风电叶片用高模玻纤的开发与应用分析

贾智源，关晓方，程 方，陈 淳

（1. 中材科技风电叶片股份有限公司，北京 102101；2. 泰山玻璃纤维有限公司，山东 泰安 271000）

风电叶片用高模玻纤的开发与应用分析

贾智源1，关晓方1，程 方2，陈 淳1

（1. 中材科技风电叶片股份有限公司，北京 102101；2. 泰山玻璃纤维有限公司，山东 泰安 271000）

以风电叶片专用高模量玻璃纤维为研究对象，将其与E玻纤进行了纤维性能差异对比，并利用相应的玻纤单向布制备层合板，对比了层合板的力学性能和单向布的工艺性能，选取3 个型号的风电叶片进行了等刚度换算。结果表明，高模玻纤具有更高的抗拉强度、弹性模量、耐化学腐蚀性以及耐疲劳强度；在特征单层厚度和垂直渗透性能相当的情况下，高模玻纤层合板的力学性能均有不同程度的提升；高模玻纤在风电叶片主梁帽中的应用使得风电叶片的质量减轻和成本降低。

高模玻纤；风电叶片；开发；应用；分析

0 引言

风电叶片大型化的发展趋势[1]，提高了对原材料的技术要求。叶片的风能捕捉效率与叶片长度的平方成正比，而叶片的质量与叶片长度的3 次方成正比，这就导致长度增加的同时，叶片重量增加的更加显著。质量的大幅度增加会给叶片的设计带来很多难题：主梁帽与蒙皮之间分层的风险大幅度提高，叶片的固有频率与旋转频率更加接近，叶片的运输与吊装难度大幅度增加，机组需要承受更大的载荷等。如何在增加叶片长度的同时，避免叶片质量的大幅度增加成为目前风电叶片制造业的核心问题之一。通过原材料的性能提高来实现叶片质量的减轻是一条有效的途径。

当前的研究热点集中于提高风电叶片主梁帽的结构刚性技术上[2]，具体对原材料来说即如何提高所使用纤维的拉伸模量上。玻纤是大型风电叶片所使用的主要增强材料，使用碳纤维来进行替换被认为是一条显然的途径[3～4]，其复合材料的模量可以提高3 倍以上，但是同时成本提高10倍以上，因此大大降低了此类材料的应用推广动力。E玻纤是公认的风电叶片用优质原材料，一方面玻纤本身生产成本非常低廉，而其性能满足风电叶片的基本要求，另一方面由于制造复合材料过程中玻纤材料易铺放和易检查缺陷而降低了应用成本。因此为实现低成本的结构质量减轻，开发高模玻纤成为各玻纤厂商的开发热点[5～10]。

研究对泰山玻璃纤维有限公司所开发的风电叶片专用高模玻纤进行了性能分析，与E玻纤进行了对比，并对高模玻纤在风电叶片中的应用进行了初步分析。

1 实验

1.1 主要原材料

高模玻纤HMG 2 400 tex纱及HMG无屈曲单向织物（面密度1 200 g/m2，简称HMG），E玻纤TCR 2 400 tex纱及TCR无屈曲单向织物（面密度1 200 g/m2，简称TCR），均由泰山玻璃纤维有限公司提供。

树脂为上纬（天津）风电材料有限公司的2511-1A-BS环氧树脂，其主剂和固化剂的质量配比为100∶30，固化制度为50 ℃下5 h，后固化为75 ℃下5 h。

1.2 仪器与测试

层合板的制备采用真空导入成型工艺。力学测试采用Instron 3382电子万能试验机。涉及到的力学性能测试项目及参照标准如表1所示。层合板中纤维质量分数的测试参照标准ISO1172进行。层合板厚度测量采用青海量具刃具厂电子深弓架千分尺，最大量程50 mm，精度0.001 mm。

1.3 Z向渗透率测试

用于测试Z向渗透率的实验铺层中织物的铺层数为20 层，实验过程中记录预成型体铺层厚度、树脂穿透预成型体时间、树脂粘度和织物层数数据，根据公式计算Z向渗透率KZ。

增强纤维材料的孔隙率ϕ根据式⑴计算

其中：ρf为纤维的平均密度（kg/m3）；ρa为织物的面密度（g/m2）；n为织物的层数；H为预成型体铺层的厚度（mm）。

Z向渗透率KZ的计算根据式⑵计算[11]

