关于玻纤酚醛树脂复合材料叶片的应用概述

2021-08-05张文泽曹学伟何世纪

科技与创新 2021年14期

张文泽，曹学伟，何世纪

（武汉理工大学机电工程学院，湖北武汉430070）

1 地铁风机的发展历程

随着国内外经济的高速发展，大型城市的交通拥堵现象越发严重。地铁交通由于具有载客量大、低能耗、污染小、高速、准时、安全等明显优点，成为当前解决城市交通问题最有效的手段。但地铁在运行时也存在不能将其产生的剩余能量及时利用或排出的问题。这样不仅会使车站和区间温度上升，同时也会影响地铁列车的舒适性及空气质量等问题，同时会产生一定的安全隐患。因此，地铁通风系统是地铁系统中一个重要组成部分，而地铁风机叶片是地铁通风系统中必不可少的结构。地铁风机叶片的发展历程如图1所示。

图1 地铁风机的发展历程

早期的地铁风机叶片采用的是普通金属材料，利用延展性易加工的特点以满足风机尺寸的要求。目前国内外的地铁风机叶片主要是以铝合金叶片为主。通过优化设计，甚至仿生设计，利用有限元软件模拟仿真与实验结合进行复合材料设计，来减小风机发生失速、喘振、噪声的可能性并提高风机效率。

2 现有材料的优缺点分析

地铁风机叶片对材料的要求很高，除了需要质量轻，还需要有高强度、高硬度以及耐腐蚀性、耐疲劳性、耐高温等性能。现有地铁风机厂家广泛采用铝合金制造风机叶片，但随着技术的改进，未来风机叶片材料以轻量化复合材料为发展趋势。

2.1 铝合金

铝合金材料是一种以金属铝为基体材料，在基体材料中添加一定量其他合金元素的轻金属材料。铝合金具有金属铝的基础特性和添加的合金元素的另外特性。另外特性是由添加的合金化元素的不同种类和数量决定的。铝合金有良好的铸造性、加工性、导电导热性和抗腐蚀性，已经广泛应用于航空航天、交通运输以及日用品领域等。作为使用最广泛的地铁风机叶片材料，铝合金叶片的质地较硬，不易变形，很耐用，有出风强而稳定的优点。但随着科技与经济的发展，地铁风机开始往轻量化和低成本的方向发展。铝合金的质地过重，不仅使风机的功耗增大，也增大了机器产生的噪音，同时还存在一定的使用危险性，以及维修保养的难度，已经不符合地铁风机叶片的发展趋势。

2.2 复合材料

2.2.1 玻璃纤维复合材料

玻璃纤维复合材料是一种以玻璃纤维及其制品为基体和增强材料，并通过一定工艺复合而成的新型材料。玻璃纤维是由熔融玻璃在快速抽拉的条件下形成的细丝，其质量小、强度高、抗腐蚀的能力强，同时制造成本低，是风机叶片材料的不错选择。但是玻璃纤维复合材料的比模量不够高，环氧树脂玻璃纤维作为最常见的玻璃纤维复合材料，高温环境下性能不稳定，容易受热分解，降低材料的刚度和强度，此时不能满足地铁风机叶片的工作环境要求。

2.2.2 碳纤维复合材料

碳纤维是指由有机纤维经过一系列热处理转化而成的新型无机高性能纤维材料，其含碳量高于90%，有较强的力学性能，不仅具有碳材料的本质特征，还具有纺织纤维材料的柔软性，便于加工。由于碳纤维比玻璃纤维具有更高的比强度和比刚度，使用碳纤维复合材料能够提高风能的利用率，适应叶片的工作环境，满足对叶片更高的要求。现有碳纤维材料已广泛应用于航空航天领域，有很高的应用价值和应用前景。但使用碳纤维复合材料使成本增加，远远降低其工程应用价值，将此类纤维复合材料应用于风机叶片是不合适的。

3 玻璃纤维酚醛树脂材料结构设计

纤维金属层板是由金属薄板与纤维预浸料粘合后交替铺层，在一定压力和温度下固化而成，纤维金属板具备了金属的延展性和可加工性，同时具有较高的断裂韧性、优良的抗冲击和耐疲劳性等优点。

