风电叶片用环氧结构胶疲劳性能研究.pdf

　６２　　　　　风电叶片用环氧结构胶疲劳性能研究　　风电叶片用环氧结构胶疲劳性能研究　　　　彭兴财，张力平，解祥夫，张莉莉　　　　　　　　　　（１．北京玻璃钢研究设计院有限公司，北京１０２１０１；２．南京海拓复合材料有限公司，南京２１００１２）　　　　　　　　摘要：采用拉拉单向剪切疲劳测试评价了叶片用环氧结构胶的疲劳性能，根据ＩＳＯ９６６４：１９９５，设定平均应力ｒ＝　　≤　　≤　　０．３５７＂，频率为３０Ｈｚ，振幅为２．０ｒ３．ＯＭＰａ，测试环氧结构胶疲劳次数，得到Ｓ－Ｎ曲线并计算疲劳极限，研究胶层厚度、增　　　韧剂及试样破坏形式等因素对疲劳性能的影响。本研究证明叶片用环氧结构胶疲劳性能指标对叶片设计和使用具有重要　　　价值。　　　　　　　　　　　　关键词：环氧结构胶；疲劳测试；疲劳极限；Ｓ－Ｎ曲线；疲劳测试的影响因素　　　　———　中图分类号：ＴＢ３３２文献标识码：Ａ文章编号：１００３０９９９（２０１４）０４００６２０４　　　随着风电行业的发展，其相关产业也相应地得　　到深化和提高。结构胶作为叶片结构的重要组成部　　　　分，是叶片力学及结构失效的主要影响部位和因素，　　　　要达到风电叶片２Ｏ年的使用寿命且不会因为叶片　　　在使用过程中的振动导致叶片开裂和脱落，需要研　究叶片用结构胶的动态疲劳性能。目前国内外使用　　　　的叶片结构胶主要有环氧、聚氨酯及乙烯基等，其中　以环氧结构胶为主。所以研究环氧结构胶的疲劳性　　　能的重要性便凸显出来。本文主要研究了环氧结构　　胶动态疲劳性能。　　１试验条件　１．１材　料　　　胶粘剂：南京海拓复合材料有限公司研制的Ｌｉ．　　　ｃａ－６００环氧结构胶（通过ＧＬ认证）；　　　　　单向板：长１００ｍｍ，宽２５ｍｍ，厚３．５±　０．１ｍｍ。　　　　１．２仪器和设备　　　　　　　—　恒温恒湿箱、ＩＮＳＴＲＯＮ一８８０１疲劳试验机、ＩＮ　　ＳＴＲＯＮ一１１８５万能材料试验机。　　　１．３试样制备　　　　　参考标准ＧＢ／Ｔ７１２４：２００８，将按比例（Ａ／Ｂ＝　　１００／４５）混合好的环氧结构胶粘单向板，制作环氧结　　构胶剪切试样，胶层厚度为０．５±　０．０５ｍｍ，用于测试　静态拉剪强度和疲劳性能。　　　　样品制备过程中采用酒精清理单向板，控制搭　接宽度为１２．５±　　０．２５ＩＢｍ，搭接完成后放人恒温、恒　　　　　湿箱进行固化，固化工艺为：２ｈ４５＋６ｈ７５￣Ｃ加热固　　　　　化。图１所示为疲劳测试试样；图２所示为疲劳试　样尺寸。　　　图１疲劳测试试样　５０　　　．１２５．　５０　　。　８７　　图２疲劳试样尺寸　　２动态疲劳性能研究　　　　　２．１环氧结构胶的静态拉剪强度　　　　　　使用ＩＮＳＴＲＯＮ一１１８５万能材料试验机，测试叶　　　片用环氧结构胶的静态拉剪性能，从而作为后续疲　　　　　劳性能对比的基础。分别测试６个样条，计算其平　　　　均值，数据分别见表１和表２。　　　收稿日期：２０１３－１０－０９　　　本文作者还有包兆鼎和张林文。　　　　　　　作者简介：彭兴财（１９８４一），男，本科，工程师，主要从事复合材料性能测试。　　　　ＦＰ．Ｐ／ＣＭ２０１４４　　　２０１４年第４期　　　　　　　玻璃钢／复合材料　６３　　　　表１环氧结构胶的静态拉剪强度　　序号　１　２　３　４　５　　　６平均值　　　　　　　　　　　　　　拉剪强度／ＭＰａ２１．２２２．８１９．４１５．７２０．３２１．２２０．１　　　２．２１０００万次疲劳测试后剩余应力　　　表２环氧结构胶进行１０００万次疲劳测试后剩余应力　频率　，Ｈｚ　３０　　　　　　　　　振幅循环次数静态应剩余应力保留率　／ＭＰａ　／万次　／ＭＰａ　／ＭＰａ　／％　２．