林 濤，何 明，陶生金

（國電聯(lián)合動力技術(shù)（連云港）有限公司，江蘇連云港 222002）

0 引言

目前應(yīng)用較廣的先進(jìn)輕質(zhì)的復(fù)合材料，如玻纖/碳纖鋪層增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，因其相對其他材料具有更好的比強(qiáng)度和比模量，較好的抗腐蝕性和疲勞特性，特別是其層鋪特性決定了其有非常靈活的材料力學(xué)性能設(shè)計(jì)性。在風(fēng)電葉片領(lǐng)域，玻纖/碳纖鋪層增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料已經(jīng)成為葉片設(shè)計(jì)的主流［1］。

真空輔助樹脂傳遞模塑成型（Vacuum Assisted Resin Transfer Molding，VARTM）工藝作為一種典型的低成本熱固性樹脂流體成型工藝已廣泛應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組復(fù)合材料葉片的制備［2］。VARTM工藝具有其他傳統(tǒng)工藝無法比擬的優(yōu)點(diǎn)：它能夠用來制造超大型整體復(fù)合材料的單一部件，部件整體質(zhì)量均一，質(zhì)量控制好，成型時間短，設(shè)備要求低，成本低，VOC排放等污染少［3-5］。葉片制造的大型化和高成型質(zhì)量、高生產(chǎn)效率要求非常適合采用VARTM工藝進(jìn)行生產(chǎn)［6］。

VARTM工藝的一般實(shí)現(xiàn)方式為：首先，在葉片模具上鋪設(shè)增強(qiáng)材料（包括纖維增強(qiáng)材料玻璃纖維、碳纖維或混編纖維、BALSA芯材、PVC或PET芯材等），其次，鋪設(shè)布置導(dǎo)流系統(tǒng)和抽氣系統(tǒng)，再次用真空袋膜整體封閉再抽真空，最后將液態(tài)樹脂體系從主導(dǎo)流管路導(dǎo)入，由真空形成的負(fù)壓動力將流體樹脂引入最終到達(dá)抽氣系統(tǒng)側(cè)，完成樹脂對增強(qiáng)材料的完全浸潤并固化成型［7］。這種成型法是對樹脂傳遞模塑成型（Resin Transfer Molding，RTM）法的一種低成本簡化。為提高樹脂在增強(qiáng)材料中的擴(kuò)散和浸潤效果，在增強(qiáng)材料和導(dǎo)流網(wǎng)之間會布置吸膠氈、表面氈、脫模布和隔離膜。

本文結(jié)合多年風(fēng)機(jī)葉片導(dǎo)流的經(jīng)驗(yàn)，通過使用不同導(dǎo)流網(wǎng)密度、不同玻纖布型號、不同玻纖布尺寸、不同玻纖布鋪層厚度等研究其對VARTM工藝導(dǎo)流時間的影響，同時測量對應(yīng)的含膠量，對比分析復(fù)合材料含膠量的影響因素。

1 試驗(yàn)內(nèi)容

1.1 試驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所用樹脂為Hexion環(huán)氧樹脂（RIMR035C），固化劑為RIMH037；質(zhì)量配比100∶28；25℃下混合初始黏度為250 MPa·s。

實(shí)驗(yàn)所用導(dǎo)流網(wǎng)面密度分別為250 g/m2，160 g/m2，100 g/m2。

纖維布原紗均為CPIC無堿玻纖E系列產(chǎn)品，玻纖布型號：單向布，雙軸布，三軸布；纖維布面密度均為1 200 g/m2。

1.2 試驗(yàn)方案

本文在自制模具上，采用典型的VARTM工藝布局進(jìn)行導(dǎo)流實(shí)驗(yàn)，布局如圖1所示。

圖1 VARTM工藝實(shí)驗(yàn)布局

為保證導(dǎo)流實(shí)驗(yàn)的可對比性，本文研究變量之外的參數(shù)均保持一致，即所用的主導(dǎo)流管路型號尺寸、真空袋膜、抽氣系統(tǒng)恒定相對真空度為980 mbar、環(huán)境溫度24℃、環(huán)境相對濕度60%、模具預(yù)熱溫度24℃、導(dǎo)流結(jié)束后固化程序?yàn)?0℃恒溫6 h。本文采用熱失重法測量復(fù)合材料含膠量。

2 結(jié)果與討論

2.1 導(dǎo)流網(wǎng)密度的影響

采用不同導(dǎo)流網(wǎng)對單向玻纖布進(jìn)行對比導(dǎo)流實(shí)驗(yàn)，測試導(dǎo)流時間結(jié)果如表1所示。

表1 單向布不同導(dǎo)流網(wǎng)的導(dǎo)流時間

從表1中可以看出，在僅變動導(dǎo)流網(wǎng)密度的情況下，導(dǎo)流時間隨著導(dǎo)流網(wǎng)密度的增加明顯縮短，這種情況在導(dǎo)流網(wǎng)密度較小的情況下變化更明顯，后續(xù)實(shí)驗(yàn)均選用250 g/m2的導(dǎo)流網(wǎng)。