在耐高温方面，查资料可知，国内外提高酚醛固化体系耐热性主要有3种途径：合成具有耐热性骨架结构的酚醛树脂，合成具有新型耐热结构的酚醛树脂固化剂，与耐热材料进行共混或共聚。

与环氧树脂基玻璃纤维复合材料、铝合金复合相比，酚醛树脂基在高温下综合力学性能更好，而环氧树脂基在高温的环境下会出现分层现象，郭云竹等对玻璃纤维环氧树脂复合材料的热性能进行了研究，其中使用了固化剂4，4’二氨基二苯甲烷，研究结果表明随着纤维含量的增加复合材料的热稳定性也有所增加，该复合材料在300℃以上，开始热分解，接近400℃分解速率最快。

4 复合材料轻量化设计

纤维增强复合材料结构应用中的基本出发点是具有高比强度和高比刚度的特点，比强度和比模量越高，结构的质量就会越轻。还有FRP力学性能的各向异性，通过合理设计发挥出材料的最大承载能力，完成复合材料轻量化结构设计。酚醛树脂基体固化交联后具有很强的内聚力，所以具有优良的力学性能。

第一阶段对复合材料尺寸进行优化，确定所需要的结构；第二阶段给出厚度优化设计方案；第三阶段根据复合材料力学性能各向异性和强可设计性进行多次叠加优化。除此之外，还可以采用夹芯结构、格栅结构、桁架结构以及与金属材料复合，改善强度与刚度。利用ABAQUS有限元软件仿真与实验，揭示层间损伤、纤维损伤及基体损伤的演化过程。对复合材料格栅结构的屈曲优化设计，基于有限元模型参数化设计和优化设计，找到最优弯曲格栅图形并通过屈曲分析进行评估。

5 玻璃纤维酚醛树脂复合材料的优点

与环氧树脂相比，酚醛树脂在高温下具有较高的稳定性，综合力学性能较好。环氧树脂在高温环境下容易出现分层现象。有研究表明，玻璃纤维环氧树脂的随着纤维量的增加，热稳定性也随之增加。该材料的热分解初始温度在300℃以上，400℃的分解速率最快。

使用玻璃纤维酚醛树脂复合材料-铝合金复合材料制成地铁风机叶片，相对于环氧树脂基的复合材料而言，玻璃纤维酚醛树脂复合材料-铝合金复合材料在高温下的力学性能更强，根据资料，在180℃下，三维五向编制环氧树脂复合材料的抗拉性能降低15.37%，而层合复合材料在相同条件下拉伸强度下降了34.42%，其原因为复合材料在高温下，由于树脂被破坏，使得复合材料发生分层。而酚醛树脂基复合材料强度较高，在高温下不易破坏，相对于环氧树脂基更能适应地铁风机叶片的工作环境。

在轻量化方面，目前地铁风机叶片主要用的材料是铝合金，而复合材料风扇叶片具有优异的性能，使用复合材料是产品轻量化有效手段，相比民用航空发动机风扇叶片性能要求，地铁风机叶片使用性能远远要低，需要设计研究满足地铁使用要求的复合材料风机叶片，国内外对地铁使用的复合材料风扇叶片的应用案例和研究很少。

6 玻璃纤维酚醛树脂的应用场景

本文设计轻量化地铁风机材料，具备轻量化、耐高温以及性价比高的优势。轻量化风机叶片为复合材料叶片，可用模具一次成型制造，便于实现完全自动化生产，为后续轻量化风机批量生产、标准化生产提供支持。

轻量化风机叶片还具备耐高温的优势，能稳定地在250℃的工质环境下连续工作，可应用于大型废气工厂高温废气的排放系统，如火电厂、燃气厂等。还可与废气涡轮增压技术、废气再循环技术结合应用于利用余热发电的排气系统，如大型工厂集中摆放的空调外机排放废气、大型发动机排放废气等需要提供稳定热源进行余热回收利用的高温废气利用系统。

同时风机叶片具有启动惯量小的优势，可应用于防腐防爆炸场合，如地下煤炭开采区、地下天然气开采区的排气系统中。轻量化风机叶片具有降低风阻的优势，可提高排风效率，满足热电厂、钢铁厂等大型排气厂的排气需求。