０　ｌｏｏ０　２Ｏ．１　１７．２　８５．６　　　　　　　　　　２．３增韧剂比例对结构胶疲劳性能的影响　“　通过添加新型增韧剂，在胶结构内部形成海岛”　结构，即增韧剂聚集成球形颗粒在环氧树脂交联网　　　　络构成的连续相中成为分散相，彼此产生互穿网络　　　　结构，分散相颗粒直径通常在几微米以下。海岛结　　“”　　构ＳＥＭ图如图３所示。海岛结构一经形成，材料　　　　　　　　　　　　　　　　抗开裂性能就会发生突变，即材料的断裂韧性　　　　（Ｇ）大幅度（几倍、十几倍）地提高，而材料的机械　　　　性能和耐热性能损失较小，有效地提高了环氧结构　胶的韧性和疲劳性能。增韧剂添加比例与疲劳性能　　的关系见表３；增韧剂对疲劳性能的影响见图４。　　　图３海岛结构ＳＥＭ图　　　　　表３增韧剂添加比例与疲劳性能的关系　　添加比例／％　５　７　１０　１５　２０　—。—　　２０　　循环次数／万次　７０　　　＞１００＞１００　６０　增韧ｊｆｌｌ对疲劳性舱的髟响　：　　／、　＼　　　　　ｌ：／＼＼　　、　：　　　＼＼＼　＾　Ｏ　Ｏ　５　１０　Ｉ５　２０　２５　增韧剂添加比例＾　　　　　　　图４增韧剂对疲劳性能的影响　　袁６　　２．４破坏方式不同时的疲劳测试结果　　　在环氧结构胶疲劳测试过程中，拉剪试样的破　　　坏形式是结构胶的疲劳性能重要的表现形式，通常　会存在界面破坏即基材和胶层之间的破坏、基材破　　　坏和胶层破坏三种形式。不同的破坏形式导致的疲　　劳循环次数也有所差别。试样破坏方式对疲劳性能　　的影响见表４。　　　表４试样破坏方式对疲劳性能的影响　　　　　注：Ａ为基材破坏；Ｂ为界面破坏；Ｃ为胶层破坏　　２．５试样的胶层厚度对疲劳性能的影响　　　当振幅＝２．８ＭＰａ时，在环氧结构胶疲劳试样　　　　　中选取４个不同粘结的胶层厚度，在相同条件下进　　　　　　　　　　　　行疲劳测试。胶层厚度分别为０．２ｍｍ、０．５ｍｍ、　　　０．８ｍｍ、１．２ｍｍ。不同胶层厚度的疲劳测试结果见　　表５。　　　　表５不同胶层厚度的疲劳测试结果　　３疲劳性能的表征　　　３．１阶梯法疲劳性能的测试方法　　　　　　　　　　　　　以环氧结构胶为例，疲劳测试标准参照ＩＳＯ　　９６６４：１９９５，以阶梯法的形式测试和计算该结构胶的　　　　　疲劳陛能。选定丁＝０．３５，设定初始振幅，若试样　　　未通过规定循环次数，则降低０．２ＭＰａ，反之则提高　　０．２ＭＰａ，直至闭环。阶梯法疲劳测试结果见表６；疲　　劳测试结果的分析见表７。　　　　　　　法疲劳测试结果．　　！　　　　　！：！！！　！　　　　　！：！！！　！：　３×　×　　２．８×—　｝×　＿＋—｝　Ｘ×　　２．６×　×　×　　一＋×—　｝×　２．４—　｝×—　｝×　—　２．２—｝—　｝　　　　注：Ｘ表示试样没有通过测试；一表示试样通过了测试阶梯法数据分析结果。　　啦啤　　　　　　　风电叶片用环氧结构胶疲劳性能研究　　２０１４年４月　　　表７疲劳测试结果的分析　　ｆ／ＭＰａ　３．Ｏ　２．８　２．６　２．４　２．２　　　　　　　　３．２疲劳极限及疲劳极限偏差　　　　　　疲劳极限按式ＴＤ（，）＝：＋ｄ［｛（）］计算；疲劳极限偏差按式ｓ＝１．６２×　　　ｄ（生＋０．０２９）∑计算，其中，Ｂ：ｉ＝ｋ　Ｂｚ×　，　要求＞０．３。－　ｎ　∑　计算，其中，＝×　　ｎ，要求生　＞０．３。—　ｌｕ　Ｊ　　计算结果：Ⅳ　　　　ｒＤ（，，）＝０。＋ｄ（Ａ／Ｌ＋（１／２））＝２．６２ＭＰａ，Ａ＝１９Ｓ＝１．６２×ｄ（（Ｌ×—　　　ＢＡ／Ｌ）＋０．０２９）＝０．３５８ＭＰａ，：　　１．０８＞０．３　Ｌ　　　　　　　　　　—　３．３环氧结构胶依据ＡＳＴＭＥ７３９：２０１０得到的ＳＮ　曲线　　　　结构胶依据ＡＳＴＭＥ７３９：２０１０得到的Ｓ－Ｎ曲线　　　如图５所示。　