兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)磁組件組裝用膠粘劑的研制

李 岳，孫東洲，孔憲志，呂 虎，于國(guó)良，孫 禹

（黑龍江省科學(xué)院 石油化學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150040）

引 言

風(fēng)力發(fā)電以其減輕環(huán)境污染、調(diào)整電網(wǎng)中的能源結(jié)構(gòu)、解決偏遠(yuǎn)地區(qū)居民用電問(wèn)題等方面的突出作用，受到人們?cè)絹?lái)越多的重視[1]。根據(jù)國(guó)家能源局正式公布的數(shù)據(jù)，截至2020 年底，我國(guó)電源新增裝機(jī)容量為19087 萬(wàn)千瓦，其中風(fēng)電并網(wǎng)裝機(jī)容量達(dá)7167 萬(wàn)千瓦，占比高達(dá)37.5%，風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)突破2.8 億千瓦，這是繼2010 年以來(lái)，我國(guó)風(fēng)電年新增裝機(jī)連續(xù)11 年世界第一。

隨著我國(guó)可再生能源中長(zhǎng)期規(guī)劃中風(fēng)電比重的不斷增加，永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)以其效率高、維護(hù)簡(jiǎn)單及低電壓穿透等優(yōu)點(diǎn)，在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，而電機(jī)組核心部件永磁結(jié)構(gòu)粘接的可靠性成為了永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)制造的關(guān)鍵之一。風(fēng)力發(fā)電機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子套裝構(gòu)成，其核心結(jié)構(gòu)磁組件通過(guò)膠粘劑組裝后固定在轉(zhuǎn)子內(nèi)壁。隨著稀土永磁電機(jī)在風(fēng)電領(lǐng)域的發(fā)展，高性能永磁材料釹鐵硼材料正逐漸成為行業(yè)應(yīng)用的主流[3]。

風(fēng)電磁組件的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)磁組件的固定方式多采用膠接，該方法對(duì)于磁極與磁軛的加工精度要求不高，成本低，方法簡(jiǎn)單，在零部件裝配中采用膠合工藝，可簡(jiǎn)化一些零件的結(jié)構(gòu)，甚至可簡(jiǎn)化整個(gè)電機(jī)的結(jié)構(gòu)。又因?yàn)槟z接處的應(yīng)力分布比螺釘連接更為均勻，因此可使電機(jī)在振動(dòng)和沖擊負(fù)荷下可靠的工作[4]。釹鐵硼材料雖然性能優(yōu)異，但極其活潑，故其表面采用鍍鋅等方法進(jìn)行保護(hù)[5]，因而大大增加了粘接難度。磁鋼粘接的可靠性成為風(fēng)力發(fā)電機(jī)制造的關(guān)鍵技術(shù)之一。

圖1 風(fēng)電磁組件結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of magnetic component of wind turbine generator

金屬表面鍍鋅已經(jīng)成為一種常用的防腐蝕處理技術(shù)。但如果鍍鋅后未對(duì)其表面進(jìn)行處理，鍍鋅層會(huì)與空氣中的水、氧氣等發(fā)生反應(yīng)，發(fā)生腐蝕，從而影響基層金屬的耐腐蝕速率，所以需對(duì)鍍鋅金屬表面進(jìn)行鈍化處理[6]。傳統(tǒng)的鍍鋅鋼板表面鈍化主要使用的是鉻酸鹽，鉻酸鹽鈍化液中含有三價(jià)鉻和六價(jià)鉻，三價(jià)鉻構(gòu)成鈍化膜的骨架，而六價(jià)鉻填充在骨架內(nèi)部，形成均質(zhì)的鍍鋅層鈍化膜，具有自我修復(fù)能力[7]。使用膠粘劑進(jìn)行粘接時(shí)，鈍化膜的化學(xué)平衡極易被破壞，啟動(dòng)自我修復(fù)能力，這一過(guò)程易造成鍍層脫落，影響膠粘劑粘接強(qiáng)度；有時(shí)還會(huì)產(chǎn)生氫氣，使密閉的磁組件內(nèi)部形成空腔，無(wú)法使用。目前風(fēng)力發(fā)電機(jī)磁組件用膠粘劑通常有厭氧型結(jié)構(gòu)膠粘劑、第二代丙烯酸酯結(jié)構(gòu)膠粘劑、改性環(huán)氧膠等。各種膠粘劑都有其優(yōu)劣[8～10]。目前國(guó)內(nèi)外風(fēng)電核心部件磁鋼的組裝用膠粘劑主要用臺(tái)灣施敏打硬股份有限公司（中日合資）的Y358-AB 膠粘劑。該膠粘劑為第二代丙烯酸酯膠粘劑，對(duì)磁鋼、不銹鋼、鍍鋅鐵有較高粘接強(qiáng)度，在國(guó)際相關(guān)行業(yè)通用,但價(jià)格較高,且受到日本和我國(guó)臺(tái)灣地區(qū)的限制。國(guó)內(nèi)同類膠粘劑均存在腐蝕性較強(qiáng)，對(duì)鍍層有破壞（如圖2），影響粘接強(qiáng)度和耐久性的問(wèn)題。許多風(fēng)電企業(yè)都在尋找可靠的改進(jìn)產(chǎn)品進(jìn)行替代。一種低腐蝕性，高性能，適用磁鋼、不銹鋼、鍍鋅鐵的結(jié)構(gòu)膠粘劑亟待研制。

