風(fēng)電葉片采用不同膠黏劑修補(bǔ)的相容性能差異研究

吳海亮，別春華，劉艷霞，紀(jì)亭賀，王朋飛

(東方電氣(天津)風(fēng)電葉片工程有限公司 天津 300480)

0 引 言

隨著風(fēng)電機(jī)組功率的不斷提升，葉片越來越長，所以對于葉片可靠性的要求也越來越高。在風(fēng)電葉片的成型工藝過程中，通常需要將 2片殼體、剪切腹板等粘接為一體，而在設(shè)計(jì)中，考慮到載荷需要在不同部件間傳遞，載荷從主梁傳遞到殼體再傳遞至剪切腹板，因此，膠黏劑連接各個(gè)部件非常關(guān)鍵[1]。對于葉片整體而言，其受限于葉片制造工藝水平和在粘接涂覆工藝中人工操作的不穩(wěn)定性，導(dǎo)致葉片粘接區(qū)是最薄弱的環(huán)節(jié)。粘接缺膠是葉片合模過程中最為常見的粘接失效現(xiàn)象，在長期運(yùn)行過程中造成腹板支撐失效、葉片開裂形變，最終會導(dǎo)致葉片斷裂，因此，葉片粘接缺膠問題一直備受關(guān)注。行業(yè)內(nèi)葉片的使用壽命為 20年，可以說對葉片粘接質(zhì)量和強(qiáng)度都是非?？量痰囊螅梢妼θ~片粘接問題的研究尤為重要。

粘接修復(fù)材料的選擇不僅要滿足優(yōu)異的綜合性能，同時(shí)也要給予使用和完成粘接足夠的工藝時(shí)間和容易實(shí)現(xiàn)的生產(chǎn)條件。膠黏劑的韌性是一個(gè)重要性能屬性，其定義了材料抵抗裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展的屬性，也是材料防止脆性斷裂的能力。韌性越高的膠黏劑可以承受更高的形變，同時(shí)還可以阻止部分粘結(jié)缺陷開裂的疲勞擴(kuò)展，能大幅提高葉片的粘結(jié)壽命[2]。另外就是膠黏劑在使用過程中的放熱和凝膠特征，放熱溫度過高容易引發(fā)熱收縮現(xiàn)象，界面易因應(yīng)力集中，導(dǎo)致粘接強(qiáng)度降低，粘接界面的脫膠、翹曲、開裂等不良現(xiàn)象發(fā)生，殘余應(yīng)力也會使膠接界面容易受氧、水等環(huán)境因素的攻擊，進(jìn)而造成過早的環(huán)境破壞[3]。

粘接缺膠通常采用超聲無損檢測手段[4]進(jìn)行判斷，利用超聲波檢測技術(shù)可以有效地檢測厚度變化，其能夠顯示出產(chǎn)品的隱藏故障，如分層、夾雜、氣孔、缺少膠粘劑及粘結(jié)處粘結(jié)不牢等缺陷，從而可大幅度降低葉片失效的風(fēng)險(xiǎn)。針對檢測出的缺膠區(qū)采用的修復(fù)方案通常需將成型好的葉片殼體開窗，如圖1所示，再對缺膠區(qū)域進(jìn)行二次粘接維修[5]。缺膠問題的修復(fù)通常伴隨著對葉片的二次破壞，因此，對葉片修復(fù)質(zhì)量和強(qiáng)度都有非?？量痰囊?，葉片粘接修復(fù)問題的研究也尤為重要。

圖1 某葉片缺膠“開窗”修復(fù)Fig.1 “Windowing” repair of a glue-lacking blade

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原材料

本實(shí)驗(yàn)所用膠黏劑材料信息如表1所示。

表1 材料信息Tab.1 Material information

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

1.2.1 膠黏劑本體性能研究

對膠黏劑1、膠黏劑2分別進(jìn)行本體拉伸性能、FRP拉剪強(qiáng)度性能測試(3mm)；對膠黏劑 1、膠黏劑2分別進(jìn)行放熱溫度和時(shí)間的測試。

實(shí)驗(yàn)要求：膠層長度×寬度＝500mm×250mm；膠層高度為20mm。

實(shí)驗(yàn)溫度：分別置于 25℃(室溫)和 35℃(烘箱)，記錄樣品表觀溫度及凝膠。

1.2.2 缺膠粘接實(shí)驗(yàn)方案

空白實(shí)驗(yàn)：A和 B部分同時(shí)使用膠黏劑 1進(jìn)行粘接，整體經(jīng)過固化后測試?yán)旒羟行阅?參照標(biāo)準(zhǔn)：EN 1465—2009)。

