。結(jié)果表明：復(fù)合材料的拉伸曲線呈Weibull分布，斷裂前無(wú)明顯的屈服現(xiàn)象；鋪設(shè)6層纖維織物復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度為456.87 MPa，12層的拉伸強(qiáng)度為646.69 MPa，其彈性模量均為4 720.36 MPa；復(fù)合材料沖蝕率分別隨沖蝕顆粒沖擊角和沖擊速度的增加而增大，隨著顆粒粒徑的增大成波動(dòng)性下降。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力機(jī)葉片；復(fù)合材料；真空灌注成型；力學(xué)性能；沖蝕磨損

0引言

由于獨(dú)特的地理位置和地形地貌，我國(guó)的風(fēng)能資源豐厚，居世界前列。風(fēng)力發(fā)電因綠色、環(huán)保而得到了廣泛的關(guān)注。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組最關(guān)鍵、最核心的部件是風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子葉片，其設(shè)計(jì)、質(zhì)量和性能決定了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的性能。因此，葉片的設(shè)計(jì)水平和制造質(zhì)量被認(rèn)為是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的關(guān)鍵和核心技術(shù)[1-2]。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在復(fù)雜而惡劣的環(huán)境下運(yùn)行時(shí)，葉片所承受的載荷多為交變應(yīng)力，同時(shí)高速風(fēng)沙的沖蝕作用較強(qiáng)，導(dǎo)致其會(huì)過(guò)早失效。

目前商品化大型風(fēng)力機(jī)葉片多采用玻璃纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料，與其他材料相比具有比強(qiáng)度高、比模量高、耐疲勞性能好等優(yōu)點(diǎn)，復(fù)合材料的研究和應(yīng)用是風(fēng)力機(jī)葉片材料發(fā)展的必然趨勢(shì)[3]。我國(guó)已研發(fā)了200～750 kW系列大型風(fēng)力機(jī)復(fù)合材料葉片，并已實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研究是近年來(lái)的熱點(diǎn)，如何減輕自重是葉片選材關(guān)鍵。碳纖維復(fù)合材料具有輕質(zhì)高強(qiáng)等優(yōu)異性能，但是由于其價(jià)格過(guò)高在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用較少，目前兆瓦級(jí)葉片材料仍以玻璃纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料為主。對(duì)該葉片的研究也大多集中在結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度設(shè)計(jì)方面，關(guān)于高速風(fēng)沙對(duì)其沖蝕磨損性能的影響研究報(bào)道較少[4]。

為此，作者制備了兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片用玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料[5]，研究了其顯微結(jié)構(gòu)和常溫下的拉伸性能，并模擬新疆地區(qū)實(shí)際工況進(jìn)行了氣固兩相流下的沖蝕磨損試驗(yàn)，研究了沖蝕顆粒粒徑、沖擊角和沖擊速度對(duì)葉片沖蝕磨損性能的影響。

1試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1　試樣制備

試驗(yàn)材料有環(huán)氧樹(shù)脂，型號(hào)為MGSRIMR035C，密度為109～116 g·cm-3，動(dòng)力黏度為1 100～1 600 mPa·s，環(huán)氧當(dāng)量為180～200 g，耐火系數(shù)為1 555～1 565；E玻璃纖維三軸向(0°和±45°)織物，面密度為1 267 g·m-2，單層厚度為0.9 mm；固化劑，型號(hào)為MGSRIMH037，密度為0.93～0.95 g·cm-3，動(dòng)力黏度為10～50 mPa·s，胺值為400～600，耐火系數(shù)為1 500～1 463，均由山東華業(yè)風(fēng)能有限責(zé)任公司提供。

