王順吉，王艷麗，李文斌，顧育慧，李軍向

( 明陽智慧能源集團(tuán)股份公司，天津 300300)

1 前言

PET 泡沫，主要成分是聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（Polyethylene terephthalate），俗稱滌綸樹脂。聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（滌綸樹脂）主要用于制造合成纖維、薄膜、瓶子，在工程塑料及其他領(lǐng)域也有應(yīng)用[1]。當(dāng)對(duì)其采用發(fā)泡供以后形成的PET 泡沫材質(zhì)相對(duì)較脆，但其具有良好的耐熱性、力學(xué)強(qiáng)度。PET 泡沫可以回收利用，因此具有良好的環(huán)保性能。

PET 泡沫芯材具有良好的剪切性能，因此常用于殼體結(jié)構(gòu)中的抗剪切填充物。PET 原材料成本較一般的芯材泡沫材料低，但采用PET 泡沫作為芯材的夾層結(jié)構(gòu)材料通常需要采用樹脂等粘合劑進(jìn)行粘結(jié)，但由于PET 泡沫泡孔尺寸通常較大 ，因此樹脂吸收率通常較高，因此其成本、重量相對(duì)較高，從而限制了其應(yīng)用。但學(xué)術(shù)界出現(xiàn)了新型的發(fā)泡技術(shù)，以AIREX?T92.80 SealX 為代表的一批新型PET 泡沫芯材通過控制泡孔尺寸及泡孔破損比例可以大幅降低PET 泡沫芯材的樹脂吸收率，因此PET 泡沫芯材的應(yīng)用范圍已被大幅拓展。近年來，在風(fēng)火同價(jià)的大背景下，降低度電成本、風(fēng)機(jī)大型化已成為行業(yè)趨勢。葉片作為風(fēng)機(jī)的主要零部件，必然要求長度更長，掃風(fēng)面積更大，但重量也會(huì)隨之變大，風(fēng)機(jī)葉片輕量化已成為風(fēng)電葉片行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。風(fēng)電葉片的主體結(jié)構(gòu)是環(huán)氧樹脂增強(qiáng)玻璃纖維，結(jié)合芯材增加剛度，通常采用真空灌注工藝制造。降低葉片重量的方式有多重，如合理選材、優(yōu)化結(jié)構(gòu)，降低材料的吸膠量等。風(fēng)電葉片的主題結(jié)構(gòu)是環(huán)氧樹脂增強(qiáng)玻璃纖維，結(jié)合夾芯材料增加剛度，通常采用真空輔助灌注工藝成型。

目前常用的夾芯材料主要是PVC 和Balsa 輕木，其中Balsa 輕木主要用于葉根位置, 輕木又叫巴沙木，Balsa 輕木的孔隙數(shù)量多且尺寸大。輕木烘干后只有水密度的十分之一，它是世界上密度最小的木材。目前，全球近95% 的輕木都來源于南美洲，目前全球風(fēng)電產(chǎn)業(yè)扶搖直上的騰飛，導(dǎo)致輕木供不應(yīng)求，出現(xiàn)了洛陽紙貴的現(xiàn)象。雪上加霜的是，全球蔓延的疫情使南美輕木交易更加混亂，進(jìn)一步導(dǎo)致部分廠家嚴(yán)重缺貨，目前葉片制造商已覺察到輕木供給的不確定性，并積極尋找可替代的材料，為將來PET 泡沫取代Balsa 輕木提供技術(shù)依據(jù)。在實(shí)驗(yàn)中，利用真空灌注成型工藝制備了含不同表面開槽方式的復(fù)合材料泡沫夾芯材料，測定不同開槽方式樣品的性能，確定不同開槽方式樣品拉伸、壓縮、剪切性能的區(qū)別，并且對(duì)比了Balsa輕木和PET 泡沫性能的區(qū)別，為葉片設(shè)計(jì)工作提供參考。兩種加工方式的示意圖如圖1，圖2 所示。

