基于RTM工藝成型復(fù)合材料風(fēng)機(jī)葉片的質(zhì)量控制研究進(jìn)展

陳　蓉，吳安如，孫振起，董麗君

(1.湖南工程學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，湘潭 411101；2.風(fēng)電裝備與電能變換協(xié)同創(chuàng)新中心，湘潭 411101)

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基于RTM工藝成型復(fù)合材料風(fēng)機(jī)葉片的質(zhì)量控制研究進(jìn)展

陳蓉1，2，吳安如1,2，孫振起1，董麗君1

(1.湖南工程學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，湘潭 411101；2.風(fēng)電裝備與電能變換協(xié)同創(chuàng)新中心，湘潭 411101)

針對復(fù)合材料風(fēng)機(jī)葉片典型RTM成型工藝，從其工藝原理、工藝影響參數(shù)角度出發(fā)，分析了成型工藝過程中氣泡缺陷的形成機(jī)制.同時(shí)，對RTM工藝氣泡缺陷控制的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，最后，對復(fù)合材料風(fēng)機(jī)葉片RTM成型工藝的質(zhì)量控制研究進(jìn)行了展望.

風(fēng)機(jī)葉片；RTM工藝；氣泡；質(zhì)量控制

風(fēng)力發(fā)電作為一種新興的綠色環(huán)保能源技術(shù)，在再生能源開發(fā)中得到了廣泛應(yīng)用.風(fēng)力發(fā)電葉片(簡稱風(fēng)機(jī)葉片)是捕捉風(fēng)能的最關(guān)鍵和最基礎(chǔ)部件[1]，由于其服役環(huán)境的惡劣性、長期性，要求具有足夠的疲勞強(qiáng)度和機(jī)械性能，同時(shí)，還要求較低的制造成本以及便于安裝和維護(hù).目前，由玻璃纖維、碳纖維和熱固/塑性樹脂組成的復(fù)合材料，以其高的比強(qiáng)度、比剛度，良好的耐腐蝕性和可設(shè)計(jì)性，已經(jīng)在風(fēng)機(jī)葉片上被普遍采用[2].復(fù)合材料風(fēng)機(jī)葉片的成型工藝較多，主要包括手糊成型、模壓成型、預(yù)浸料成型、拉擠成型、纖維纏繞、樹脂傳遞模塑(Resin transfer molding，RTM)以及真空灌注成型、真空導(dǎo)入成型(Vacuum assisted resin infusion，VARI)等[3].在風(fēng)機(jī)葉片的諸多成型工藝中，RTM工藝由于采用整體閉模成型，制造出的復(fù)合材料葉片整體表面光潔度高，尺寸和外形精度高，可使整個(gè)葉片一次成型，無需二次膠接，在節(jié)約工裝的同時(shí)還可提高成型效率和制造成本.另外，采用RTM工藝成型復(fù)合材料風(fēng)機(jī)葉片時(shí)，閉模可保證樹脂中的有害揮發(fā)分外泄，對環(huán)境和工作人員的健康損害小，因此，RTM工藝是目前唯一符合國際環(huán)保要求的復(fù)合材料成型工藝，也常常作為復(fù)合材料風(fēng)機(jī)葉片的首選成型工藝[4,5].

對于RTM工藝成型復(fù)合材料風(fēng)機(jī)葉片的質(zhì)量控制研究，人們往往更注重風(fēng)機(jī)葉片的外形成型精度、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性等方面，而對風(fēng)機(jī)葉片的內(nèi)部成型質(zhì)量關(guān)注不夠.由于復(fù)合材料風(fēng)機(jī)葉片服役環(huán)境的苛刻性和長期性，必須保證葉片的內(nèi)部成型質(zhì)量，才能確保其在復(fù)雜服役環(huán)境下發(fā)揮出優(yōu)異的機(jī)械性能.在RTM成型復(fù)合材料風(fēng)機(jī)葉片工藝過程中，影響葉片內(nèi)部質(zhì)量的因素主要有氣泡、貧膠、分層(或裂紋)、干斑、預(yù)制體變形等，其中，以氣泡最為常見，大量氣泡的存在使葉片剪切性能和彎曲性能嚴(yán)重降低[6,7].由于RTM工藝中復(fù)合材料風(fēng)機(jī)葉片的制造是一個(gè)材料成形成性同時(shí)發(fā)生的制造過程，因此產(chǎn)品的成型要達(dá)到形性協(xié)同，內(nèi)部的質(zhì)量控制也必須引起足夠重視.針對復(fù)合材料風(fēng)機(jī)葉片典型的RTM成型工藝，本文從其工藝原理、工藝影響參數(shù)角度出發(fā)，分析了影響其質(zhì)量控制的主要缺陷—?dú)馀莸男纬蓹C(jī)制.同時(shí)，對RTM工藝氣泡缺陷控制的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述.最后，對復(fù)合材料風(fēng)機(jī)葉片RTM成型工藝的質(zhì)量控制研究進(jìn)行了展望.

