新材料解決風機葉片的重量、強度及固化時間問

風力發(fā)電行業(yè)正致力于利用復合材料的最新技術開發(fā)更長的葉片，在不增加重量和犧牲強度的前提下，提高發(fā)電效率，這在設計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)氧樹脂的改進不僅可以幫助葉片制造商生產(chǎn)出更大的葉片，同時機械性能還需要滿足要求，還可以提高生產(chǎn)效率。陶氏化學下屬公司Dow Formulated Systems最近推出了COMPAXXTM700泡沫芯材，同時宣稱對其AIRSTONETM環(huán)氧樹脂體系做了較大的改進。這些新的產(chǎn)品及技術改進可以幫助葉片生產(chǎn)商應對市場在降低葉片重量及提升葉片強度方面不斷增長的需求。



追求更高效率

風力發(fā)電行業(yè)已經(jīng)度過了最初的示范期，進入了與其他發(fā)電方式進行成本競爭的階段。風力發(fā)電工作原理表明，風機發(fā)電的功率和風輪半徑的平方成正比。鑒于此，風輪直徑一直在不斷增加，目前已經(jīng)超過410ft（125m）。 123456

如今，在世界各地新安裝的風電設備多采用直徑較大的風機葉片，這不僅可以在發(fā)電量上有所突破，還可以促進用于大型葉片開發(fā)的結構設計、材料、生產(chǎn)工藝等技術的進步。

葉片長度

葉片加長會帶來新的挑戰(zhàn)：如何制造出強度高且重量輕的葉片。雖然發(fā)電量與風輪的半徑成平方關系，但是葉片的重量與之成立方關系。雖然葉片重量主要由尺寸決定的，但是為了提高葉片強度而在結構上所做的必要調(diào)整——以承受大型葉片運轉時所增加的載荷——也會進一步增加葉片的重量。

如果在大型葉片設計和生產(chǎn)時不考慮減重問題，那么所帶來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給風機軸承部件帶來巨大的負重壓力。更重要的是，增加的重量還會在風機運轉中提升設備的疲勞度，縮短葉片壽命。 copyright 123456



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

新型夾芯材料

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

表1將COMPAXX 700-X的屬性與GL標準進行了對比。



這種新型泡沫芯材在用其他行業(yè)方法進行評估時也表現(xiàn)出優(yōu)良的性能。比如在用于大型葉片評估的高周疲勞耐久性測試方面，即使經(jīng)過一千萬次動態(tài)載荷循環(huán)后，采用COMPAXX 700-X材料的夾層結構也不會發(fā)生斷裂或永久變形，遠遠好于PVC和PET芯材。

蒙皮和芯材粘結測試可以預測葉片結構分層的可能性。測試結果顯示COMPAXX 700-X的蒙皮-芯材界面剝離強度比行業(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性能。

芯材在葉片加工過程中會吸收樹脂，而降低樹脂的吸收率可以在不犧牲葉片強度的情況下減輕葉片的重量。

COMPAXX 700-X在加工時吸收的樹脂遠少于其他芯材。一項由第三方進行的針對2.5MW風機葉片進行的測試顯示，COMPAXX 700-X因吸收的樹脂量較少，整個葉片的總重量降低了276lb（125kg）。



低放熱峰溫度

除了泡沫芯材技術的提升，陶氏還對環(huán)氧樹脂體系進行了較大的改進，以滿足大型葉片制造的要求。AIRSTONE環(huán)氧樹脂體系就是為風電市場專門開發(fā)的。 123456

風電行業(yè)需要專用的環(huán)氧樹脂技術，這有幾個原因。當下大型葉片采用更多的夾芯結構，這樣在樹脂固化時由于熱量聚集很容易發(fā)生損壞。固化溫度過高可以直接導致芯材損壞。隨著固化熱的傳遞，復合材料內(nèi)部會產(chǎn)生較高的應力，導致變形、分層，從而降低葉片強度，使抗疲勞性能下降。

采用傳統(tǒng)的環(huán)氧樹脂，只能通過降低樹脂或固化劑活性來控制固化放熱峰溫度，但是這樣會大大增加固化時間，見圖1。這與整個行業(yè)對縮短生產(chǎn)周期的追求背道而馳。

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

在AIRSTONE樹脂方面，陶氏化學最重要的成就是很好地處理了放熱峰溫度與反應速度的關系。其開發(fā)的REX技術目的就是要降低固化時的放熱峰溫度（見圖2）。 123456



圖3比較了用于傳統(tǒng)樹脂體系和REX技術的兩種固化劑的活性。從圖3可以看出，采用REX技術的放熱峰溫度相對要低很多，而體系的反應活性沒有下降，固化時間也沒有延長。產(chǎn)品的強度和結構完整性都沒有下降，成型周期得到了優(yōu)化。



快速、高質(zhì)量的導入

葉片尺寸增大會使樹脂很難完全浸入較厚的復合材料結構中，而且相當費時。采用陶氏化學REX技術還有一個好處就是可以使樹脂導入溫度比傳統(tǒng)環(huán)氧樹脂高5°C（圖4）。這樣可以降低樹脂粘度，使樹脂可以更快、更徹底地浸透多層結構。



新一代葉片 123456

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

REX技術也可以給碳纖維體系帶來類似的改善。

陶氏化學在以上這些方面及其他領域所做的改進正在幫助葉片設計者和生產(chǎn)者生產(chǎn)新一代風機葉片，以滿足快速增長的全球風力發(fā)電的需求。


來源：榮格工業(yè)