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纖維增復(fù)合材料(FRP)在風(fēng)電機(jī)組葉片中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，德國(guó)勞氏集團(tuán)(GL Group)根據(jù)其在船舶和風(fēng)電領(lǐng)域多年積累編寫了非金屬材料的認(rèn)證規(guī)范和要求，德國(guó)勞氏可再生能源風(fēng)能部()的吳強(qiáng)和朱國(guó)簡(jiǎn)單地介紹了該規(guī)范中的一些相關(guān)內(nèi)容，并對(duì)于第二部分“非金屬材料的檢驗(yàn)要求和試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)”進(jìn)行了詳細(xì)的敘述。
纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(FRP)從上世紀(jì)40年代問世以來(lái)，在航空、航天、船舶、汽車、化工、醫(yī)學(xué)和機(jī)械等工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。近年來(lái)，F(xiàn)RP又以其高強(qiáng)、輕質(zhì)、耐腐蝕、耐久性等優(yōu)點(diǎn)，成為大型風(fēng)電機(jī)組葉片材料的選。葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組有效捕獲風(fēng)能的關(guān)鍵部件，約點(diǎn)整個(gè)風(fēng)電機(jī)組25%的成本。在發(fā)電機(jī)功率確定的條件下，捕風(fēng)能力的提高將直接提高發(fā)電效率，而捕風(fēng)能力則與葉片的形狀、長(zhǎng)度和面積有著密切關(guān)系，葉片尺寸的大小(上述參數(shù))則主要依賴于制造葉片的材料。葉片的材料越輕、強(qiáng)度和剛度越高，葉片抵御載荷的能力就越強(qiáng)，葉片就可以做得越大，它的捕風(fēng)能力也就越強(qiáng)，發(fā)電效率也就會(huì)相應(yīng)得到提高。
在復(fù)合材料風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的葉片研究開發(fā)過程中，德國(guó)、丹麥、美國(guó)、荷蘭等風(fēng)能資源利用較好的針對(duì)大型葉片的材料體系、外形設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造工藝、質(zhì)量檢驗(yàn)、在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和廢棄物處理等作了大量的研究開發(fā)工作，并取得了豐碩的成果。德國(guó)勞氏集團(tuán)更是結(jié)合在船舶和風(fēng)能行業(yè)的幾十年經(jīng)驗(yàn)編寫了一本完整的技術(shù)規(guī)范《德國(guó)勞氏船級(jí)社非金屬材料技術(shù)規(guī)范要求》，在規(guī)范中對(duì)于葉片原材料的生產(chǎn)控制和成品檢驗(yàn)提出了基本的要求。
GL非金屬材料認(rèn)證技術(shù)規(guī)范。
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《德國(guó)勞氏船級(jí)社非金屬材料技術(shù)規(guī)范要求》一共分為三個(gè)部分，部分是關(guān)于原料和產(chǎn)品的生產(chǎn)品質(zhì)要求的規(guī)定，第二部分是關(guān)于復(fù)合增強(qiáng)材料的檢驗(yàn)要求及實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，第三部分是關(guān)于產(chǎn)品的修補(bǔ)。
在部分中，涉及到幾種主要非金屬材料的生產(chǎn)工藝以及產(chǎn)品的質(zhì)量控制的相關(guān)要求。GL頒發(fā)的非金屬材料認(rèn)證證書的有效期限一般為4年，那么對(duì)于生產(chǎn)工廠，GL希望工廠可以在證收的有效期內(nèi)長(zhǎng)期穩(wěn)定的生產(chǎn)出符合GL規(guī)范要求的產(chǎn)品，那么就需要對(duì)于產(chǎn)品的生產(chǎn)過程質(zhì)量進(jìn)行控制。其中主要的控制內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面：