選擇葉片上承受風(fēng)沙沖蝕最嚴(yán)重的部位，即葉片前緣的鋪層作為研究對(duì)象,采用真空灌注成型工藝[6-7]制備玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料，玻璃纖維織物和環(huán)氧樹(shù)脂的質(zhì)量比為4∶6，樹(shù)脂與固化劑的質(zhì)量比為100∶28。將纖維織物裁剪成1 000 mm×800 mm的大小，按照逐層堆疊鋪層方式鋪放在模具內(nèi)，鋪層數(shù)分別為6層和12層；將環(huán)氧樹(shù)脂和固化劑攪拌均勻，除氣泡后導(dǎo)入模具中，模具抽真空，真空度為0.06 MPa；待樹(shù)脂充滿模具后，在室溫下保壓固化8 h，脫模后在80 ℃下后固化6 h，隨爐冷卻至室溫后，在酒精中超聲波清洗，吹干備用。

1.2　試驗(yàn)方法

采用LED-1430VP型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察原始試樣和沖蝕后試樣的表面形貌。

在復(fù)合材料上截取拉伸試樣，形狀和尺寸如圖1所示，按照GB/T 1447-2005,使用WDW-300D型拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行常溫拉伸試驗(yàn)，拉伸速度2 mm·min-1，采用CML-1H型應(yīng)變和應(yīng)力綜合測(cè)試儀同步繪制其應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

圖1　拉伸試樣的形狀和尺寸Fig.1　Shape and size of tensile specimen

采用西安交通大學(xué)焊接所自制的沖蝕磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行氣固兩相流沖蝕磨損試驗(yàn)，利用壓縮氣體帶動(dòng)沖蝕顆粒沖刷試樣，工作原理如圖2所示。試樣尺寸為60 mm×45 mm×5 mm。

圖2　沖蝕磨損試驗(yàn)示意Fig.2 　Schematic diagram of erosion-wear test

根據(jù)新疆地區(qū)風(fēng)沙的主要成分[8-10]，結(jié)合試驗(yàn)的可行性選取了SiO2和Al2O3作為沖蝕顆粒，兩者質(zhì)量比為7∶1。由文獻(xiàn)[11]可知不同流動(dòng)高度下風(fēng)沙的粒徑大小不同，在2 m以下以粗沙(粒徑0.5～2 mm)為主，5 m以上細(xì)沙(粒徑小于0.5 mm)占83%，在2～5 m，既含有粗沙也含有細(xì)沙。兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片距地面高度15 m左右，因此選取了0.42～0.84，0.212～0.42，0.104～0.212，0.074～0.15 mm四種粒徑范圍的沖蝕顆粒，每次沖刷用量為1 kg。試樣表面和入射顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡之間的夾角(沖擊角)分別為15°，30°，45°，60°，90°。依據(jù)新疆每年風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)力情況，選取了7.9，12.8，17.4 m·s-1三種風(fēng)速，采用雙轉(zhuǎn)盤法[12]測(cè)定沖蝕顆粒平均沖擊速度，通過(guò)調(diào)節(jié)壓縮空氣壓力控制顆粒平均沖擊速度與所選風(fēng)速相同。

采用精度為0.1 mg的光電天平測(cè)試樣在沖蝕試驗(yàn)前后的質(zhì)量，測(cè)試前將試樣置于酒精中超聲波清洗,晾干。根據(jù)下式計(jì)算沖蝕率：

(1)

式中：E為試樣沖蝕率，g·kg-1；m0為沖蝕前試樣的質(zhì)量，g；m1為沖蝕后試樣的質(zhì)量，g；mm為每次沖蝕時(shí)沖蝕顆粒的質(zhì)量，kg。

2試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1　原始試樣表面形貌

通過(guò)肉眼觀察可發(fā)現(xiàn)原始試樣表面沒(méi)有組織破壞，玻璃纖維與樹(shù)脂緊緊地結(jié)合在一起，試樣清澈、透明，無(wú)明顯白絲。由圖3可知，環(huán)氧樹(shù)脂在玻璃纖維織物上逐層堆積，緊密圍繞在玻璃纖維鋪層周圍，纖維與樹(shù)脂浸潤(rùn)性較好，采用灰度法測(cè)試可知試樣表面氣孔率較低。氣孔等缺陷的存在會(huì)使裂紋容易在這些部位萌生和擴(kuò)展,而較低的氣孔率有利于提高材料的抗沖蝕能力[13]。