其中：H为预成型体铺层的厚度（mm）；t为穿透时间（s）；μ为树脂粘度（Pa.s）；ϕ为织物孔隙率；P为注射压力（Pa）；KZ为增强体渗透率（m2）。

2 结果与讨论

2.1 高模玻纤与普通E玻纤的性能差异

HMG玻纤是泰山玻璃纤维有限公司自主设计开发的一种高强高模玻纤，与E玻纤相比，它具有更高的抗拉强度、弹性模量、耐化学腐蚀性以及耐疲劳强度。

HMG玻璃配方组分分析如表2。

表1 复合材料层合板测试标准

表2 HMG玻璃组分表

HMG玻璃组分中不含B2O3和F2，实现了有害气体零排放；SiO2质量分数高达59.0%～62.0%，SiO2是主要的玻璃骨架成分，其质量分数增加可以显著提高玻璃的强度、耐温性、耐化学腐蚀性。Al2O3质量分数的增加，玻璃结构更加致密，强度和模量也随之提高。特定SiO2/Al2O3在3.1～3.9之间，这种特定的组分使玻纤具有更高的强度和模量，且利于纤维成型。SiO2和Al2O3在提高玻璃粘度、模量及其他性能的同时也会导致玻璃熔化温度升高，对窑炉使用的耐火材料材质耐温性和熔制温度提出更高要求，不利于拉丝成型；CaO质量分数为8.0%～13.0%，玻璃的软化点升至930 ℃，提高了玻璃的耐温性能，同时CaO会加速玻璃的成型速度，使玻璃具有较短的料性，利于拉丝成型。0.5%～1.5%的ZrO2提高了玻璃的耐化学腐蚀性。

表3给出了E玻纤与HMG玻纤的特征性能数据。HMG玻纤浸胶纱强度超过2 700 MPa，比E玻纤高出20%以上，模量高出15%以上，达到90 GPa。两种纤维的密度相近，HMG玻纤软化点更高，比E玻纤高出85 ℃。实际上高强高模玻纤早已存在，我国早在1968年就开发出S-2玻纤。S-2玻纤单丝拉伸强度高达4 800 MPa，弹性模量90 GPa，力学性能十分优异。需要指出的是HMG玻纤与已知的S玻纤比具有明显的成本优势，这也符合风电叶片对高模高强玻纤的实际需求。S玻纤的熔制温度高达1 650 ℃，成形非常困难；而HMG玻纤的成形温度为 1 330 ℃，可以在玻璃池窑中大规模生产，有效的降低了生产成本。

2.2 单向复合材料的性能差异

2.2.1 力学性能

真空导入成型工艺下制备了HMG和TCR的单向层合板，分别测试了纤维质量分数与0°拉伸、0°压缩和±45°剪切这3 种力学性能，如表4所示。从表4可以看出，HMG玻纤单向布和TCR玻纤单向布制备的层合板中纤维质量分数基本相当，均约在72%～73%。在纤维质量分数相当的情况下，由于HMG玻纤比TCR玻纤具有更优越的性能，因此与TCR玻纤相比，利用HMG玻纤制备出的复合材料层合板，具有更高的强度和模量。对于0°拉伸性能，HMG单向层合板的强度和模量分别比TCR层合板的强度和模量提升了约20%和10%。对于0°压缩性能，HMG单向层合板的强度和模量分别比TCR层合板提升了约25%和11%。对于±45°剪切性能，HMG单向层合板的强度和模量则与TCR层合板相当。

表3 E玻纤与高模玻纤的性能对比

表4 真空导入成型单向层合板的主要性能

2.2.2 工艺性能

随着风电叶片长度的增长，为达到叶片整体刚度和强度的要求，主梁帽常应用40～50 层甚至上百层的玻纤单向布。在这样的真空导入成型的厚型制件中，玻纤单向布及其复合材料的工艺性能，主要包括布层的Z向（即厚度方向）渗透性能和单向复合材料的单层厚度，对于厚制件的最终成型质量有着至关重要的作用。这两个工艺性能参数中，Z向渗透性能主要影响主梁帽的成型工艺时间，单层厚度对于风电叶片主梁帽的意义则在于构建宏观的几何参数。

单向玻纤织物中Z向渗透性能的测试基本理论依据是一维达西定律[12]，由于纤维束之间及纤维单丝之间存在空隙，树脂会沿着空隙从纤维预成型体底部渗透到表面，因此通过测试树脂穿透预成型体的时间来判定玻纤织物的渗透性能。对HMG和TCR两种单向织物均分别采用20 层纤维铺层，使纤维铺层的x、y平面内的尺寸远大于导流网的尺寸，以摒除树脂在x、y平面内渗透过快导致的边缘效应。表5给出了Z向渗透性能的相关测试参数和孔隙率、Z向渗透率计算结果。结果表明HMG和TCR两种单向织物中的孔隙率和Z向渗透率数值相当，在风电叶片制造过程中应用HMG织物替换TCR织物时并不会对成型工艺效率及质量造成影响。