工廠的一般信息
人員
工廠內(nèi)部質(zhì)量控制體系
生產(chǎn)過程監(jiān)控
工廠的倉(cāng)儲(chǔ)管理情況
生產(chǎn)能力
生產(chǎn)設(shè)備
在申請(qǐng)工廠的生產(chǎn)質(zhì)量體系通過了ISO9001的基礎(chǔ)之上，GL將會(huì)參照以上方面對(duì)于工廠申報(bào)的產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量控制進(jìn)行監(jiān)督和檢測(cè)，希望可以幫助工廠更加完善產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量控制，以保證產(chǎn)品質(zhì)量長(zhǎng)期的穩(wěn)定。
本文重點(diǎn)討論關(guān)于規(guī)范中的第二部分復(fù)合增強(qiáng)材料的檢驗(yàn)要求及實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，第二部分主要包括以下材料的實(shí)驗(yàn)及檢驗(yàn)要求：膠衣和/或?qū)訅簶渲⒃鰪?qiáng)材料、預(yù)浸料、芯材、膠粘劑。
目前的大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的葉片基本上是由聚酯樹脂、乙烯基樹脂和環(huán)氧樹脂等熱固性基體樹脂與E-玻璃纖維、S-玻璃纖維、碳纖維等增強(qiáng)材料，通過開模手工鋪放，預(yù)浸料或閉模樹脂真空導(dǎo)入等成型工藝復(fù)合而成。本文將介紹GL規(guī)范中對(duì)于這兩種主要材料的實(shí)驗(yàn)要求和參考標(biāo)準(zhǔn)的詳細(xì)內(nèi)容。
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樹脂和增強(qiáng)材料的基本性能指標(biāo)及參考要求
在GL的規(guī)范中，基本包括了生產(chǎn)葉片的所有原材料的性能指標(biāo)要求和實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，本文僅僅對(duì)于葉片的主要兩種原料熱固性樹脂和增強(qiáng)材料的相關(guān)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目要求做一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹，并給出一些相應(yīng)的參考要求。
熱固性樹脂
規(guī)范中僅對(duì)于不飽和聚酯樹脂和環(huán)氧樹脂兩種熱固性樹脂提出了具體的檢驗(yàn)要求，對(duì)其它類型的樹脂在與德國(guó)勞氏集團(tuán)進(jìn)行具體磋商后，其技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求將根據(jù)具體情況確定，但至少要以不飽和聚酯樹脂的要求為底線。
在產(chǎn)品的技術(shù)說(shuō)明書中一般需要提供以下信息：
樹脂類型 用途
制造商 品牌名
儲(chǔ)存環(huán)境要求 加工環(huán)境要求[-page-]
添加劑的類型及比率 固化條件及性能變化
對(duì)于熱固性樹脂的性能考量指標(biāo)一般分為固化前的性能指標(biāo)以及固化成型后的性能指標(biāo)，固化前性能指標(biāo)一般包括下列項(xiàng)目：
密度 不飽和聚酯樹脂：酸指數(shù)
粘度 環(huán)氧樹脂：環(huán)氧當(dāng)量
反應(yīng)性 凝膠時(shí)間(溫度增加)
固化收縮率
固化以后的性能指標(biāo)主要考量樹脂澆筑板的力學(xué)性能指標(biāo)，包括：
密度
吸水率
拉伸強(qiáng)度，拉伸彈性模量和斷裂應(yīng)變
彎曲強(qiáng)度，彎曲彈性模量
高溫下尺寸穩(wěn)定性(熱變形溫度)
對(duì)于以上性能指標(biāo)的低值要求，GL在規(guī)范中給出了一些參考值(請(qǐng)參考GL規(guī)范的有關(guān)章節(jié))，參考值主要針對(duì)于不飽和聚酯樹脂和環(huán)氧樹脂。由于大型風(fēng)電機(jī)組的葉片是露天工作，要經(jīng)受亞劣氣候的考驗(yàn)，尤其是海上復(fù)雜氣候條件，并且一般風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)壽命又長(zhǎng)達(dá)20年，維修成本高昂，所以具體的指標(biāo)將由德國(guó)勞氏實(shí)驗(yàn)室的工程師實(shí)際要求來(lái)界定。