本研究通過(guò)增加穩(wěn)定劑用量，減少引發(fā)劑用量，增加促進(jìn)劑用量，使用偶聯(lián)劑等手段，研制出了一種能實(shí)現(xiàn)鍍鋅鈍化金屬等風(fēng)力發(fā)電磁組件材料可靠粘接的膠粘劑（J-39D 膠粘劑）。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原料

丁腈橡膠2265E，深圳夢(mèng)之巔塑膠有限公司；ABS 樹(shù)脂，臺(tái)灣奇美實(shí)業(yè)股份有限公司；甲基丙烯酸甲酯，濟(jì)南鑫順化工有限公司；甲基丙烯酸，上海諾泰化工有限公司；甲基丙烯酸羥乙酯，上海海曲化工有限公司；過(guò)氧化氫苯甲酰，上海金錦樂(lè)實(shí)業(yè)有限公司；N，N-二乙基對(duì)甲苯胺，重慶賽普那斯科技有限公司；對(duì)苯二酚，濟(jì)南百納利化工有限公司；γ-縮水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷，南京優(yōu)普化工有限公司。

1.2 J-39D 膠粘劑的制備

J-39D 膠粘劑由甲、乙兩組分組成。

將丁腈橡膠于臺(tái)稱稱重后在煉膠機(jī)上進(jìn)行破料，素?zé)?5 遍。把丁腈橡膠、ABS 樹(shù)脂、甲基丙烯酸甲酯按比例加入到玻璃反應(yīng)器中，攪拌至丁腈橡膠、ABS 樹(shù)脂完全溶解，向其中加入甲基丙烯酸、甲基丙烯酸羥乙酯、N，N-二乙基對(duì)甲苯胺、對(duì)苯二酚等，繼續(xù)攪拌4h，即制成膠粘劑甲組分。

將ABS、甲基丙烯酸甲酯按比例加入到玻璃反應(yīng)器中，攪拌至ABS 樹(shù)脂完全溶解，向其中加入過(guò)氧化氫苯甲酰、γ-縮水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷、對(duì)苯二酚等，繼續(xù)攪拌4h，即制成膠粘劑乙組分。

1.3 J-39D 膠粘劑的測(cè)試

使用符合HB/Z5068 的鉻酸鈍化的鍍鋅Q235B鋼，制成剪切試片，按GB/T7124-2008 測(cè)試剪切強(qiáng)度，對(duì)優(yōu)選方案按GJB446-88 測(cè)試90°剝離強(qiáng)度。