对HMG和TCR织物分别制备了2、4、8、16和32 层的层合板，得出实际单层厚度，并对单层厚度相对于铺层数进行了理论拟合，具体结果见表6和图1。从图1和表6可以看出，利用倒数线性关系对单层厚度和铺层数目进行拟合相对于实际测试具有很大的符合度[13]。拟合结果表示，对于同样是1 200 g/m2面密度的织物制备的单向复合材料，HMG和TCR两种织物制备层合板的特征单层厚度均约为0.78 mm。

2.3 风电叶片质量减轻效果评估

风电叶片中主梁帽的主要作用是提供叶片挥舞方向上的刚度，承载叶片的大部分弯矩载荷。从之前的讨论得知，HMG单向层合板比TCR单向层合板的0°拉伸模量要高，因此在风电叶片的主梁帽中等刚度应用时，使用HMG单向复合材料会带来一定的质量减轻效果。进行等刚度换算时，叶片主梁帽以外的蒙皮、叶根及芯材铺层等均保持不变，主梁帽宽度和主梁帽的起止点均保持不变，仅对主梁帽的铺层层数和每层铺层的起止点位置进行调整，调整后对于使用HMG和TCR单向布的叶片在挥舞方向、摆振方向及扭转方向的刚度均保持一致。

用于主梁帽设计、叶片等刚度换算的HMG高模单向层合板和TCR E玻纤单向层合板的主要力学性能见表7。两种单向层合板的纤维质量分数均为72%。根据中材叶片的设计型号，分别选择了45、52和59 m 3 个不同长度的叶片进行等刚度换算，所造成的质量变化见表8。

图1 单向玻纤复合材料单层厚度随层数的变化曲线

表5 Z向渗透性能测试相关参数及计算结果

表6 单层厚度关于层数的拟合参数

由表8可知，使用HMG高模单向布后，主梁帽的铺层层数均发生了不同程度的减少，质量也得到了降低，对于45、52和59 m叶片的主梁帽分别减轻质量785、1 592和1 595 kg，分别占原先E玻纤主梁帽质量的27.8%、34.9%和25.7%，减轻质量效果显著。考虑玻纤单向布的单价和纤维质量分数，HMG单向层合板的成本约为TCR单向层合板的1.2 倍，因此使用HMG后，叶片主梁帽的成本下降幅度分别为13.4%、21.9%和10.8%，降成本效果十分可观。

表7 等刚度换算选用的单向层合板主要力学性能

表8 等刚度换算后主梁帽的铺层及质量

3 结论

研究了泰山玻璃纤维有限公司开发的风电叶片专用高模量玻纤，对其与E玻纤进行了性能对比分析，利用等刚度换算对高模玻纤在风电叶片中的应用进行初步分析。

⑴ 与E玻纤相比，高模玻纤具有更高的抗拉强度、弹性模量、耐化学腐蚀性以及耐疲劳强度；

⑵ 高模玻纤层合板的力学性能相比于E玻纤层合板均有不同程度的提升，强度和模量分别提升约20%和10%；

⑶ 高模玻纤单向布具有与E玻纤单向布相当的工艺性能，即两者的特征单层厚度和垂直渗透性能相当；

⑷ 在所选的3 个不同型号风电叶片中等刚度应用，高模玻纤使得风电叶片主梁帽的质量实现超过25%的减轻。

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Development and application analysis of high modulus glass fiber for wind turbine blade

JIA Zhi-yuan1, GUAN Xiao-fang1, CHENG Fang2, CHEN Chun1

( 1. Sinomatech Wind Power Blade Co.,Ltd, Beijing 102101 China; 2. Taishan Fiberglass INC., Shandong Taian 271000 China )

High modulus glass fiber special for the wind turbine blade was studied in this paper, with its performances compared with common E glass. Corresponding UD fabrics were fabricated laminates, with mechanical properties and process properties compared. Three types of wind turbine blades were chosen for the equal stiffness basically retained. High modulus glass fiber has higher strength, modulus, resistance to chemical corrosion and fatigue strength. Under the condition of considerable characteristical ply thickness and vertical permeability, high modulus glass laminate has better mechanical properties. The application of high modulus glass in spar cap of wind turbine made the weight and cost of the wind turbine reduce.

high modulus glass; wind turbine blade; development; application; analysis

TQ327.1; TK8

A

1007-9815（2016）05-0027-05

定稿日期:2016-09-08

国家科技支撑计划（2012BAA01B02）

贾智源（1980-），男，河北青县人，高级工程师，主要从事风电叶片原材料评估技术和低成本成型技术，(电子信箱)jiazhy@sinomatech.com。