圖3　原始試樣表面SEM形貌Fig.3　SEM morphology of raw specimen

2.2　拉伸性能

由圖4可知，鋪放6層和12層纖維織物的試樣，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化趨勢(shì)相近，試樣斷裂前沒(méi)有明顯的屈服現(xiàn)象；6層纖維織物試樣的拉伸強(qiáng)度為456.87 MPa，12層的拉伸強(qiáng)度為646.69 MPa，彈性模量均為4 720.36 MPa，呈現(xiàn)出較高的初始模量和拉伸強(qiáng)度。在試樣拉伸過(guò)程中,玻璃纖維織物及纖維與樹(shù)脂基體的結(jié)合界面處承受主要載荷，因此呈現(xiàn)出與普通機(jī)織復(fù)合材料類似的拉伸性能。

圖4　不同試樣的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4　Tensile stress-strain curves of the specimens

有關(guān)玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料等脆性材料拉伸強(qiáng)度分布的研究較多，普遍認(rèn)為其服從Weibull分布(最弱連接理論)[14]。在拉伸過(guò)程中，材料的破壞始于玻璃纖維織物中某一最弱纖維，隨著載荷的增大斷裂纖維的數(shù)目隨之增加，當(dāng)達(dá)到一定根數(shù)時(shí)，材料整體斷裂。Weibull斷裂理論建立在材料各向同性并且數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)均勻、材料中的N條裂紋間無(wú)相互作用的基礎(chǔ)上，當(dāng)N足夠大時(shí)其分布函數(shù)為：

(2)

式中：σ為斷裂強(qiáng)度；σth為位置參數(shù)，脆性材料σth為0；σ0為尺寸參數(shù)；P為拉伸強(qiáng)度不高于σ的概率；m為Weibull模量。

圖5為試樣拉伸過(guò)程中的典型形貌。在拉伸載荷加載初期，試樣外觀沒(méi)有明顯變化；加載持續(xù)一段時(shí)間后出現(xiàn)“噼啪”的纖維斷裂聲；當(dāng)達(dá)到極限載荷時(shí)試樣斷裂，玻璃纖維織物大部分被拉斷，只有小部分相連，說(shuō)明當(dāng)纖維斷裂達(dá)到一定根數(shù)時(shí)，試樣整體斷裂；試樣斷裂面為與軸線成45°的斜面，纖維斷裂的位置參差不齊，說(shuō)明拉伸載荷并非全部集中在纖維上，而是由玻璃纖維織物及纖維與樹(shù)脂基體的結(jié)合界面處共同承擔(dān)。

圖5　試樣拉伸過(guò)程的典型形貌Fig.5　Typical morphology of the specimen during tensile process

2.3　沖蝕磨損性能

由圖6可知，當(dāng)顆粒粒徑在0.104～0.212 mm，沖擊速度為12.8 m·s-1時(shí)，試樣沖蝕率隨著沖擊角的增大而增加，沖蝕率的增加說(shuō)明試樣受到風(fēng)沙沖蝕的破壞變大。當(dāng)沖擊角增大時(shí)沖蝕顆粒切向速度減小，垂直于試樣的正向速度增大，正向速度增大導(dǎo)致顆粒擠壓并嵌入試樣，增大了切削深度，使試樣產(chǎn)生疲勞破壞；而切向速度增大則使試樣表面劃痕增多，顆粒對(duì)試樣產(chǎn)生靜強(qiáng)度破壞。

圖6　不同沖擊角沖蝕時(shí)試樣的沖蝕率曲線Fig.6　Erosion rate curves of the specimen after erodedat different impact angles