圖1 斜切縫加打孔

圖2 正交切縫加打孔

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 樣品制備

2.1.1 實(shí)驗(yàn)用主要材料與設(shè)備工具

實(shí)驗(yàn)用夾芯材料：

2 塊規(guī)格500 mm×500 mm×25 mm 的PET 正交切縫加打孔板材（100 kg/m3），1 塊規(guī)格500 mm×500 mm×50 mm 的PET 正交切縫加打孔板材（100 kg/m3）；

3 塊規(guī)格500 mm×500 mm×25 mm 的PET 斜開槽加打孔板材（100 kg/m3），1 塊規(guī)格500 mm×500 mm×50 mm 的PET 斜 開 槽 加 打 孔 板 材（100 kg/m3）；

2 塊規(guī)格500 mm×500 mm×25 mm 的巴沙木板材（100 kg/m3），1 塊規(guī)格500 mm×500 mm×50 mm 的巴沙木板材（100 kg/m3）；

環(huán)氧樹脂50 Kg ；

實(shí)驗(yàn)設(shè)備輔材等：脫模劑、脫模布、真空袋、導(dǎo)流網(wǎng)、VAP 膜、密封膠條、噴灌注臺(tái)（可以控制溫度）、真空泵（帶有真空罐和真空表）、剪刀、鋼板尺、裁布工裝、記號(hào)筆、美紋紙等。

2.1.2 實(shí)驗(yàn)測試標(biāo)準(zhǔn)

壓縮強(qiáng)度及模量：ISO844

剪切強(qiáng)度及模量：ISO1922

拉伸強(qiáng)度及模量：ASTMC297/C297M-16

2.1.3 樣品制備工藝

（1）準(zhǔn)備模具- 分成兩個(gè)步驟，首先用鏟子等工具清理模具表面雜物，保證模具表面清潔；然后，再用布在模具上均勻的涂上一層脫模劑，以便灌注完成后能夠順利的脫模。

（2）材料鋪放以及封裝：分別裁剪真空袋、導(dǎo)流網(wǎng)、導(dǎo)流管等，先鋪設(shè)一塊脫模布，然后在脫模布上面依次鋪設(shè)芯材、脫模布、導(dǎo)流網(wǎng)、真空管等材料，鋪設(shè)完畢后，將密封膠帶距離芯材周圍4~5 cm 處環(huán)繞四周密封在模具上面，再用真空袋將整體封裝。

（3）抽真空及漏氣查找：連接進(jìn)膠管和真空泵，打開真空泵，辦證真空泵上真空表的讀數(shù)達(dá)到-0.1 MPa，并保持3~4 min，讀數(shù)仍未變化，則證明未漏氣，如果真空表的讀數(shù)迅速下降的話，則證明有漏氣，需要對(duì)漏氣原因進(jìn)行查找，保證沒有漏氣現(xiàn)象。

（4）配樹脂：將樹脂以100:30 的比例進(jìn)行混合，并攪拌均勻。

（5）導(dǎo)入樹脂以及固化：將抽樹脂管和樹脂桶連接導(dǎo)入樹脂，灌注完成后，升高溫度按照固化工藝進(jìn)行固化。在固化完成后再進(jìn)行脫模修邊。

（6）樣品切割：使用切割機(jī)對(duì)樣品進(jìn)行切割，樣品尺寸如下：

a. 壓縮樣品按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的尺寸進(jìn)行切割，長50 mm× 寬50 mm× 厚50 mm，樣品的1 方向是垂直于拼接縫的方向，2 方向是沿著拼接縫的方向，3 方向?yàn)榕菽暮穸确较?，如圖3 所示。

圖3 樣品示意圖

b. 拉伸樣品按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的尺寸進(jìn)行切割，長50 mm× 寬50 mm× 厚50 mm

c. 剪切樣品按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的尺寸進(jìn)行切割，長250 mm× 寬50 mm× 厚25 mm，測試方向如圖4 所示。