不同缺膠量測試如圖 2所示：首先在 A處使用膠黏劑 1進(jìn)行粘接，保證缺膠寬度 b1＝b20%(總?cè)蹦z量為 20%)；圖 2中 b1＝b20%、b2＝b20%(總?cè)蹦z量為 40%)；圖 2中 b1＝b30%、b2＝b30%(總?cè)蹦z量為60%)。固化后測試?yán)旌图羟行阅堋?/p>

圖2 試樣示意圖Fig.2 Specimen diagrams

不同修補(bǔ)膠測試：首先在 A處使用膠黏劑 1進(jìn)行粘接，分別保證總?cè)蹦z量為 20%、40%、60%，經(jīng)過固化后，對 B部分分別使用膠黏劑 1和膠黏劑 2進(jìn)行修補(bǔ)。膠黏劑1后固化條件為70℃ 6h，膠黏劑2后固化條件為50℃ 3h，完成固化后進(jìn)行拉伸和剪切性能測試。

如圖2所示，制作單搭接剪切樣條，膠層厚度h＝3mm，粘接面長度 L＝40mm，粘接面總寬度 b＝40mm，B為缺膠部分，缺膠寬度為b1、b2。

1.2.3 缺膠測試制樣過程

在試樣的制作過程中，首先采用單向布和環(huán)氧樹脂利用真空灌注工藝制備標(biāo)準(zhǔn)試樣的復(fù)合層合板，進(jìn)行劃線、裁切后進(jìn)行膠黏劑涂覆，如圖 3所示。膠黏劑在涂覆前經(jīng)過充分混合、排泡；粘接時(shí)使用限厚材料保證膠黏劑厚度，如圖 4所示；待膠黏劑部分固化后進(jìn)行注膠修補(bǔ)，再次進(jìn)行固化，如圖5、6所示。

圖3 膠黏劑涂覆Fig.3 Adhesive coating

圖4 限厚粘接固化Fig.4 Adhesive curing

圖5 缺膠修復(fù)Fig.5 Repair of glue-lacking area

圖6 收膠固化Fig.6 Repair curing

2 結(jié)果與討論

2.1 膠黏劑本體性能測試結(jié)果

由于葉片大型化趨勢明顯，對材料本體的各項(xiàng)性能提出了更高的要求，尤其是對膠黏劑的韌性、可操作時(shí)間和放熱溫度有了更高的要求[6]。根據(jù)膠黏劑在風(fēng)電葉片上的使用技術(shù)要求，對2款膠黏劑進(jìn)行了材料性能測試，測試內(nèi)容包含材料基本力學(xué)性能和工藝性能；同時(shí)，通過設(shè)置不同的加熱環(huán)境研究了等體積尺寸下膠黏劑的放熱時(shí)間和放熱溫度。

從表2的拉伸性能測試結(jié)果可知，抗拉強(qiáng)度和模量兩款膠黏劑相差無幾，代表膠黏劑材料具有更高韌性的斷裂延伸率的數(shù)據(jù)分別為2.31%和2.17%，均滿足葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對膠黏劑的技術(shù)指標(biāo)≥2%，前者比后者高出 6%代表韌性較高。FRP抗剪強(qiáng)度[7]上，3mm厚的膠黏劑 1性能更高。2款膠黏劑的力學(xué)性能整體上差異較小。

表2 兩款膠黏劑測試結(jié)果Tab.2 Test results of two adhesives

從表 3和圖 7放熱溫度和時(shí)間測試結(jié)果來看，2款膠黏劑的凝膠時(shí)間相差較大，膠黏劑2的凝膠時(shí)間更短，說明在實(shí)際的生產(chǎn)中可以提高葉片修復(fù)效率，但太短的凝膠時(shí)間無法滿足葉片的合模粘接工藝，更適合用于葉片損壞區(qū)域的修復(fù)。膠黏劑1的Tg值更高，則表明在相同溫度條件下其需要更長的時(shí)間來實(shí)現(xiàn)完全固化，或在相同的時(shí)間下實(shí)現(xiàn)完全固化的溫度要求更高。而對于風(fēng)場問題葉片的修復(fù)，環(huán)境條件惡劣、修復(fù)條件不滿足時(shí)，膠黏劑 2的工藝性能更利于提高葉片的修復(fù)效率。

表3 放熱溫度和放熱時(shí)間數(shù)據(jù)Tab.3 Test results of heat release time and temperature

圖7 放熱溫度和放熱時(shí)間測試圖片F(xiàn)ig.7 Test pictures of heat release time and temperature