劉英杰等[15]認(rèn)為材料的沖蝕率與沖擊角的關(guān)系可表示為:

(3)

式中：α為沖擊角；n,A′,B′為常數(shù)。

脆性材料沖蝕時(shí)A′為0，B′取1.2左右，代入式(3)計(jì)算得到的沖蝕率見(jiàn)圖6?？梢?jiàn)，理論計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合。在保證顆粒粒徑范圍和沖擊速度一定的情況下，風(fēng)力機(jī)葉片用玻璃纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料的沖蝕率與沖擊角的關(guān)系基本滿足式(3)。

大沖擊角沖蝕過(guò)程分為兩個(gè)階段,即顆粒直接入射造成的一次沖蝕(包括沖擊顆粒的切削、鑿削、犁溝擠壓)和破碎粒子造成的二次沖蝕[16]。由圖7可以看到，0.104～0.212 mm的顆粒在12.8 mm·s-1的沖擊速度下以90°的沖擊角沖蝕試樣后，樹(shù)脂基體與玻璃纖維發(fā)生了脫離(包括玻璃纖維的沖斷和拔出)，試樣出現(xiàn)分層并產(chǎn)生裂紋。

圖7　90°沖蝕后試樣表面SEM形貌(顆粒粒徑0.104～0.212 mm，沖擊速度12.8 m·s-1)Fig.7　SEM morphology of the specimen after eroded at 90° (particle size of 0.104-0.212 mm and impact velocity of 12.8 m·s-1)

由圖8可知，沖蝕顆粒粒徑為0.104～0.212 mm，沖擊角為45°時(shí)，試樣沖蝕率隨著顆粒沖擊速度的增大而增加。顆粒速度越大，其動(dòng)能也越大，對(duì)試樣的沖蝕也就越大。邵荷生等[17]認(rèn)為，材料發(fā)生沖蝕磨損存在一個(gè)沖擊速度的門檻值,低于這個(gè)數(shù)值不產(chǎn)生沖蝕磨損,只發(fā)生彈性變形；當(dāng)沖擊速度高于門檻值時(shí),材料沖蝕率與顆粒沖擊速度存在如下關(guān)系:

(4)

式中：v0為沖蝕顆粒沖擊速度；k,n為常數(shù)。

圖8　不同沖擊速度沖蝕后試樣的沖蝕率曲線Fig.8　Erosion rate curves of the specimen erodedunder different impact velocities

試樣為脆性材料，n取3，k取0.000 4，代入式(4)計(jì)算所得沖蝕率見(jiàn)圖8。可見(jiàn)，理論計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合。在顆粒粒徑和沖擊角一定時(shí)，風(fēng)力機(jī)葉片用玻璃纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料的沖蝕率與沖擊速度的關(guān)系基本滿足式(4)。

由圖9可知，試樣在17.4 m·s-1的沖擊速度下沖蝕后，玻璃纖維被拔出，在樹(shù)脂基體中留下凹坑；大面積的玻璃纖維被沖斷從而形成了表面斷層現(xiàn)象。這是因?yàn)闃?shù)脂基體的硬度比沖蝕顆粒的低，顆粒沖刷后在試樣表面產(chǎn)生微切削、犁溝，隨后產(chǎn)生脆性片狀脫離，出現(xiàn)玻璃纖維的沖斷和拔出現(xiàn)象。

圖9　17.4 m·s-1沖擊速度沖蝕后試樣表面SEM形貌(顆粒粒徑0.104～0.212 mm，沖擊角45°)Fig.9　SEM morphology of the specimen eroded under impact velocity of 17.4 m·s-1 (particle size of 0.104-0.212 mm 　　　　　　and impact angle of 45°)