５　　５５　６　　　　　图５结构胶依据ＡＳＴＭＥ７３９：２０１０得到的Ｓ－Ｎ曲线　　　　　　　　　　３．４环氧结构胶依据ＩＳＯ９６６４：１９９５绘制的Ｓ－Ｎ曲　线　　　　　环氧结构胶依据ＩＳＯ９６６４：１９９５绘制的Ｓ－Ｎ曲　　线如图６所示。　　ＦＲＰ／ＣＭ２０１４￣Ｎｏ．４　０　１０　２０　３０　４０　５０　６０　７０　８０　　　９０１００ｌｆ　　　ｆ＇，７ＯＭＰａ）＝２６２ＭＰａ　Ｍ万次　　　　—　图６环氧结构胶依据ＩＳＯ９６６４：１９９５绘制的ＳＮ曲线　　　３．５环氧结构胶１０００万次疲劳性能　　　根据环氧结构胶ｓ．Ｎ曲线方程ｌｏｇＮ＝１１．４８６３—　　　　　　　　　　１．９７４５，ｒ。计算，当Ｎ＝１０００万次时，振幅ｒ。＝　　　　　　２．２７ＭＰａ。实际测试中，取振幅Ｊ『＝２．０ＭＰ测试，环　　　　　　氧结构胶疲劳次数达到１０００万次，且试样没有破　　坏，试样静态剪切应力保留率为８５．６％。表明用拟　　　　合曲线外推到１０００万次的结果和实测的结果基本　　　　　　上是一致的。图７为各振幅测试数据经拟合所得　　曲线。　０　　　　　　　　　　　　　　　　　　　１０ｏ２００３ｏ０４００５００６００７００８００９００１０００　　循环次勘万次　　　图７环氧结构胶高斯拟合１０００万次疲劳曲线　４分　析　　　　　　４．１疲劳试验采用的振幅和频率对环氧结构胶疲　　　　劳试验结果的影响　　　当试验频率一定时，试验采用的振幅越低，环氧　　　结构胶疲劳测试所经历的循环次数就越多；当振幅一　定时，试验采用的频率越低，环氧结构胶疲劳测试　所经历的循环就越多。　　　４．２不同增韧剂比例对环氧疲劳试验结果的影响　　　　　　　　　从试验结果可以看出，当增韧剂添加比例为　　　　　　７％～１０％时，此范围内环氧结构胶疲劳性能最好。　　　　从增韧剂对疲劳试验结果影响图中可以看出，在增　　　　　　　韧剂添加比例为５％～１０％阶段，疲劳性能随着增　韧剂的添加逐渐提高，而当增韧剂继续添加时疲劳　　３　　０　　４　　ｏ　　日　　９　　Ｏ　　９　　６　　４　　Ｏ　＝　　Ａ　　２　　０　　３　　３　　４　　２　：　　Ｌ　　４　　３　　２　　ｌ　　Ｏ≤　　Ｂｄ凰Ｉ鞲　　２０１４年第４期　　　　　　　玻璃钢／复合材料　６５　　性能则快速降低。这主要是因为增韧剂的添加刚开　始对于韧性不够的结构胶体系有很好地提高韧性的　　　　　作用，当达到一定比例后，体系刚性不够，从而使疲　劳性能开始降低。　　　　４．３环氧结构胶疲劳试样粘结的胶层厚度对疲劳　　　　试验结果的影响　　　　结构胶胶层厚度对疲劳性能有很大影响，通常　　　胶层厚度越小，环氧结构胶疲劳试样所经历的循环　　　次数就越多。但胶层厚度不能太薄，否则会因为胶　层厚度太小而容易发生界面或基材破坏而影响疲劳　　　试验结果。推荐胶层厚度为０．２～０．５ｍｍ。　　４．４疲劳试样破坏形式对疲劳试验结果的影响　　　　从试验结果中可以看出，疲劳试样破坏形式为　　　　胶层破坏时，疲劳试样结果最好，更接近真实值。破　　坏形式为基材破坏和界面破坏的试验数据应剔除。　５结　论　　　（１）叶片用环氧结构胶的疲劳性能受到多方面　　　　　的影响，其中包括结构胶本体性能、胶层厚度、添加　　　增韧剂比例、试样的制备工艺、测试时试样受力是否　在一条直线上及试样破坏形式等因素；　—　　（２）测出的环氧结构胶ｓＮ曲线、极限疲劳，通　　　过拟合曲线上１０００万次时的振幅来进行试验，验证　　了其一致性；　（３）本研究所测试的环氧结构胶能达到叶片设　　　计要求，具有优异的疲劳性能；　　　（４）为了叶片结构设计和使用安全性，需要对　　　　环氧结构胶进行疲劳测试，叶片相关认证部门和设　　计部门应将结构胶疲劳性能纳入考虑范围中。　