膠黏劑在固化的反應(yīng)過程中會放出大量的熱，在界面形成熱應(yīng)力，導(dǎo)致界面更易出現(xiàn)裂紋，同時(shí)隨著加熱環(huán)境時(shí)間的增加，材料的剪切性能呈現(xiàn)先增加后快速下降的趨勢，也就是說長時(shí)間的高溫環(huán)境會降低膠黏劑的剪切性能和增加葉片失效風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)合測試結(jié)果，葉片修復(fù)過程中膠黏劑的固化溫度并非越高越好，低放熱效應(yīng)是葉片大型化趨勢的更高要求[8]。

綜上所述，粘接1的力學(xué)性能稍強(qiáng)于膠黏劑2，固化過程中工藝特性差異較大，膠黏劑1可滿足葉片合模粘接，同樣也可用于葉片缺陷修復(fù)；膠黏劑 2的凝膠時(shí)間短，代表可操作時(shí)間短，更適合風(fēng)電葉片小范圍內(nèi)的部件粘接制作和缺陷維修。

2.2 缺膠粘接試驗(yàn)結(jié)果

從表 4、表 5測試數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，粘接面缺膠情況下FRP拉伸剪切強(qiáng)度低于 100% 填膠的粘接面，缺膠面積為 20%、40%、60%時(shí)，膠黏劑 1體系的拉伸剪切強(qiáng)度依次下降10.97%、14.19%、23.99%，說明隨著粘接面缺膠量的增加、膠黏劑與基材的有效粘接面積減小，F(xiàn)RP粘接試樣的拉伸剪切強(qiáng)度呈現(xiàn)下降的趨勢，即表示粘接體系在受縱向拉伸剪切應(yīng)力時(shí)能承受的最大載荷降低，粘接結(jié)構(gòu)也容易破壞，必須通過一定的手段對缺膠進(jìn)行修復(fù)。

表4 對照組測試結(jié)果Tab.4 Test results of control groups

表5 缺膠組測試結(jié)果Tab.5 Test results of glue-lacking adhesive starvation groups

從表6測試數(shù)據(jù)對比可發(fā)現(xiàn)，粘接面在不同缺膠量情況下使用膠黏劑 1進(jìn)行修補(bǔ)后，缺膠高達(dá) 60%時(shí)，修復(fù)后的拉伸剪切強(qiáng)度比空白組膠黏劑1僅下降了 5.20%，同比可恢復(fù)近 40%的缺膠。使用膠黏劑 2修復(fù)后，拉伸剪切強(qiáng)度與缺膠組測試數(shù)據(jù)差別較小，推斷膠黏劑2的修復(fù)并沒有改善體系材料的性能。

表6 修補(bǔ)組測試結(jié)果Tab.6 Test results of repair groups

通過圖 8 試樣界面破壞形式可發(fā)現(xiàn)，膠黏劑 1進(jìn)行修補(bǔ)后破壞界面與原有膠黏劑1呈一體粘接，粘接良好。而膠黏劑2修補(bǔ)后破壞界面處，膠黏劑2與膠黏劑 1多為分離狀態(tài)，沒有形成良好的界面結(jié)合。以上說明采用相同膠黏劑 1經(jīng)評估可以用于葉片合模粘接，也可用于葉片修復(fù)。因此，在使用與本體材料相同的膠黏劑進(jìn)行修復(fù)的時(shí)候，粘接修補(bǔ)后的效果好于不同系列膠黏劑修補(bǔ)效果，拉伸剪切強(qiáng)度可得到恢復(fù)，在很大程度上使粘接面粘接強(qiáng)度得到恢復(fù)，粘接效果良好，出現(xiàn)了明顯的界面效應(yīng)，這對于葉片的修復(fù)質(zhì)量起到了保障作用。

圖8 試樣破壞狀態(tài)Fig.8 Specimen failure interface

3 結(jié) 論

2款膠黏劑的本體力學(xué)性能和工藝性能測試表明，2款膠黏劑在性能上均可滿足葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，在工藝性能上，膠黏劑 1可適合用于風(fēng)電葉片制造成型合模粘接，也可用于葉片膠黏劑缺陷修復(fù)；膠黏劑2適合用于葉片膠黏劑缺陷修復(fù)；不同程度的粘接缺膠均會造成材料的拉伸剪切性能下降，有效粘接面積越小，性能下降程度越大；采用不同體系的膠黏劑修復(fù)，界面結(jié)合性能較差，修復(fù)質(zhì)量和強(qiáng)度得不到恢復(fù)；采用與本體粘接材料相同的膠黏劑修復(fù)缺膠問題，有效粘接面積增加、界面結(jié)合良好，可恢復(fù)材料的拉伸剪切性能，改善界面粘接質(zhì)量，更能滿足葉片膠黏劑缺陷修復(fù)要求。