引 言

　　中小型風(fēng)電葉片是應(yīng)用于中小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)上的關(guān)鍵核心部件之一。目前的制作方法主要是采用玻璃鋼手糊工藝生產(chǎn)，但玻璃鋼材料制造工藝生產(chǎn)效率低、成本高，不適合未來大批量生產(chǎn)。采用長纖維熱塑性復(fù)合材料注塑生產(chǎn)的風(fēng)輪葉片，無論從理論分析還是從實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，都表明可替代玻璃鋼的可行性，發(fā)展前景十分廣泛。

　　1. 現(xiàn)有工藝及其存在的問題

　　目前國內(nèi)小型風(fēng)電行業(yè)所使用的風(fēng)電葉片主要采用手糊成型工藝加工。

　　1.1 手糊成型工藝簡介

　　手糊成型工藝又稱接觸成型工藝。即手工作業(yè)把玻璃纖維織物和樹脂交替鋪在模具上，然后固化成型為玻璃鋼制品的工藝。

　　手糊成型工藝流程圖如圖1 所示。

  1.2 手糊成型工藝的優(yōu)點(diǎn)

　　· 是復(fù)合材料成型最基本的方法，或者說是一種萬能”方法。能夠成型任意形狀、任意大小的制品；
　　· 操作簡便，操作者容易培訓(xùn)；
　　· 設(shè)備簡單、投資少；
　　· 一般情況下不需要加壓操作，工藝最為簡單
　　· 所用模具材料來源廣，制造相對簡單。

　　 1.3 手糊成型工藝的不足

　　· 勞動強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低、速度慢、
　　 生產(chǎn)周期長（2h 以上）；
　　· 產(chǎn)品質(zhì)量受操作人員技能水平及制作環(huán)境條件的影響，故產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性差；
　　· 制品的力學(xué)性能較其它方法低；
　　· 不夠“綠色、環(huán)保”，有一定污染
　　總之，手糊成型技術(shù)依賴于操作者的技能水平，所以，制品質(zhì)量不易保證和控制。此外，手糊成型技術(shù)生產(chǎn)效率低、生產(chǎn)周期長，產(chǎn)品的力學(xué)性能也較其他成型方法的產(chǎn)品低。

2. 現(xiàn)有生產(chǎn)方式替代玻璃鋼材料的可行性分析

　　2.1 材料性能可行性

　　LFT 是長纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料（Long Fiber Reinforced Thermoplastics）的英文簡稱，是一種以熱塑性樹脂（如聚丙烯、尼龍、聚酯等）為基體，以長纖維（玻璃纖維、麻纖維、碳纖維和芳綸纖維）為增強(qiáng)材料的復(fù)合材料。它具有重量輕、強(qiáng)度高、低溫抗沖擊韌性強(qiáng)、耐腐蝕、成型加工性能優(yōu)良、可設(shè)計(jì)性好、可重復(fù)回收利用、綠色環(huán)保等卓越性能。比玻璃鋼材料具有更加優(yōu)良的特性。

　　由表1 對比可知，長纖維復(fù)合材料有不輸于熱固性材料的優(yōu)良性能，配合相應(yīng)的設(shè)計(jì)技巧及方法，一定可以作為替代現(xiàn)有小型風(fēng)電葉片的生產(chǎn)材料。

2.2 工藝可行性

　　長纖維熱塑性復(fù)合材料多采用注塑成型加工工藝，即將受熱融化的材料由高壓射入模腔，經(jīng)冷卻固化后，得到成形品的方法。

      該方法適用于形狀復(fù)雜部件的批量生產(chǎn)，是重要的加工方法之一。

　　注射成型過程大致可分為以下6 個(gè)階段：合模、射膠、保壓、冷卻、開模、制品取出。上述工藝反復(fù)進(jìn)行，就可批量周期性生產(chǎn)出制品，過程如圖2 所示。

現(xiàn)以南車二七車輛有限公司所生產(chǎn)的某型號風(fēng)電葉片（以下稱為A 型葉片）為例，對葉片進(jìn)行模流分析，其各項(xiàng)數(shù)據(jù)云圖如圖3 所示。

　　根據(jù)以上有限元分析結(jié)果可知，使用長纖維熱塑性復(fù)合材料注塑成型小型風(fēng)電葉片各項(xiàng)參數(shù)較為理想，不存在欠注、氣穴等缺陷，且結(jié)構(gòu)相對簡單，有利于纖維的縱向排布，能夠保證產(chǎn)品的可靠性、一致性以及力學(xué)要求。

　　2.3 經(jīng)濟(jì)可行性

　　注塑成型工藝模具費(fèi)用采用優(yōu)質(zhì)模具鋼加工制造，而手糊成型工藝模具多采用木質(zhì)模，故注塑成型模具成本要比手糊成型工藝高出一些。但是注塑成型自動化程度較高、成型時(shí)間短，而手糊工藝成型時(shí)間長、人工成本高，故隨著生產(chǎn)量的增加，注塑成型的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢會越來越明顯，制造成本大幅減少。

　　注塑成型與手糊工藝成本對比結(jié)果如表2 所示。

2.4 國外情況

　　目前，各大集團(tuán)公司都在致力于研究可回收利用的熱塑性葉片的開發(fā)。Gaoth TecTeo 與三菱重工以及Cyclics 公司簽署了一份合作協(xié)議，共同為全球大規(guī)模風(fēng)場開發(fā)熱塑性復(fù)合材料風(fēng)電葉片，制作了全球首個(gè)12.6米可循環(huán)風(fēng)力機(jī)葉片，此葉片退役后，平均每套風(fēng)力機(jī)可回收19 噸葉片塑料材料，在風(fēng)電工業(yè)上堪稱史無前列。雖然熱塑性樹脂較熱固性樹脂輕，它易于發(fā)生蠕變，且用膠粘劑膠接熱塑性樹脂基復(fù)合材料殼體較困難，因此，目前不適用于大型風(fēng)力機(jī)葉片的開發(fā)。

