“ 離位”增韌在風電葉片葉根止裂中的應用研究

羊森林 耿向明 鐘賢和 王鋒 張前

摘 要 利用“離位”增韌技術，在沿用現有的風電葉根玻璃纖維軸向織物的原材料的基礎上，研制附載聚芳醚酮-甲基吡咯烷酮（PEK-C/NMP）增韌織物試樣件，選擇PEK-C濃度、PEK-C的用量、附載織物打點面積為影響因素，以沖擊后壓縮強度為最重要指標，正交設計L9（34）進行工藝優化。結果顯示，PEK-C濃度0.2 g/mL、PEK-C的用量為25 g/m2、打點面積25%時為最佳增韌工藝參數；此方案能有效提高試驗件沖擊后壓縮強度CAI性能45.20%，I型層間斷裂韌性GIC性能11.23%、II型層間斷裂韌性GIIC性能46.37%。通過增韌劑的優化和工藝的不斷改進，可以在不改變風電葉片的生產工藝的前提下，能夠顯著提高玻璃纖維復合材料結構的界面斷裂韌性，可有效阻止裂紋擴展，最終提高風電葉片葉根部件疲勞性能。

關鍵詞 “離位”增韌；風電葉片；裂紋止裂；壓縮強度；層間斷裂韌性；疲勞實驗

“Ex-situ” Toughening Application Research on Wind

Turbine Blade Root Crack Arrest

YANG Senlin1， GENG Xiangming1， ZHONG Xianhe1， WANG Feng1， ZHANG Qian2

（1. Dongfang Electric Wind Power Co.， Ltd.， Tianjin 300000;

2. Beijing Mega Material Innovation Work Co.， Ltd.， Beijing 101300）

ABSTRACT Using “Ex-situ” toughening technology， polyaryletherketone-methylpyrrolidone （PEK-C/NMP）? toughening fabric specimens were developed based on existing glass fiber axial fabrics in wind turbine blade roots. The concentration of PEK-C， the usage of PEK-C， and the dotting area of the loaded fabric are selected as the influencing factors， and the compressionstrength after impact is used as the most important index. The orthogonal design L9（34） is appliedfor process optimization. The results show： the optimal toughening process parameters are PEK-Cconcentration of 0.2 g/mL， PEK-C dosage of 25 g/m2， and dotting area of 25%; this scheme could effectively improve the CAI performance of the test pieces by 45.20%， the GIC performance of type I interlaminar fracture toughness by 11.23%， and the GIIC performance of type II interlaminar fracture toughness by 46.37%. Through the optimization of toughening agent and the continuous improvement of the process， the interfacial fracture toughness of the glass fiber composite material structure can be significantly improved without changing the production process of wind turbine blades， effectively preventing crack propagation， and ultimately improving the fatigue performance of the root components of wind turbine blades.

KEYWORDS “Ex-situ” toughening; wind turbine blades; crack stop; compressive strength; interlaminar fracture toughness; fatigue experiment

基金項目：德陽市科技局2021年科技“揭榜掛帥”重點榜單項目（2021JBJZ005）

通訊作者：張前，男，工程師。研究方向為碳纖維復合材料。E-mail：2044964@qq.com

1 引言

風力發電機葉片是由玻璃纖維復合材料（GFRP）組成的大型旋轉發電設備，螺栓套筒預埋連接方式的風電葉片主要由主梁結構、殼體結構、后緣梁結構以及葉根螺栓連接結構這四個主要結構組成［1］。玻璃纖維復合材料（GFRP）它在廉價、易加工的同時也擁有較高比強度與比剛度。其不足為斷裂伸長率較低導致其本體的韌性不足，如果不進行增韌處理，抗剝離、抗沖擊性能較差［2］。大多數風葉葉根連接結構處的失效形式主要為界面裂紋失效，失效界面主要為玻璃鋼楔形條與鋪層之間的界面裂紋失效、螺栓套與鋪層之間的界面裂紋失效、二次灌注成型之間的界面裂紋失效，而利用層間增韌技術可以抑制材料結構中疲勞裂紋擴展［3］。層間增韌是在復合材料鋪層間加入薄的增韌材料層，以改善復合材料的斷裂韌性及損傷容限；其可以描述為分立的第二相材料層以顆粒、纖維、或薄膜的形式插入到復合材料鋪層之間［4］。

本研究將采用界面“離位”增韌技術［5］，在原有風電葉片葉根使用的玻璃纖維織物上附載聚芳醚酮-甲基吡咯烷酮（PEK-C/NMP）增韌劑，制備ESTM-Fabric［6］增韌織物，在保證等強度最優化設計的前提下，在葉片葉根界面裂紋失效前，按照特定形式和載荷發展破壞而不發生其它形式的破壞，有效阻止裂紋擴展，最終提高葉根整體部件的抗疲勞性能［7-9］。

2 實驗方法

2.1 實驗材料

2.1.1 原材料

玻璃纖維軸向織物（2AX-800，泰山玻璃纖維有限公司生產 ）；環氧樹脂（DQ200，東樹新材料有限公司生產；用樹脂DQ200a與固化劑DQ200b按3：1的比例均勻攪拌調配）；增韌劑（聚芳醚酮PEK-C，英創高分子材料工程研發中心生產，甲基吡咯烷酮NMP 廣東粵美化工有限公司生產，用時選用PEK-C與NMP按比例均勻攪拌調配）；

