新材料解决风机叶片的重量、强度及固化时间问题

作者：Bernd Hoevel

欢迎访问e展厅 展厅 3 风力发电机展厅 风力发电机,... 陶氏化学公司的替代能源应用技术开发主管Bernd Hoevel和高级研发工程师Alain Sagnard介绍了该公司的泡沫夹芯材料和环氧树脂体系在降低叶片重量、提高强度等方面的优势。 风力发电行业正致力于利用复合材料的最新技术开发更长的叶片，在不增加重量和牺牲强度的前提下，提高发电效率，这在设计和制造方面向叶片制造商提出了挑战。 新的泡沫夹芯材料和环氧树脂的改进不仅可以帮助叶片制造商生产出更大的叶片，同时机械性能还需要满足要求，还可以提高生产效率。陶氏化学下属公司Dow Formulated Systems最近推出了COMPAXXTM700泡沫芯材，同时宣称对其AIRSTONETM环氧树脂体系做了较大的改进。这些新的产品及技术改进可以帮助叶片生产商应对市场在降低叶片重量及提升叶片强度方面不断增长的需求。 追求更高效率 风力发电行业已经度过了最初的示范期，进入了与其他发电方式进行成本竞争的阶段。风力发电工作原理表明，风机发电的功率和风轮半径的平方成正比。鉴于此，风轮直径一直在不断增加，目前已经超过410ft（125m）。 如今，在世界各地新安装的风电设备多采用直径较大的风机叶片，这不仅可以在发电量上有所突破，还可以促进用于大型叶片开发的结构设计、材料、生产工艺等技术的进步。 叶片长度 叶片加长会带来新的挑战：如何制造出强度高且重量轻的叶片。虽然发电量与风轮的半径成平方关系，但是叶片的重量与之成立方关系。虽然叶片重量主要由尺寸决定的，但是为了提高叶片强度而在结构上所做的必要调整——以承受大型叶片运转时所增加的载荷——也会进一步增加叶片的重量。 如果在大型叶片设计和生产时不考虑减重问题，那么所带来的原材料消耗和生产周期的增加将是难以接受的。而且重型叶片在安装后也会给风机轴承部件带来巨大的负重压力。更重要的是，增加的重量还会在风机运转中提升设备的疲劳度，缩短叶片寿命。 降低叶片重量的方法之一是在复合材料铺层中采用更多的碳纤维，但这样会导致材料成本大幅增加。另一种更可行的方法就是改进芯材性能、树脂体系以及蒙皮和芯材的粘结效果。这样可以降低叶片重量、延长叶片寿命，同时还可以缩短生产周期，降低成本。 新型夹芯材料 陶氏化学公司对COMPAXX 700-X泡沫芯材进行了改进。这种通过GL认证的新材料在静态力学性能方面达到甚至超过了同等密度的交联聚氯乙烯（PVC）泡沫。 表1将COMPAXX 700-X的属性与GL标准进行了对比。 这种新型泡沫芯材在用其他行业方法进行评估时也表现出优良的性能。比如在用于大型叶片评估的高周疲劳耐久性测试方面，即使经过一千万次动态载荷循环后，采用COMPAXX 700-X材料的夹层结构也不会发生断裂或永久变形，远远好于PVC和PET芯材。 蒙皮和芯材粘结测试可以预测叶片结构分层的可能性。测试结果显示COMPAXX 700-X的蒙皮-芯材界面剥离强度比行业参考芯材PVC（60 kg/m3）的高3倍。COMPAXX 700-X有一定的粗糙度和表面凹槽，确保了这种材料的粘结性能。 芯材在叶片加工过程中会吸收树脂，而降低树脂的吸收率可以在不牺牲叶片强度的情况下减轻叶片的重量。 COMPAXX 700-X在加工时吸收的树脂远少于其他芯材。一项由第三方进行的针对2.5MW风机叶片进行的测试显示，COMPAXX 700-X因吸收的树脂量较少，整个叶片的总重量降低了276lb（125kg）。 低放热峰温度 除了泡沫芯材技术的提升，陶氏还对环氧树脂体系进行了较大的改进，以满足大型叶片制造的要求。AIRSTONE环氧树脂体系就是为风电市场专门开发的。 风电行业需要专用的环氧树脂技术，这有几个原因。当下大型叶片采用更多的夹芯结构，这样在树脂固化时由于热量聚集很容易发生损坏。固化温度过高可以直接导致芯材损坏。随着固化热的传递，复合材料内部会产生较高的应力，导致变形、分层，从而降低叶片强度，使抗疲劳性能下降。 采用传统的环氧树脂，只能通过降低树脂或固化剂活性来控制固化放热峰温度，但是这样会大大增加固化时间，见图1。这与整个行业对缩短生产周期的追求背道而驰。 AIRSTONE环氧树脂体系使叶片制造商既可以控制树脂固化性能，又能保持原有生产效率。AIRSTONE环氧树脂体系中的78系列在风电行业中展现了优良的性能（表2）。 在AIRSTONE树脂方面，陶氏化学最重要的成就是很好地处理了放热峰温度与反应速度的关系。其开发的REX技术目的就是要降低固化时的放热峰温度（见图2）。 图3比较了用于传统树脂体系和REX技术的两种固化剂的活性。从图3可以看出，采用REX技术的放热峰温度相对要低很多，而体系的反应活性没有下降，固化时间也没有延长。产品的强度和结构完整性都没有下降，成型周期得到了优化。 快速、高质量的导入 叶片尺寸增大会使树脂很难完全浸入较厚的复合材料结构中，而且相当费时。采用陶氏化学REX技术还有一个好处就是可以使树脂导入温度比传统环氧树脂高5°C（图4）。这样可以降低树脂粘度，使树脂可以更快、更彻底地浸透多层结构。 新一代叶片 结合COMPAXX 700芯材、AIRSTONE环氧树脂体系和REX放热管理技术可以使叶片制造商在采用传统玻璃纤维复合材料体系时，可以更好地生产更大尺寸的叶片，而不会牺牲强度和生产效率。 REX技术也可以给碳纤维体系带来类似的改善。 陶氏化学在以上这些方面及其他领域所做的改进正在帮助叶片设计者和生产者生产新一代风机叶片，以满足快速增长的全球风力发电的需求。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (12/4/2013)