2 結(jié)果與討論

2.1 J-39D 膠粘劑力學(xué)性能測(cè)試

J-39D 膠粘劑力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果如表1 所示。

表1 J-39D 膠粘劑力學(xué)性能Table 1 The mechanical properties of J-39D adhesive

（1）剪切試件的粘接與測(cè)試

剪切試件的測(cè)試參照GB/T7124-2008，測(cè)試試件斷口如圖3 所示。

圖3 剪切試片斷口Fig.3 The fracture of shear strength test specimen

根據(jù)圖3 可以看出，試片破壞形式為膠粘劑內(nèi)聚破壞，膠粘劑對(duì)剪切試片表面鈍化層有較好的保護(hù)效果。

（2）剝離試件的粘接與測(cè)試

剝離試件的測(cè)試參照GJB446-88，測(cè)試試件斷口如圖4 所示。

圖4 剝離試片斷口Fig.4 The fracture of peel strength test specimen

根據(jù)圖4 可以看出，膠粘劑對(duì)剝離試片表面鈍化層有較好的保護(hù)效果。

（3）對(duì)接拉伸試件的粘接與測(cè)試

對(duì)接拉伸試件的粘接如圖5 所示。

對(duì)接拉伸試件的測(cè)試參照GB/T6329-1996，測(cè)試試件斷口如圖6 所示。

根據(jù)圖6 可以看出，膠粘劑粘接鍍鋅磁體的破壞形式為鍍鋅磁體材料破壞，粘接黑片磁體、鍍鋅鈍化鋼、不銹鋼材料均為膠粘劑內(nèi)聚破壞。

由此可見(jiàn)，膠粘劑對(duì)風(fēng)力發(fā)電磁組件各種材料均具有較高的粘接強(qiáng)度。

2.2 J-39D 膠粘劑冷熱沖擊試驗(yàn)

將低溫環(huán)境箱溫度設(shè)置為-50℃，高溫環(huán)境箱溫度設(shè)置為100℃。將對(duì)接拉伸試件放入低溫環(huán)境箱中，待溫度穩(wěn)定后持續(xù)15min，取出并在1min 內(nèi)將試樣放入高溫環(huán)境箱中，待溫度穩(wěn)定后持續(xù)15min，取出重新放入低溫環(huán)境箱中；如此循環(huán)50次后取出樣品。測(cè)試試件對(duì)接拉伸強(qiáng)度，測(cè)試結(jié)果如表2 所示。

表2 冷熱沖擊后對(duì)接拉伸測(cè)試結(jié)果Table 2 The tensile strength after the cold and heat impact test

冷熱沖擊試驗(yàn)后對(duì)接拉伸試件斷口如圖7 所示。

圖7 冷熱沖擊后對(duì)接拉伸試件斷口Fig.7 The fracture of tensile specimen after the cold and heat test

根據(jù)表2 和圖7 可以看出冷熱沖擊后膠粘劑粘接強(qiáng)度沒(méi)有發(fā)生明顯下降。

2.3 J-39D 膠粘劑與Y358-AB 膠粘劑性能對(duì)比

目前國(guó)內(nèi)風(fēng)電企業(yè)所使用的磁鋼膠主要為臺(tái)灣施敏打硬股份有限公司（中日合資）的Y358-AB膠粘劑。對(duì)這種膠粘劑進(jìn)行檢測(cè)，并與J-39D 膠粘劑進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表3。Y358-AB 膠粘劑由綿陽(yáng)西磁科技有限公司提供。

表3 膠粘劑性能對(duì)比數(shù)據(jù)Table 3 The comparative data of properties of Y358-AB and J-39D adhesive

根據(jù)表3 可以看出，J-39D 膠粘劑對(duì)鍍鋅Q235B 鋼、鍍鋅鐵等風(fēng)力發(fā)電磁組件材料的粘接性能均優(yōu)于Y358-AB 膠粘劑。

3 結(jié) 論

（1）J-39D 膠粘劑對(duì)鍍鋅Q235B 鋼、鍍鋅鐵、304 不銹鋼、鍍鋅磁體、黑片磁體等風(fēng)力發(fā)電磁組件材料具備優(yōu)異的粘接性能，對(duì)鍍鋅Q235B 鋼表面鈍化層有較好的保護(hù)效果。經(jīng)過(guò)冷熱沖擊后力學(xué)性能沒(méi)有明顯下降。

（2）J-39D 膠粘劑對(duì)風(fēng)力發(fā)電磁組件材料的粘接性能均優(yōu)于Y358-AB 膠粘劑。