2.1.2 試驗儀器

涂布機（ES-FabricsTM，德國Coatema 公司，定制）；空調（KFR-120LW/（12568S）NhAc-3，珠海格力電器股份有限公司）；除濕機（DY-6480/A，寧波德業電器科技有限公司），電子秤（天量儀器有限公司，LT.3002）；數顯粘度計（力辰科技有限公司，NDJ-5S）；試驗機（LE5225，LD22.303，LE5105力試科學儀器有限公司）

2.1.3 “離位”增韌檢測試樣件的制備

將玻璃纖維織物通過涂布機設備制備“離位”增韌玻璃纖維織物，將增韌劑按照一定的比例通過印花桶均勻（一定的打點濃度）“打點”印制在玻璃纖維織物上，通過涂布機烘箱130 ℃烘烤后制成“離位”增韌玻璃纖維織物，織物自然冷卻至常溫后按試樣標準裁剪織物尺寸鋪層，通過真空袋壓在-0.1 Mpa負壓下導入樹脂，樹脂均勻浸潤后80 ℃烘烤4 h固化，保溫30 min后冷卻脫膜，得到沖擊后壓縮強度試樣件（ASTM D7136）、I型層間斷裂韌性GIC試樣件（ASTM D5528-2013）、II型層間斷裂韌性GIIC試樣件（ASTM D7905M-14）毛胚；使用臺鋸將不同的毛胚按標準尺寸，切割做成檢測試樣件。對照組（未增韌）除不加增韌劑外，其他做法相同。ESTM-Fabric織物生產過程如圖1所示?！半x位”點陣織物鋪覆示意如圖2所示。

2.2 增韌方案的優化

選擇PEKC濃度（g/mL）、PEKC的用量（g/m2）、打點面積（m2）為影響因素，按L9（34）正交表進行正交實驗設計，所有數據由SPSS 23進行統計處理。

2.3 增韌性能測試

2.3.1 沖擊后壓縮強度CAI（ASTM D7136）測試

分別制作試樣件和對照試樣件各6塊，按照ASTM D7136標準測試沖擊后壓縮強度CAI，使用試驗機LD22.303沖擊頭直徑為φ16 mm，砝碼質量為5.5 Kg，沖擊能量為6.67 J/mm，試驗機加載速率為0.5 mm/min，按照下面公式計算沖擊后壓縮強度，并比較增韌組與對照組的平均提高率，以考察增韌材料的沖擊后壓縮強度。沖擊后照片如圖3和圖4所示。

2.3.2 I型層間斷裂韌性GIC（ASTM D5528-2013）測試

分別制作試樣件和對照試樣件各6塊，按照（ASTM D5528-2013）標準，使用試驗機LE5105加載，記錄臨界能量釋放率，比較平均提高率，考察反應層間抗破壞能力的大小和用于損傷容限。試驗件試驗過程如圖5所示。增韌組GIC試驗件破壞照片如圖6所示。對照組GIC試驗件破壞照片如圖7所示。

2.3.3 II型層間斷裂韌性GIIC試樣件（ASTM D7905M-14）

分別制作試樣件和對照試樣件各6塊，按照（ASTM D7905M-14）標準，使用試驗機LE5205加載，記錄臨界能量釋放率，比較反應裂紋失穩擴展的程度。增韌組GIIC第一次和第二次加載結束后現場分別如圖8和圖9所示。

2.4 數據處理

數據經SPSS 23 進行統計學處理，配對樣本t檢驗，p<0.05，視為配對樣本具有顯著性差異。

3 結果與分析

3.1 增韌方案的優化

因素-水平（正交設計）數據如表1所示，正交設計實驗結果如表2所示，方差分析結果如表3所示。

直觀分析顯示，最優方案為A2B2C3，最優方案： PEKC的濃度0.2 g/mL、PEKC的用量25 g/m2、打點面積25%。

方差分析結果顯示，各因素的每一個對定型劑質量分數的影響均具有顯著性差異（P*<0.05）；主次影響因素的順序為 A>B>C；即PEKC的濃度影響最大，為決定性因素，其次是PEKC的用量和打點面積。

3.2 增韌性能測試結果

沖擊后壓縮試驗結果如表4所示、I型層間斷裂韌性（GIC）測試結果如表5所示、II型層間斷裂韌性（GIIC）測試結果如表6所示，壓縮破壞照片如圖10和圖11所示。

4 結語

“離位”（Ex-situ）復合新技術的核心是將基體樹脂的主組分與增韌組分分離，同時將增韌相定位在對復合材料韌性貢獻最大的層間位置，在不改變樹脂主組分功能特征和原有熱固性預浸料所有工藝優點、并保持其面內力學性能基本不變的同時，大幅度提高了復合材料的沖擊損傷阻抗，同時兼顧了低制備成本［9］。

本實驗基于“離位”增韌技術， 對比風電葉片未增韌試樣件檢測結果，“離位”增韌試樣件沖擊后壓縮強度提高了45.20%、I型層間斷裂韌性（GIC）提高了11.23%、II型層間斷裂韌性（GIIC）提高了46.37%?？梢哉J為，通過增韌劑的優化和工藝的不斷改進，能夠顯著提高玻璃纖維復合材料結構的界面斷裂韌性，可有效阻止裂紋擴展，最終提高風電葉片葉根部件疲勞性能。

參 考 文 獻

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