新材料解決風(fēng)機(jī)葉片的重量、強(qiáng)度及固化時(shí)間問(wèn)

風(fēng)力發(fā)電行業(yè)正致力于利用復(fù)合材料的最新技術(shù)開(kāi)發(fā)更長(zhǎng)的葉片，在不增加重量和犧牲強(qiáng)度的前提下，提高發(fā)電效率，這在設(shè)計(jì)和制造方面向葉片制造商提出了挑戰(zhàn)。



新的泡沫夾芯材料和環(huán)氧樹(shù)脂的改進(jìn)不僅可以幫助葉片制造商生產(chǎn)出更大的葉片，同時(shí)機(jī)械性能還需要滿足要求，還可以提高生產(chǎn)效率。陶氏化學(xué)下屬公司Dow Formulated Systems最近推出了COMPAXXTM700泡沫芯材，同時(shí)宣稱對(duì)其AIRSTONETM環(huán)氧樹(shù)脂體系做了較大的改進(jìn)。這些新的產(chǎn)品及技術(shù)改進(jìn)可以幫助葉片生產(chǎn)商應(yīng)對(duì)市場(chǎng)在降低葉片重量及提升葉片強(qiáng)度方面不斷增長(zhǎng)的需求。



追求更高效率

風(fēng)力發(fā)電行業(yè)已經(jīng)度過(guò)了最初的示范期，進(jìn)入了與其他發(fā)電方式進(jìn)行成本競(jìng)爭(zhēng)的階段。風(fēng)力發(fā)電工作原理表明，風(fēng)機(jī)發(fā)電的功率和風(fēng)輪半徑的平方成正比。鑒于此，風(fēng)輪直徑一直在不斷增加，目前已經(jīng)超過(guò)410ft（125m）。 123456

如今，在世界各地新安裝的風(fēng)電設(shè)備多采用直徑較大的風(fēng)機(jī)葉片，這不僅可以在發(fā)電量上有所突破，還可以促進(jìn)用于大型葉片開(kāi)發(fā)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料、生產(chǎn)工藝等技術(shù)的進(jìn)步。

葉片長(zhǎng)度

葉片加長(zhǎng)會(huì)帶來(lái)新的挑戰(zhàn)：如何制造出強(qiáng)度高且重量輕的葉片。雖然發(fā)電量與風(fēng)輪的半徑成平方關(guān)系，但是葉片的重量與之成立方關(guān)系。雖然葉片重量主要由尺寸決定的，但是為了提高葉片強(qiáng)度而在結(jié)構(gòu)上所做的必要調(diào)整——以承受大型葉片運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所增加的載荷——也會(huì)進(jìn)一步增加葉片的重量。

如果在大型葉片設(shè)計(jì)和生產(chǎn)時(shí)不考慮減重問(wèn)題，那么所帶來(lái)的原材料消耗和生產(chǎn)周期的增加將是難以接受的。而且重型葉片在安裝后也會(huì)給風(fēng)機(jī)軸承部件帶來(lái)巨大的負(fù)重壓力。更重要的是，增加的重量還會(huì)在風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)中提升設(shè)備的疲勞度，縮短葉片壽命。 copyright 123456



降低葉片重量的方法之一是在復(fù)合材料鋪層中采用更多的碳纖維，但這樣會(huì)導(dǎo)致材料成本大幅增加。另一種更可行的方法就是改進(jìn)芯材性能、樹(shù)脂體系以及蒙皮和芯材的粘結(jié)效果。這樣可以降低葉片重量、延長(zhǎng)葉片壽命，同時(shí)還可以縮短生產(chǎn)周期，降低成本。

新型夾芯材料

陶氏化學(xué)公司對(duì)COMPAXX 700-X泡沫芯材進(jìn)行了改進(jìn)。這種通過(guò)GL認(rèn)證的新材料在靜態(tài)力學(xué)性能方面達(dá)到甚至超過(guò)了同等密度的交聯(lián)聚氯乙烯（PVC）泡沫。

表1將COMPAXX 700-X的屬性與GL標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了對(duì)比。



這種新型泡沫芯材在用其他行業(yè)方法進(jìn)行評(píng)估時(shí)也表現(xiàn)出優(yōu)良的性能。比如在用于大型葉片評(píng)估的高周疲勞耐久性測(cè)試方面，即使經(jīng)過(guò)一千萬(wàn)次動(dòng)態(tài)載荷循環(huán)后，采用COMPAXX 700-X材料的夾層結(jié)構(gòu)也不會(huì)發(fā)生斷裂或永久變形，遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于PVC和PET芯材。