1　RTM工藝原理

樹脂傳遞模塑(RTM)法是目前國外廠商廣泛采用的一種低成本成型方法.其基本原理是：首先在模具型腔中鋪放好按性能和結(jié)構(gòu)要求設(shè)計(jì)的增強(qiáng)材料預(yù)成型體(一般為玻璃纖維、碳纖維或玻纖/碳纖混合)，采用注塑設(shè)備將專用低粘度樹脂體系注入閉合型腔，由排氣系統(tǒng)保持樹脂流動順暢，從而排出型腔內(nèi)的全部氣體并使纖維徹底浸潤，由模具的加熱系統(tǒng)使樹脂加熱固化而成型為構(gòu)件.其工藝流程如圖1所示.

圖1　RTM工藝流程圖

2　復(fù)合材料風(fēng)機(jī)葉片內(nèi)部氣泡的形成機(jī)制

在RTM成型復(fù)合材料風(fēng)機(jī)葉片的制造過程中，樹脂在一定充模壓力和溫度的作用下，在纖維增強(qiáng)預(yù)成型體內(nèi)流動，流動的方式主要有以下兩種：(1)樹脂在纖維束的間隙內(nèi)流動；(2)樹脂在纖維束內(nèi)部纖維單絲的間隙內(nèi)流動.纖維束之間的間隙比較大，形成的一般都是比較大的氣泡，而纖維絲之間的間隙要小很多，從而形成的氣泡一般稱為小氣泡或微氣泡.在充模過程中，樹脂的流動主要受兩個(gè)驅(qū)動力作用：動壓力和毛細(xì)作用力.兩種驅(qū)動力的作用大小的不一致，使樹脂在纖維束間和纖維絲間的產(chǎn)生流速差異，超前或滯后的樹脂流動最終導(dǎo)致了大、小氣泡缺陷的產(chǎn)生.

材料、模具工裝、葉片結(jié)構(gòu)等外部條件一定情況下，樹脂的充模過程主要受溫度與充模壓力的影響.當(dāng)溫度一定時(shí)，如果充模壓力(即動壓力)較低，當(dāng)?shù)陀诶w維絲間的毛細(xì)作用力時(shí)，毛細(xì)作用力對樹脂的流動就會起主導(dǎo)作用，此時(shí)纖維束內(nèi)流動的樹脂會向纖維束之間的間隙流動，而較小的充模壓力使樹脂的流動前沿出現(xiàn)滯后現(xiàn)象，未排出的空氣便會被封裝在樹脂流動前沿和滲流的樹脂中間，形成大氣泡缺陷.當(dāng)充模壓力一定時(shí)，如果溫度較高，樹脂的粘性會隨溫度的升高而變小，其流動性也會得到提升，在動壓力和毛細(xì)作用力的共同作用下，纖維絲間的樹脂流速會高于纖維束間的樹脂流速，最終也會導(dǎo)致大氣泡在纖維束間形成.小氣泡缺陷的形成機(jī)制跟大氣泡恰恰相反，由動壓力高于毛細(xì)作用力導(dǎo)致，小氣泡缺陷主要存在于纖維絲間隙中.大、小氣泡缺陷的具體形成機(jī)制示意圖如圖2所示.

圖2　氣泡形成機(jī)制示意圖

3　氣泡缺陷的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

在RTM成型復(fù)合材料風(fēng)機(jī)葉片的制造過程中，影響葉片內(nèi)部氣泡缺陷的主要因素包括樹脂的粘度、增強(qiáng)材料結(jié)構(gòu)型式與性能、孔隙率、模具表面質(zhì)量、模具溫度和注射壓力.針對各影響因素與氣泡缺陷形成或消除的關(guān)系研究，國內(nèi)外學(xué)者分別從實(shí)驗(yàn)和理論方面取得了豐富的研究成果.