圖4 剪切樣品方向示意圖

（7）吸膠量樣品制備：

a. 稱量芯材灌注前的重量m0，單位kg，量取芯材灌注前的尺寸長度L、寬度W、厚度H，單位，mm

b.采用雙軸布，芯材上下各3 層，尺寸略小于芯材，并有一個(gè)空白實(shí)驗(yàn)（直接鋪設(shè)6 層玻纖）

c. 真空灌注完成后稱量空白玻纖+ 樹脂層合板的重量m1

d. 稱量芯材+ 樹脂+ 玻纖板材的重量m2

e. 計(jì)算吸膠量R

2.2 測試過程

2.2.1 壓縮測試

壓縮測試如圖5。

圖5 壓縮測試

（1）試樣狀態(tài)調(diào)節(jié)：應(yīng)在溫濕度為（23±2）℃，（50±10）% 的環(huán)境中調(diào)節(jié)至少24 h。

（3）預(yù)應(yīng)力：試樣在試驗(yàn)前應(yīng)收到一定的預(yù)應(yīng)力，不應(yīng)大于試樣破壞載荷的5%。

（4）試驗(yàn)速度：試驗(yàn)速度為5 mm/min。

（5）試樣數(shù)量：如果沒有特殊要求，測試一般為6 個(gè)有效數(shù)據(jù)。

（6）當(dāng)應(yīng)變大于10% 或者試樣屈服時(shí)，停止試驗(yàn)。

2.2.2 拉伸測試

拉伸測試如圖6。

圖6 拉伸測試

（1）試樣狀態(tài)調(diào)節(jié)：作為試驗(yàn)的一部分，除非規(guī)定了不同的環(huán)境條件，否則應(yīng)按試驗(yàn)方法D5220/D 5229M 中的方法C 對(duì)試樣進(jìn)行狀態(tài)調(diào)節(jié)，并在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)室大氣環(huán)境（23±3）℃和（50±10）% 中儲(chǔ)存和實(shí)驗(yàn)。

（2）試樣粘接：應(yīng)使用合適的膠黏劑，將加載塊與試樣的夾芯或面板進(jìn)行粘接。為了降低熱暴露對(duì)夾芯- 面板膠接的影響，推薦在室溫下、或者比夾層結(jié)構(gòu)的膠接溫度至少低28 ℃的條件下進(jìn)行組合件的膠接。同樣，組合件的膠接壓力不應(yīng)大于最初的面板-夾芯膠接壓力。粘接后進(jìn)行固化調(diào)節(jié)。

（3）試樣安裝：將試樣加載塊組件放入試驗(yàn)機(jī)的實(shí)驗(yàn)夾具中。

（4）加載：以特定的加載速率對(duì)試樣施加拉伸載荷，同時(shí)記錄數(shù)據(jù)，直到試樣發(fā)生破壞。

2.2.3 剪切測試

剪切測試如圖7。

圖7 剪切測試

（1）試樣狀態(tài)調(diào)節(jié)：應(yīng)在（23±2)℃，(50±10)%的溫濕度下調(diào)節(jié)至少16 h。

（2）樣品制備：樣品的切割采用切割機(jī)進(jìn)行切割，平行度采用激光對(duì)線的方式進(jìn)行控制。

（3）試樣粘接：使用砂紙將剪切夾具所用的粘接面進(jìn)行打磨處理，再將螺絲孔用膠帶進(jìn)行粘貼，防止螺絲孔進(jìn)膠影響后期工裝使用，打磨完后再用酒精對(duì)夾具表面進(jìn)行清潔處理，再將粘合劑涂抹到需要粘接的夾具和樣品表面，進(jìn)行粘接，粘接后用夾子進(jìn)行固定防止夾具變動(dòng)位置，按照要求對(duì)樣品進(jìn)行固化處理，固化后冷卻進(jìn)行測試。

（5）試驗(yàn)速度：1 mm/min

（6）安裝千分表：將兩個(gè)千分表安裝在夾具上，開始試驗(yàn)。

（7）當(dāng)試樣的剪切強(qiáng)度下降至最大剪切強(qiáng)度的90% 時(shí)停止實(shí)驗(yàn)。

3 數(shù)據(jù)匯總

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總見表1、表2、表3。

表1 吸膠量對(duì)比

表2 壓縮測試數(shù)據(jù)匯總

表3 剪切測試數(shù)據(jù)比對(duì)