参考文献　　—　　　　　　［１］ＥＮＩＳＯ９６６４：１９９５，ＡｄｈｅｓｉｖｅｓＴｅｓｔｍｅｔｈｏｄｓｆｏｒｆａｔｉｇｕｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆ　　　　　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌａｄｈｅｓｉｖｅｓｉｎｔｅｎｓｉｌｅｓｈｅａｒ［Ｓ］．　　　　　　　　［２］ＡＳＴＭＥ７３９：２０１０，Ｓｔａｎｄａｒｄｐｒａｃｔｉｃｅｆｏｒｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓｏｆｌｉｎｅａｒ　　—　　　　　ｏｒｌｉｎｅａｒｉｚｅｄｓｔｒｅｓｓｌｉｆｅａｎｄｓｔｒａｉｎ－ｌｉｆｅｆａｔｉｇｕｅｄａｔａ［Ｓ］．　—　—　　　［３］ＩＳＯ１３００３：２００３，Ｆｉｂｒｅｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｐｌａｓｔｉｃｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎｏｆｆａｔｉｇｕｅ　　　　　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｕｎｄｅｒｃｙｃｌｉｃｌｏａｄｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ［Ｓ］．　　［４］ＧＢ／Ｔ１６７７９－２００８，纤维增强塑料层合板拉一拉疲劳性能试验方法　［ｓ］．　　　　　　　［５］ＧＢ／Ｔ７１２４．２００８，胶粘剂拉伸剪切强度的测定（刚性材料对刚　　性材料）［ｓ］．　　［６］ＧＢ／Ｔ１４４６－２００５，纤维增强塑料性能试验方法总则［ｓ］．　　　　　　　　　［７］孙玉敏，段跃新，等．风机叶片ＲＴＭ工艺模型分析及优化［Ｊ］．　　　复合材料学报，２００５，２２（４）：２３－２９．　　［８］夏建陵，万厉，等．风力发电机叶片用环氧树脂胶粘剂的研究　　［Ｊ］．热固性树脂，２００８，２３（８）：９一ｌ１．　［９］罗益锋．世界风能及叶片材料发展概况与趋势［Ｊ］．高科技纤维　　与应用，２００３，２８（５）：１－７．　　　　　　　　　　［１０］王熙，等．环氧树脂增韧改性的研究进展［Ｊ］．粘结，２０００，１０　（５）：６２－６７．　［１１］袁莉，等．环氧树脂的共混增韧改性研究［Ｊ］．高分子通报，—　２００３，１２（６）：８１２．　　　　　　　［１２］山西省化工研究所．聚氨酯弹性体手册［Ｍ］．北京：化工学工　　—　业出版社，２００１：７７１０３．　　　　　　　［１３］许愿，等．新型ＭＷ级风力发电机组风轮叶片用环氧结构胶粘　　　—　剂［Ｊ］．化工新型材料，２０１２，４０（６）：１４３１４４．　　　［１４］许愿，等．风力发电机组风轮叶片用环氧结构胶疲劳性能研究　　［Ｊ］．风能，２０１２（５）：７０－７２．　［１５］王天堂，等．环氧乙烯基树脂在风电行业应用的可行性探讨　　［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２０１１，２２１（６）：６７－７２．　　　　　　［１６］郑澎，等．风电叶片用环氧树脂固化动力学特性及力学性能的　　　研究［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２０１１，２１７（２）：８－１１．　　　　　［１７＿］萨吴量，等．风电叶片疲劳试验振动分析与研究［Ｊ］．