3.1氣泡缺陷理論研究

國內(nèi)鄧燕平[8]對現(xiàn)有樹脂的流動模型、工藝過程中氣泡的形成和排出機(jī)制進(jìn)行了分析，并對現(xiàn)有模型用于非均相孔隙纖維介質(zhì)體系的差距進(jìn)行了研究.馮武[9]以多層格子布為對象通過數(shù)值方法模擬了氣泡的形成機(jī)理.邵雪明[10]采用有限元控制體積方法，對紡織復(fù)合材料預(yù)制件多層機(jī)織布內(nèi)樹脂的擴(kuò)散及氣泡形成過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，理論分析和數(shù)值模擬的結(jié)果基本一致.國外Pamas[11]針對垂直于纖維束方向的樹脂流動，建立了流動過程中氣泡裹入的一維模型，描述了纖維束間大孔隙中及纖維束內(nèi)小孔隙中樹脂流動前沿的形態(tài)，提出了纖維束結(jié)構(gòu)對氣泡形成的影響.Chen[12]利用等折射率技術(shù)，使用增強(qiáng)顯微鏡和高倍照相機(jī)，跟蹤樹脂膠液流動前沿，發(fā)現(xiàn)了RTM工藝中兩種氣泡形式：纖維束內(nèi)的圓柱形微氣泡和纖維束間的球形大氣泡，并通過圖像分析技術(shù)研究提出了氣泡形成的機(jī)理.Kang[13]等對平行和垂直于纖維束的流動進(jìn)行了理論分析，分別建立了模型來描述和預(yù)測氣泡的形成.Patel[14]探索了RTM充模過程中纖維浸潤和氣泡形成問題.他們通過流動可視化實(shí)驗(yàn)研究充模流動中氣泡的形成機(jī)理，提出氣泡形成與毛細(xì)作用力和液體-纖維-空氣的接觸角有關(guān)，并建立的樹脂基體在多孔介質(zhì)中流動模型以解釋氣泡形成機(jī)理.Can[15]等在其纖維束內(nèi)圓柱形氣泡形成模型中考慮了表面張力的影響，從而使模型更接近實(shí)際.

3.2氣泡缺陷實(shí)驗(yàn)研究

國內(nèi)馮武[9]以多層方格布為研究對象，在理論分析的基礎(chǔ)上，通過可視化實(shí)驗(yàn)對多層方格布斷面氣泡形成進(jìn)行了研究.秦偉[16]利用超聲的空化作用使樹脂粘度和表面張力降低，使纖維與樹脂的浸潤性改善，從而控制制件內(nèi)部氣泡并改善性能.國外Peterson[17]采用不同直徑且?guī)в袕澛返牟ＡЧ軐渲鲃舆M(jìn)行了研究，提出了毛細(xì)作用數(shù)的概念.Molna[18]等分別拍攝了高、低流速下樹脂流經(jīng)單向纖維織物時(shí)的顯微照片，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在流速較低時(shí)，纖維絲間流體流動速度比纖維束間的快，這是因?yàn)橛忻?xì)作用力的影響，而在流速較高時(shí)，毛細(xì)作用力的影響較小，纖維絲間流體流動速度明顯比纖維束間的慢.Lundstrom[19]等研究在RTM成型工藝中真空輔助對氣泡形成的影響—真空度對氣泡含量和含有氣泡區(qū)域大小的影響，并通過光學(xué)顯微方法和圖象分析技術(shù)確定氣泡體積含量.Hull[20]描述了FRP中容易形成氣泡的區(qū)域以及氣泡的類型，發(fā)現(xiàn)纖維束之間和纖維束內(nèi)形成的氣泡，可能為圓形，或者伸長為平行于纖維束的橢圓形空穴，這些氣泡的大小與纖維束間和纖維束內(nèi)的孔隙有關(guān).Judd[21]通過研究得出制品中每含有1%的氣泡，復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度就要下降7%，可見氣泡缺陷的存在對復(fù)合材料的機(jī)械性能極為不利，不僅會降低復(fù)合材料制品的彎曲強(qiáng)度、耐久性和抗疲勞性，而且會增加氣候的敏感性和吸濕性以及強(qiáng)度等性能的分散性.