4 結(jié)果分析

從表1 可知，正交開槽加打孔方式比斜開槽加打孔方式吸膠量大22% 左右，因?yàn)樵谇锌p的寬度相同的情況下，同樣面積為500 mm×500 mm 的兩塊板材，正交切縫的切縫總長度為16 701.44 mm，而斜切縫的切縫總長度為16 000 mm，因?yàn)榇蚩追绞揭恢?，所以孔的吸膠量兩者是一致的，所以正交開槽這種方式吸膠量更大。

由表2 可知，兩者相對(duì)比，正交開槽加打孔的壓縮性能更高一些，模量基本相同，正交開槽加打孔的強(qiáng)度要比斜開槽加打孔的強(qiáng)度大17% 左右，分析原因是正交開槽是垂直分布的，這樣在壓縮的時(shí)候，槽里面的樹脂承受力的情況更好，斜開槽由于槽的方向是傾斜的，所以受到壓縮力的時(shí)候，沒有正交開槽承受的力大。輕木的1 方向壓縮和3 方向壓縮比兩種開槽方式的PET 性能要高。

由表3 可知，兩者之間的剪切性能對(duì)比，斜開槽加打孔的13 方向剪切強(qiáng)度為1.07，模量為61.34，正交開槽加打孔13 方向剪切強(qiáng)度為0.92，模量為57.61，斜開槽加打孔的剪切強(qiáng)度大于正交開槽加打孔，分析原因?yàn)樾遍_槽加打孔試樣的樹脂與測試夾具的接觸面積更大，所以在收到剪切力的時(shí)候能承受較大的力。兩種開槽方式在12 面的剪切強(qiáng)度和剪切模量相差不大。Balsa 木的12 面剪切強(qiáng)度和PET 差不多，模量要比PET 大40%，13 面剪切強(qiáng)度和剪切模量均比PET 大50% 左右。

4 結(jié)論

芯材的表面處理是根據(jù)芯材的工藝或者力學(xué)性能的要求，在芯材表面沿一定方向切割出所需的尺寸和分布方式的切縫或者孔，形成了具有不同表面幾何參數(shù)的泡沫芯材，芯材經(jīng)表面處理產(chǎn)生的切縫或者孔不僅在夾芯結(jié)構(gòu)成型中為樹脂起到導(dǎo)流作用，使樹脂能夠快速的浸潤，而且也能在一定程度上提高泡沫芯材的力學(xué)性能和面板與芯材界面的性能，從而提高了整體芯材結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。通過上述實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)可知，芯材開槽方式對(duì)于材料的性能有一定的影響，可以得出如下的結(jié)論：

（1）斜開槽加打孔的芯材的吸膠量大于正交開槽加打孔的芯材，同時(shí)都小于Balsa 木的吸膠量，因?yàn)槲z量會(huì)影響到生產(chǎn)成本等問題，所以這個(gè)指標(biāo)對(duì)于葉片生產(chǎn)設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。

（2）正交開槽加打孔的芯材拉伸性能和壓縮性能要優(yōu)于斜開槽加打孔的芯材。

（3）斜開槽加打孔芯材的剪切性能好于斜開槽加打孔的芯材。

（4）在實(shí)際生產(chǎn)中，芯材有多重開槽打孔等表面處理方式，本文的研究成果對(duì)比了斜開槽加打孔、正交開槽加打孔、Balsa 木力學(xué)性能的區(qū)別，為葉片設(shè)計(jì)選擇芯材的提供了技術(shù)參考。

（5）Balsa 木 的 價(jià) 格 在16 000 元/m3左 右，而PET 的價(jià)格在6 000 元/m3，在考慮生產(chǎn)成本的情況下，兩種材料的性能滿足生產(chǎn)技術(shù)要求，選擇PET 作為替代Balsa 木比較合適。