风电叶片PVC芯材的耐温性研究

江一杭，杨 忠，刘鲜红

(东方电气(天津)风电叶片工程有限公司 天津 300480)

0 引 言

风电叶片是风力发电机的关键零部件，起到捕捉风能的作用。在风电叶片设计时，为了降低叶片的重量，提高壳体的刚度，壳体采用了三明治夹芯结构设计[1-3]。其中，夹芯材料一般选用质量轻、强度高的PVC泡沫。在风电叶片成型过程中，由于环氧树脂必须经过高温后固化，才能达到设计强度要求，一般会将模具温度加热到70℃以上。同时，环氧树脂材料固化过程中还会释放出热量，导致产品温度进一步上升(局部会达到100℃)。高温后固化工艺对PVC泡沫的耐温性提出了较高的要求，为了验证高温下固化的PVC材料性能是否变化，本论文设计了不同温度下固化的方案，对PVC本体及夹芯结构的力学性能进行了测试。

1 实验方案

分别在70、100、110℃条件下，对PVC泡沫及夹芯结构进行高温处理，再进行力学性能对比测试。在风电叶片设计中，PVC泡沫主要考虑压缩强度和剪切强度，因此试采用岛津100 kN万能力学试验机对进行压缩和剪切测试。芯材压缩测试参考ASTM D1621，剪切性能测试参考ASTM C273。夹芯结构除了压缩和剪切外，还需要考虑剥离性能。剥离测试暂未参考相关标准，为同等条件下对比测试。

2 实验结果与讨论

2.1 PVC耐温性能对比测试结果

将PVC芯材试样按标准方法加工，然后在70℃和100℃烘箱内，放置6 h，再进行测试。图1为PVC试样高温处理后的外观对比。上排样品为70℃处理后的外观，仍然保持原始状态。下排为100℃处理后的外观，可以看出已经明显焦化。考虑到PVC泡沫在发泡过程中，添加了色料，这种焦化主要是色料变化引起。但是否影响力学性能，还需要进一步测试。

图1 PVC泡沫在70℃和100℃高温处理后的外观对比Fig.1 Comparison of appearance of PVC foam at 70℃and 100℃ after high temperature treatment

表1 为PVC泡沫在70℃和100℃高温处理后的力学性能对比，从测试结果看出，PVC在100℃处理后，本体剪切性能没有明显的变化，而本体抗压强度和模量有一定程度的下降。参考风电叶片PVC泡沫强度设计值(＞0.65 MPa)，两种高温处理后其性能均满足设计要求。

表1 PVC泡沫在70 ℃和100 ℃高温处理后的力学性能对比Tab.1 Comparison of mechanical properties of PVC foam at 70℃ and 100℃ after high temperature treatment

2.2 PVC夹芯结构耐温性能对比测试结果

PVC夹芯结构和性能比PVC材料本身更为重要。PVC在制作成夹芯结构的过程中，需要切缝并开孔，缝隙中会填充环氧树脂，力学性能会得到大幅提升。叶片的实际性能更大程度上取决于PVC夹芯结构，而非PVC本身。

PVC夹芯结构在70℃和100℃高温处理后的外观如图2所示。与PVC泡沫相同，100℃处理后的外观已经明显焦化。

图2 PVC夹芯结构在70℃和100℃高温处理后的外观对比Fig.2 Comparison of appearance of PVC sandwich structure at 70℃ and 100℃ after high temperature treatment

表2 给出了夹芯结构剪切、压缩以及剥离性能的测试结果。从夹芯结构的测试数据来看，100℃高温处理后的剪切性能和压缩性能，相对于70℃来说有一定程度的降低，与PVC材料测试结果趋势基本接近，但总体性能相对于PVC本体有大幅的提升，主要是由于环氧树脂的填充。图3给出剪切和压缩的破坏形式，可以看出，PVC缝隙中的环氧树脂对结构强度支撑起到很大的作用。剥离测试可以反映PVC和夹芯结构蒙皮之间的结合力。从测试结果来看，100℃高温对结合力几乎没有影响。

表2 PVC夹芯结构在70 ℃和100 ℃高温处理后的力学性能对比Tab.2 Comparison of mechanical properties of PVC sandwich structure at 70 ℃ and 100 ℃ after high temperature treatment

2.3 分析与讨论

通过以上2项对比测试，可以发现，PVC在高温条件下(100℃)会发生比较严重的外观焦化，但这种焦化主要是由于添加色料的影响。尽管从性能测试上来说有下降的趋势，但并不严重，其本体的力学性能满足设计指标要求。PVC夹芯结构的性能有相似的趋势，但由于环氧树脂的填充，其力学性能大幅提升。

3 结 论

PVC泡沫是风电叶片制造的常用材料，可以提高叶片壳体刚度，降低产品重量。但在叶片成型过程中，需要经历高温后固化阶段，局部温度可能超过100℃，而在高温下，PVC会发生明显的焦化现场。本文通过实验测试验证，在100℃下焦化的PVC，无论是本体还是夹芯结构，性能有一定程度的下降，但均高于产品设计值，满足设计要求。本文测试结论，可供风电叶片产品工艺设计参考。■