3.3氣泡缺陷的消除

在氣泡缺陷的消除方面的研究，研究人員主要從材料選擇、成型制造環(huán)境以及成型工藝方面進(jìn)行了大量研究.國內(nèi)李彩球[6]認(rèn)為較低的樹脂粘度有利于氣泡的消除，并指出在溫度為25 ℃時(shí)的粘度在0.5～1.5 Pa·s為宜.另外，在增強(qiáng)材料的選擇上，橫縱方向最好選擇不同類型的增強(qiáng)材料.因此，在采用RTM工藝成型復(fù)合材料風(fēng)機(jī)葉片時(shí)，采用玻璃纖維與碳纖維合理設(shè)計(jì)鋪層，不但能制造出較傳統(tǒng)的玻璃纖維增強(qiáng)型風(fēng)機(jī)葉片強(qiáng)度更高的產(chǎn)品，其內(nèi)部成型質(zhì)量會更加理想.秦偉、汪偉[16,22]等分別發(fā)明了超聲波排氣法和壓力激波排氣法，在增加纖維與樹脂的浸潤效果的前提下實(shí)現(xiàn)氣泡的排出.國外Baig[23]發(fā)現(xiàn)利用機(jī)械振動的方法可有效降低樹脂的有效粘度，使充模時(shí)間縮短Lundstrom[19]指出利用真空輔助成型可有效抽出樹脂充型時(shí)模具型腔內(nèi)的空氣，從而增加纖維的浸潤性，得到較低孔隙率的制品.

4　展望

隨著風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，風(fēng)機(jī)葉片向著質(zhì)量更輕、尺寸更大、成本更低的趨勢發(fā)展.RTM工藝以及由RTM工藝所衍生出來的VARTM工藝、RTM-Light工藝、SCRIIM工藝等在復(fù)合材料風(fēng)機(jī)葉片的制造領(lǐng)域得到了更大發(fā)揮.然而不論哪種工藝，葉片的內(nèi)部成型質(zhì)量控制都是重中之重，而氣泡缺陷的控制往往是衡量工藝質(zhì)量的關(guān)鍵因素.目前針對RTM工藝對成型質(zhì)量的研究還在探索之中.因此，在今后的研究中，應(yīng)著重從以下幾個(gè)方面對復(fù)合材料風(fēng)機(jī)葉片進(jìn)行探索.

(1)材料體系：開發(fā)低粘度、低揮發(fā)分、高固化效率的樹脂體系，同時(shí)為滿足目前葉片尺寸及強(qiáng)度的要求，采用玻璃纖維與碳纖維混合增強(qiáng)的方法，既可確保葉片在苛刻環(huán)境下的服役性能和使用壽命，又能降低制造和維護(hù)成本.

(2)模具工裝：優(yōu)化模具工裝設(shè)計(jì)，利用仿真軟件(如Mold flow有限元軟件)對充模通道數(shù)量、位置以及充模流速等工藝參數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化.同時(shí)，針對不同風(fēng)機(jī)葉片結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)局部熱源補(bǔ)充，確保工裝內(nèi)部溫度均勻，以利于纖維與樹脂的良好浸潤.

(3)控制工藝：嚴(yán)格控制溫度、充模壓力等關(guān)鍵工藝因素，在充模的不同時(shí)期及時(shí)調(diào)整工藝參數(shù)，確?？諝饧皳]發(fā)分最大限度排出模具型腔.

(4)在線監(jiān)測：開發(fā)全面的在線監(jiān)測系統(tǒng)，對溫度、壓力、粘度、樹脂固化度等工藝參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，同時(shí)建立氣泡缺陷與工藝參數(shù)的具體數(shù)量關(guān)系模型，利用在線監(jiān)測系統(tǒng)及時(shí)調(diào)整工藝參數(shù)來減小制件孔隙率.

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Research Process of Quality Control on Composite Wind Turbine Blade Based on RTM Process

CHEN Rong1,2,WU An-ru1,2,SUN Zhen-qi1,DONG Li-jun1

(1.College of Mechanical Engineering, Hunan Institute of Engineering， Xiangtan 411101, China;2.Wind Power Equipment and Power Conversion Collaborative Innovation Center， Xiangtan 411101, China)

In this paper, for the typical molding technique of composite wind turbine blade, the forming mechanism of bubbles which act as the main defect to influence the quality control is analyzed from the aspects of technical principle and technological parameters. Meanwhile, the domestic and foreign research situation of the defect control for the bubble in the RTM process is summarized. At last, the quality control of composite wind turbine blade using RTM process is prospected.

wind turbine blade; RTM process; bubbles; quality control

2016-02-29

湖南省教育廳科研資助項(xiàng)目(15C0325)，湖南工程學(xué)院2014校級青年科研項(xiàng)目(Z).

陳蓉(1987-)，女，博士研究生，講師，研究方向：材料成型工藝.

TK81

A

1671-119X(2016)03-0028-04