玻璃钢／　　复合材料，２０１３（２）：５７－５９．　　　　’　’’’　　　　’　　１ＶＥＳＴｌＧＡＴＩｏｏ～ＩＨＥ量ＡＩＩＧＵＥＰＲ０ＩＥＲＴＹ０～ＩＨＥＥＰ０ＸＹ　　　　　　　　　ＳＴＲＵＣＴＵＲＥＡＤＨＥＳＩＶＥＵＳＥＤＦｏＲＷＩＮＤＰｏＷＥＲＢＬＡＤＥ　—ＰＥＮＧＸｉｎｇｃａｉ。，　—　　—　　—　ＺＨＡＮＧＬｉｐｉｎｇ，ＸＩＥＸｉａｎｇｆｕ，ＺＨＡＮＧＬｉｌｉ　　　　　　　　（１．ＢｅｉｊｉｎｇＦＲＰＲｅｓｅａｒｃｈａｎｄＤｅｓｉｇｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０２１０１，Ｃｈｉｎａ；　　　　　２．ＮａｎｊｉｎｇＨｉｔｅｃｈＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｎａｎｊｉｎｇ２１００１２，Ｃｈｉｎａ）　　　　　　　　　　　　　　　　　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓｓｔｕｄｙｇｉｖｅｏｕｔｔｈｅｆａｔｉｇｕｅｐｒｏｐｅｒｔｙｏｆｔｈｅｅｐｏｘｙｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｄｈｅｓｉｖｅｕｓｅｄｆｏｒｗｉｎｄｐｏｗｅｒｂｌａｄｅ．　　　　　　　　　　　　　　　　ＡｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏＩＳＯ９６６４：１９９５，ｔｈｅｔｅｎｓｉｌｅｓｈｅａｒｆａｔｉｇｕｅｃｈａｒａｃｔｅｒｗａｓｔｅｓｔｅｄｐｅｒｉｏｄｉｃｉｔｙｖｉｂｒａｔｉｏｎｗｉｔｈｔｈｅｐａｒａｍｅｔｅｒ　　　ｏｆ３０Ｈｚｆｒｅｑｕｅｎｃｙ，　　≤　＝０．３５ｒＲｍｅａｎｓｔｒｅｓｓ，２．０。≤　　　　　　　　　３．０ｓｔｒｅｓｓａｍｐｌｉｔｕｄｅ．Ｔｈｅｆａｔｉｇｕｅｓｔｒｅｓｓｌｉｍｉｔｗａｓｃａｌｃｕｌａｔ－　　　　　　　　　　　　　　　　　　ｅｄｆｒｏｍｔｈｅＳ－Ｎｃｕｒｖｅｓｏｂｔａｉｎｅｄｉｎｔｈｅａｂｏｖｅｔｅｓｔ．Ｉｎａｄｄｉｔｉｏｎ，ｗｅｓｔｉｌｌｓｔｕｄｉｅｄｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆｔｈｅａｄｈｅｓｉｖｅｌａｙｅｒ，ｐｒｏ－　　　　　　　　　　　　　　　　ｐｏｒｔｉｏｎｏｆｆｌｅｘｉｂｉｌｉｚｅｒ，ｂｒｏｋｅｎｐａｔｔｅｒｎｏｆｓａｍｐｌｅａｎｄｏｔｈｅｒｆａｃｔｏｒｓｔｈａｔｗｏｕｌｄａｆｆｅｃｔｔｈｅｆａｔｉｇｕｅｐｒｏｐｅｒｔｙ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　ｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅｆａｔｉｇｕｅｐｒｏｐｅｒｔｙｏｆｔｈｅｅｐｏｘｙａｄｈｅｓｉｖｅｉｓｖｅｒｙｉｍｐｏｒｔａｎｔｔｏｗｉｎｄｐｏｗｅｒｂｌａｄｅｇｄｅｓｉｇｎｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｎｄ　　ｓｅｒｖｉｃｅｌｉｆｅ．　　　　　　　　　　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｅｐｏｘｙｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｄｈｅｓｉｖｅ；ｆａｔｉｇｕｅｔｅｓｔｉｎｇ；ｆａｔｉｇｕｅｌｉｍｉｔ；Ｓ－Ｎｃｕｒｖｅ；ｆａｃｔｏｒｓｆａｔｉｇｕｅｔｅｓｔｉｎｇ。　　ｊ　｜　　　　　　　刃／Ｃ２Ｄｌ融；