2.2 玻纖布尺寸的影響

采用不同尺寸的三軸玻纖布進(jìn)行對比導(dǎo)流實(shí)驗(yàn)，此處導(dǎo)流網(wǎng)設(shè)定為距玻纖布邊緣的距離保持不變，測試導(dǎo)流時間結(jié)果如表2所示。

表2 三軸布不同尺寸導(dǎo)流時間

從表2中可以看出，在僅變動玻纖布尺寸的情況下，導(dǎo)流時間隨著玻纖布尺寸的增加明顯增加，這種情況在玻纖布尺寸較大的情況下增加更明顯，說明在一定的導(dǎo)流條件下，隨著導(dǎo)流尺寸的持續(xù)增加，當(dāng)導(dǎo)流時間大于環(huán)氧樹脂體系的可操作時間時，就是其導(dǎo)流的極限。

2.3 玻纖布型號、層數(shù)的影響

對單向布、雙軸布和三軸布3種型號玻纖布的不同層數(shù)進(jìn)行對比導(dǎo)流實(shí)驗(yàn)，測試導(dǎo)流時間結(jié)果如表3—5所示。

從表中可以看出，在僅變動玻纖布層數(shù)的情況下，3種玻纖布的導(dǎo)流時間隨著玻纖布層數(shù)的增加均明顯增大，這種情況在玻纖布層數(shù)較多的情況下增加更明顯。對比不同類型玻纖布的導(dǎo)流時間，即便玻纖原紗相同，因?yàn)榫幙椃绞郊袄w維束方向的差異，其導(dǎo)流時間也有一定的差異?？傮w來看，環(huán)氧樹脂體系的導(dǎo)流性，單向布好于三軸布，三軸布好于雙軸布。但這種差異只有在層數(shù)較多的時候才有一定程度的反映，變化較小，實(shí)際葉片生產(chǎn)導(dǎo)流過程中感受不明顯。

表3 單向布不同層數(shù)導(dǎo)流時間

表4 雙軸布不同層數(shù)導(dǎo)流時間

表5 三軸布不同層數(shù)導(dǎo)流時間

2.4 含膠量的影響因素

對單向布不同層數(shù)、不同區(qū)域的含膠量進(jìn)行了測試，測得含膠量數(shù)據(jù)如表6所示。

從表中可以看出，在單向布層數(shù)增加的情況下，同一區(qū)域的含膠量有輕微的減小，這種含膠量減小的情況在其他類型玻纖布中也有發(fā)現(xiàn)。另外，含膠量在不同導(dǎo)流區(qū)域也有細(xì)微的變化，總體趨勢為靠近主導(dǎo)流管路的含膠量較高，靠近抽氣側(cè)的含膠量較低，樹脂從主導(dǎo)流管路一側(cè)流向抽氣一側(cè)，兩側(cè)有一定的含膠量差異這種現(xiàn)象很好理解。對比測試3種玻纖布20層的含膠量，測得含膠量數(shù)據(jù)如表7所示。

主導(dǎo)流管路的含膠量較高的弦向在3種玻纖布中均有發(fā)現(xiàn)。對比不同類型玻纖布相同區(qū)域含膠量，三軸布最高，單向布其次，雙軸布最低。這種現(xiàn)象表明，三軸布的多層結(jié)構(gòu)孔隙率最高，其導(dǎo)流性能在3種玻纖布中最好也能說明這一點(diǎn)。

表6 單向布含膠量

表7 3種玻纖布含膠量

3 結(jié)論

3.1 導(dǎo)流的影響及優(yōu)化方向

VARTM工藝的導(dǎo)流時間隨導(dǎo)流網(wǎng)密度減小、玻纖布尺寸增加、玻纖布層數(shù)增加而增加。因受到環(huán)氧樹脂體系可操作時間的限制，再加上葉型設(shè)計(jì)時，對應(yīng)的纖維布尺寸和層數(shù)是確定的，葉片導(dǎo)流設(shè)計(jì)可以從以下幾個方面入手優(yōu)化。

（1）針對不同區(qū)域選擇合適的導(dǎo)流網(wǎng)密度。

（2）纖維布層數(shù)較多的區(qū)域，可以通過增加導(dǎo)流網(wǎng)密度或?qū)訑?shù)、縮短主導(dǎo)流管路之間的距離來縮短導(dǎo)流時間。

（3）針對纖維布層數(shù)非常多的區(qū)域，還可以通過在纖維布層間鋪設(shè)導(dǎo)流連續(xù)氈來縮短導(dǎo)流時間，其結(jié)果相當(dāng)于減少了玻纖布的層數(shù)。

3.2 含膠量的特征

（1）含膠量在靠近主導(dǎo)流管路附近，含膠量較遠(yuǎn)端，特別是抽氣端含膠量偏高。

（2）不同玻纖厚度相同區(qū)域的樹脂含膠量有輕微的變化，變化的趨勢為層數(shù)越厚，對應(yīng)的含膠量越小。