　　綜上所述，長纖維熱塑性復(fù)合材料無論是在理論分析還是從國外的成功經(jīng)驗(yàn)都證明了其可應(yīng)用于小型風(fēng)力機(jī)的批量化生產(chǎn)。

　　3. 成功案例

　　上文所提到的A 型葉片目前已由南車二七車輛有限公司試制成功，并已進(jìn)入量產(chǎn)階段，實(shí)際生產(chǎn)過程每個(gè)葉片所需生產(chǎn)時(shí)間為：3.5min/ 片，生產(chǎn)效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它生產(chǎn)工藝。注塑加工成型的A 型葉片實(shí)物圖如圖4 所示。

 在A 型葉片成品試制成功之后，該公司對其內(nèi)部結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能、產(chǎn)品質(zhì)量等進(jìn)行了相關(guān)測試，測試結(jié)果如下：

        3.1 燒結(jié)實(shí)驗(yàn)。

        對樣品進(jìn)行纖維高溫?zé)Y(jié)，其纖維保留長度結(jié)果如下圖5 所示

經(jīng)過馬弗爐燒結(jié)之后檢測其內(nèi)部纖維長度發(fā)現(xiàn)，纖維長度基本都在( ＞ 3.4 ～ 5.8mm)。

　　3.2 電鏡實(shí)驗(yàn)

       將制品截?cái)?，截面處電鏡照片如圖6 所示。

對A 型葉片成品斷裂部位經(jīng)過電鏡掃描觀察，其纖維和樹脂之間的包覆情況非常緊密，沒有出現(xiàn)纖維拖出現(xiàn)象。

　　3.3 力學(xué)性能。

       對制品進(jìn)行掛重實(shí)驗(yàn)，將葉片根部固定于實(shí)驗(yàn)臺車臂上，最大靜載荷砝碼測試值選為300kg 時(shí)，勻速上升至1.8m高度后，葉片的根端部(90cm 端處) 逐漸開始出現(xiàn)斷裂紋發(fā)生與增大擴(kuò)展，直至最終斷裂，此時(shí)葉片疲勞斷裂強(qiáng)度認(rèn)為己經(jīng)達(dá)到最大極限值。實(shí)驗(yàn)過程如圖7 所示。

　　3.4 重量控制。

        通過合理設(shè)計(jì)注塑工藝參數(shù)，可以注塑生產(chǎn)出合格的熱塑性復(fù)合材料葉片產(chǎn)品，每個(gè)葉片重量為3780g，公差為±15g，完全達(dá)到葉片設(shè)計(jì)的疲勞斷裂強(qiáng)度要求。

　　3.5 噪聲。注塑產(chǎn)品表面質(zhì)量較手糊工

　　藝更優(yōu)良，各葉片一致性、穩(wěn)定性大幅提高，葉片氣動外形與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)偏差小。故相比手糊成型葉片，注塑成型葉片噪聲大幅度降低，A 型葉片目前測量結(jié)果為35dB 以下。

　　總之，根據(jù)上述測試結(jié)果，在注塑加工成型后，長玻纖增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料(PPLGF40)制品中的長纖維(LGF) 的最小保留長度會較大( ＞ 3.4 ～ 5.8mm)，明顯大于其臨界尺寸Lo=1.083mm，并且在制件內(nèi)可以形成相互纏結(jié)纖維的三維空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。纖維(LGF) 增強(qiáng)效應(yīng)更加明顯，纖維拔出功更大，沖擊強(qiáng)度會更高。 纖維頭端部的應(yīng)力集中點(diǎn)也是裂紋引發(fā)點(diǎn)，容易造成應(yīng)力開裂，從而使抗沖擊韌性下降。由于長玻纖增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料葉片制品中的纖維最小保留長度(Lo) 較長，纖維頭端部數(shù)量則會顯著減少，應(yīng)力開裂減少，從而使剛性強(qiáng)度、抗沖擊韌性，以及載荷能量吸收同時(shí)得到顯著提高。

　　由此可見，長纖維熱塑性復(fù)合材料完全能夠滿足小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的使用要求，是實(shí)現(xiàn)替換手糊成型工藝的理想材料。

4. 結(jié)論和展望

　　用長玻纖增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料制備風(fēng)能復(fù)合材料葉片，具有更好的力學(xué)機(jī)械性能和成型加工性能，特別是密度低、高剛性、耐低溫抗沖擊性好、耐蠕變好，質(zhì)量控制可靠，產(chǎn)品綜合成本降低約30%，因而取代用手糊成型工藝加工的風(fēng)電葉片是風(fēng)電行業(yè)未來的發(fā)展方向。

　　這一成果為國內(nèi)實(shí)現(xiàn)小型風(fēng)能熱塑性復(fù)合材料葉片產(chǎn)品的高性能化、國產(chǎn)化奠定了重要基礎(chǔ)，具有十分重要科研意義和巨大經(jīng)濟(jì)價(jià)值，必將為我國風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)集成技術(shù)與小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)行業(yè)發(fā)展做出更大貢
獻(xiàn)