由表1可知，當(dāng)沖擊速度為12.8 m·s-1，沖擊角為45°時(shí)，試樣沖蝕率隨著顆粒粒徑的增大呈現(xiàn)上下波動(dòng)；當(dāng)顆粒粒徑為0.212～0.42 mm時(shí)，沖蝕率最大，為0.850 7 g·kg-1，粒徑為0.42～0.84 mm時(shí)最低，為0.691 5 g·kg-1；顆粒粒徑對(duì)試樣沖蝕率的影響相對(duì)較小。當(dāng)顆粒粒徑為0.104～0.212 mm時(shí)，顆粒間的沖擊和反彈過(guò)程發(fā)生相互干擾的概率大大提高[18]，導(dǎo)致顆粒沖擊能量降低，使沖蝕率下降；但顆粒粒徑繼續(xù)增大時(shí)，與試樣的接觸面積也隨之增大，導(dǎo)致試樣表面微切削和犁溝增多增大，沖蝕率又隨之上升；但粒徑增大的同時(shí)顆粒質(zhì)量也相應(yīng)增大，當(dāng)粒徑為0.42～0.84 mm時(shí)空氣挾帶到達(dá)試樣表面的顆粒數(shù)量大量減少，又導(dǎo)致了沖蝕率的下降。

表1　不同粒徑顆粒沖蝕后試樣的沖蝕率Tab.1　Erosion rates of the specimen eroded with particlesof different sizes

由圖10可知，在粒徑為0.212～0.42 mm的顆粒沖蝕后，玻璃纖維與樹(shù)脂基體出現(xiàn)了剝離、脫落。

圖10　粒徑為0.212~0.42 mm的顆粒沖蝕后試樣表面SEM形貌(沖擊角45°，沖擊速度12.8 m·s-1)Fig.10　SEM morphology of the specimen eroded with the particle size of 0.212-0.42 mm (impact angle of 45° and impact velocity of 12.8 m·s-1)

3結(jié)論

(1) 玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度服從Weibull分布，斷裂前沒(méi)有明顯的屈服；鋪放6層纖維織物復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度為456.87 MPa，12層的拉伸強(qiáng)度為646.69 MPa，彈性模量均為4 720.36 MPa;拉伸載荷由玻璃纖維織物及纖維與基體的結(jié)合界面處共同承擔(dān)，拉伸斷裂面與軸線成45°。

(2) 玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料沖蝕率隨顆粒沖擊角的增加而增大，表現(xiàn)出明顯的脆性沖蝕特征；同時(shí)也隨著顆粒沖擊速度的增大而增加，兩者基本呈指數(shù)關(guān)系。

(3) 玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料的沖蝕率隨顆粒粒徑的增大呈現(xiàn)出先減小再增大再減小的波動(dòng)趨勢(shì)，但粒徑大小對(duì)沖蝕率的影響相對(duì)較小。

(4) 玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料在氣固兩相流下沖蝕后的破壞形式主要有玻璃纖維與樹(shù)脂基體剝離、玻璃纖維斷裂、樹(shù)脂基體脆性片狀脫離等。

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Tensile and Erosion-wear Properties of Composite Material

for Wind Turbine Blade

DONG Xu-xu, LI Xin-mei, DONG Lan-lan, CAO Xiang-hui

(College of Mechanical Engineering, Xinjiang University, Urumqi 830008, China)

Abstract:The glass fiber reinforced resin composite material for wind turbine blade was prepared by vacuum infusion method and the microstructure, mechanical and erosion-wear properties under gas-solid two phase flow were also studied. The results show that the tensile curve of the composite material was in accordance with Weibull distribution and no obvious yield point was observed before fracture. The tensile strength of the composite material with 6 fiber layers was 456.87 MPa and of 12 fiber layers was 646.69 MPa. The elastic modulus of the composite material was 4 720.36 MPa. The erosion rate of the composite material increased with the increase of impact angle and velocity of the erosion particles, and showed a decreased fluctuation with the increase of the particle size.

Key words:wind turbine blade; composite material; vacuum infusion; mechanical property; erosion-wear

中圖分類號(hào)：V258.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1000-3738(2015)12-0025-05