增強(qiáng)材料
纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有其它單一材料無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)――可設(shè)計(jì)性，從而可以通過調(diào)整單層的鋪層方向，獲得該方向上所需要的強(qiáng)度和剛度。更重要的是可利用材料的各向異性，使結(jié)構(gòu)不同的變形形式之間發(fā)生耦合。比如由于彎扭耦合，使得結(jié)構(gòu)在只受到彎矩作用時(shí)發(fā)生扭轉(zhuǎn)。在以往的葉片設(shè)計(jì)中，葉片橫截面耦合效應(yīng)是一個(gè)讓設(shè)計(jì)人員頭疼的難題，設(shè)計(jì)人員想方法希望消除耦合現(xiàn)象。在航空領(lǐng)域人們利用復(fù)合材料的彎扭耦合和拉剪耦合效應(yīng)，提高機(jī)翼的性能。在葉片上，引久彎扭耦合設(shè)計(jì)概念，控制葉片的氣彈變形，這就是氣彈剪裁。通過氣彈剪裁，降低葉片的疲勞載荷，并優(yōu)化功率輸出，可以很好的達(dá)到葉片材料的載荷要求。
隨著設(shè)計(jì)能力的不斷提高，葉片逐漸變大，這對(duì)材料的強(qiáng)度和剛度提出了更加苛刻的要求。全玻璃鋼葉片已無(wú)法滿足葉片大型化，輕量化的要求。碳纖維或其它高強(qiáng)纖維隨之被應(yīng)用到葉片局部區(qū)域，如NEG Micon NM82.4米長(zhǎng)的葉片和LM61.5米長(zhǎng)的葉片都在高應(yīng)力區(qū)使用了碳纖維。GL規(guī)范將玻璃鋼中的增強(qiáng)材料分為四種類型：無(wú)捻粗紗、表面氈、玻纖織布、非織造布。在工廠提供的產(chǎn)品技術(shù)說(shuō)明書中一般需要提供以下信息：[-page-]
纖維材料 加固類型 制造商 品牌名 供應(yīng)形式 存儲(chǔ)環(huán)境要求 產(chǎn)品說(shuō)明
對(duì)于四種類型的增強(qiáng)材料一般需要考量的主要指標(biāo)為：
粗紗的細(xì)度 纖維長(zhǎng)度 纖維的密度 每單位面積重量 層厚 可燃物含量 徑向和緯向的密度 編織方法 每層的單位面積質(zhì)量 織物的厚度 鋪層方法 非織造布層厚 纖維材料徑向和緯向的線密度 非織造布或單層的單位面積質(zhì)量
對(duì)于增強(qiáng)材料和熱固化樹脂合成的層壓板材料，GL需要測(cè)定其力學(xué)性能，并在規(guī)范中給出計(jì)算低值的公式：
纖維含量
拉伸強(qiáng)度、斷裂應(yīng)變、拉伸彈性模量
彎曲強(qiáng)度、彎曲彈性模量
增強(qiáng)材料應(yīng)滿足的小機(jī)械性能參數(shù)要求，可以參照以下公式計(jì)算得出，在計(jì)算公式中對(duì)于玻璃纖維的含量已經(jīng)予以考慮。
Xmin=小要求值。
Xref=纖維體積含量參考值(φ=0.4)
α=鋪放因子
φ=纖維體積含量(0.2≤φ≤0.6)
而對(duì)于玻璃氈和噴射紗生產(chǎn)的FRP層壓板，允許與以上公司計(jì)算的小值有偏離，在這種情況下，玻璃纖維的重量百分比φ，0.25≤φ≤0.35，按照下列公式得出結(jié)果：
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對(duì)于多方向鋪層的增強(qiáng)材料，上述數(shù)值至少需要在一個(gè)方向(尤其是0o方向)進(jìn)行測(cè)試。關(guān)于上述議程中涉及的相關(guān)參數(shù)表，可以參考GL非金屬材料規(guī)范第二章表2.1。
例如：已知某0o/90o鋪層的玻璃纖維布制成的玻璃鋼層壓板材，經(jīng)測(cè)試?yán)w維含量為φ=0.561，參考2.1中列出的相關(guān)參數(shù)，帶入以上公式得：
抗拉強(qiáng)度小值：
楊氏模量(拉伸模量)小值：
彎曲強(qiáng)度小值：
總結(jié)
目前國(guó)內(nèi)外風(fēng)機(jī)葉片大量的采用FRP材料制造，并向大型化、低成本、高性能、輕量化、多翼型、柔性化方向發(fā)展。在新材料和新工藝的不斷變化 中，GL集團(tuán)將逐步更新相應(yīng)規(guī)范中的要求和參數(shù)，更好的為原材料的發(fā)展制定符合國(guó)際化要求的標(biāo)準(zhǔn)，并為的原材料廠商在國(guó)際市場(chǎng)贏得聲譽(yù)提供幫助。