蒙皮和芯材粘結(jié)測(cè)試可以預(yù)測(cè)葉片結(jié)構(gòu)分層的可能性。測(cè)試結(jié)果顯示COMPAXX 700-X的蒙皮-芯材界面剝離強(qiáng)度比行業(yè)參考芯材PVC（60 kg/m3）的高3倍。COMPAXX 700-X有一定的粗糙度和表面凹槽，確保了這種材料的粘結(jié)性能。

芯材在葉片加工過(guò)程中會(huì)吸收樹(shù)脂，而降低樹(shù)脂的吸收率可以在不犧牲葉片強(qiáng)度的情況下減輕葉片的重量。

COMPAXX 700-X在加工時(shí)吸收的樹(shù)脂遠(yuǎn)少于其他芯材。一項(xiàng)由第三方進(jìn)行的針對(duì)2.5MW風(fēng)機(jī)葉片進(jìn)行的測(cè)試顯示，COMPAXX 700-X因吸收的樹(shù)脂量較少，整個(gè)葉片的總重量降低了276lb（125kg）。



低放熱峰溫度

除了泡沫芯材技術(shù)的提升，陶氏還對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂體系進(jìn)行了較大的改進(jìn)，以滿足大型葉片制造的要求。AIRSTONE環(huán)氧樹(shù)脂體系就是為風(fēng)電市場(chǎng)專門開(kāi)發(fā)的。 123456

風(fēng)電行業(yè)需要專用的環(huán)氧樹(shù)脂技術(shù)，這有幾個(gè)原因。當(dāng)下大型葉片采用更多的夾芯結(jié)構(gòu)，這樣在樹(shù)脂固化時(shí)由于熱量聚集很容易發(fā)生損壞。固化溫度過(guò)高可以直接導(dǎo)致芯材損壞。隨著固化熱的傳遞，復(fù)合材料內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生較高的應(yīng)力，導(dǎo)致變形、分層，從而降低葉片強(qiáng)度，使抗疲勞性能下降。

采用傳統(tǒng)的環(huán)氧樹(shù)脂，只能通過(guò)降低樹(shù)脂或固化劑活性來(lái)控制固化放熱峰溫度，但是這樣會(huì)大大增加固化時(shí)間，見(jiàn)圖1。這與整個(gè)行業(yè)對(duì)縮短生產(chǎn)周期的追求背道而馳。

AIRSTONE環(huán)氧樹(shù)脂體系使葉片制造商既可以控制樹(shù)脂固化性能，又能保持原有生產(chǎn)效率。AIRSTONE環(huán)氧樹(shù)脂體系中的78系列在風(fēng)電行業(yè)中展現(xiàn)了優(yōu)良的性能（表2）。

在AIRSTONE樹(shù)脂方面，陶氏化學(xué)最重要的成就是很好地處理了放熱峰溫度與反應(yīng)速度的關(guān)系。其開(kāi)發(fā)的REX技術(shù)目的就是要降低固化時(shí)的放熱峰溫度（見(jiàn)圖2）。 123456



圖3比較了用于傳統(tǒng)樹(shù)脂體系和REX技術(shù)的兩種固化劑的活性。從圖3可以看出，采用REX技術(shù)的放熱峰溫度相對(duì)要低很多，而體系的反應(yīng)活性沒(méi)有下降，固化時(shí)間也沒(méi)有延長(zhǎng)。產(chǎn)品的強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)完整性都沒(méi)有下降，成型周期得到了優(yōu)化。



快速、高質(zhì)量的導(dǎo)入

葉片尺寸增大會(huì)使樹(shù)脂很難完全浸入較厚的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中，而且相當(dāng)費(fèi)時(shí)。采用陶氏化學(xué)REX技術(shù)還有一個(gè)好處就是可以使樹(shù)脂導(dǎo)入溫度比傳統(tǒng)環(huán)氧樹(shù)脂高5°C（圖4）。這樣可以降低樹(shù)脂粘度，使樹(shù)脂可以更快、更徹底地浸透多層結(jié)構(gòu)。



新一代葉片 123456

結(jié)合COMPAXX 700芯材、AIRSTONE環(huán)氧樹(shù)脂體系和REX放熱管理技術(shù)可以使葉片制造商在采用傳統(tǒng)玻璃纖維復(fù)合材料體系時(shí)，可以更好地生產(chǎn)更大尺寸的葉片，而不會(huì)犧牲強(qiáng)度和生產(chǎn)效率。

REX技術(shù)也可以給碳纖維體系帶來(lái)類似的改善。

陶氏化學(xué)在以上這些方面及其他領(lǐng)域所做的改進(jìn)正在幫助葉片設(shè)計(jì)者和生產(chǎn)者生產(chǎn)新一代風(fēng)機(jī)葉片，以滿足快速增長(zhǎng)的全球風(fēng)力發(fā)電的需求。


來(lái)源：榮格工業(yè)