海上及陸上低風(fēng)速風(fēng)電的發(fā)展促使風(fēng)電葉片的長度和根部直徑急速增大，隨之而來的是超大型葉片根部灌注銀紋問題的產(chǎn)生。

研究表明葉片根部灌注的銀紋問題主要發(fā)生在樹脂灌注固化過程。本文通過研究調(diào)整葉片根部樹脂灌注固化產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，減緩葉片后固化過程的內(nèi)應(yīng)力釋放，有效地解決了大型風(fēng)電葉片根部的灌注銀紋問題。

1. 現(xiàn)狀及因素分析

1.1

葉片銀紋問題

銀紋，一般指在玻璃態(tài)聚合物或某些半結(jié)晶性聚合物及環(huán)氧樹脂中，由于應(yīng)力或環(huán)境因素的影響，在表面或內(nèi)部出現(xiàn)的微小而稠密的裂痕。這種微裂痕的截面能使光線全反射從而出現(xiàn)銀色閃光故而稱之為銀紋（Crazing）。

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，通常采用真空輔助灌注（VARI）工藝成型，容易因?yàn)楣に囈蛩爻霈F(xiàn)銀紋現(xiàn)象，如圖1所示。

圖1. 風(fēng)電葉片銀紋問題

1.2

葉片銀紋的發(fā)展趨勢

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，銀紋問題隨著葉片大型化的發(fā)展趨勢越來越明顯。從表1中可以看出在選取的5個(gè)序列的葉片中，銀紋問題主要出現(xiàn)在60m、70m、80m級別的葉片中，這些葉片的特點(diǎn)是根部節(jié)圓直徑（BCD）為2800mm~3600mm，所需要的灌注時(shí)間也比其他葉片長。

表1. 葉片類型與銀紋問題的關(guān)系

1.3

銀紋與葉片灌注固化工藝

葉片灌注銀紋通常出現(xiàn)的位置在根部，距離根部端面1.5m~2.5m區(qū)域，通常為葉片迎風(fēng)面及背風(fēng)面整個(gè)環(huán)向一圈，如圖1、圖2所示。

從葉片的鋪層結(jié)構(gòu)來看，銀紋問題發(fā)生區(qū)域并非在根部鋪層厚度達(dá)到150層的最厚區(qū)域（見圖2(a)A區(qū)），而是發(fā)生在厚度只有40層~60層的厚度過渡區(qū)域。

葉片灌注導(dǎo)流狀態(tài)一般為根部“L”型分區(qū)，“T”型管路（圖2(a)所示）灌注，A區(qū)使用環(huán)向管路注膠，而銀紋發(fā)生區(qū)域使用的徑向管路由于布置的差異，使兩個(gè)區(qū)域在灌注順序上有所不同。A區(qū)域?yàn)閮?yōu)先灌注完成的區(qū)域，而B區(qū)域中的銀紋發(fā)生區(qū)域則是灌注最后完成的區(qū)域。

圖2. 葉片銀紋位置與工藝設(shè)置的關(guān)系

從模具加熱的分區(qū)結(jié)構(gòu)（圖2(b)所示）來看，模具在1.5m位置進(jìn)行分區(qū)，根部區(qū)域?yàn)榄h(huán)向整體布置，尖部區(qū)域?yàn)榄h(huán)向多塊布置。在葉片根部灌注固化過程中，通常采用分塊控制灌注固化和后固化程序。

1.4

葉片銀紋問題原因分析

從銀紋產(chǎn)生的機(jī)理可知，銀紋問題是由于樹脂內(nèi)部存在細(xì)微裂紋引起的。

排除葉片制造過程中其他因素引起的位移及形變問題，葉片根部銀紋問題主要是由于灌注固化過程中的內(nèi)應(yīng)力釋放不完全，使樹脂和纖維之間產(chǎn)生脫粘或樹脂本身的微裂紋，在宏觀上表現(xiàn)出來的發(fā)白現(xiàn)象，如圖3所示，左側(cè)為正常情況的試樣，右側(cè)為存在銀紋問題的試樣。

圖3. 正常試樣和銀紋試樣對比圖

環(huán)氧樹脂固化過程是一個(gè)放熱過程，隨著固化行為的發(fā)生，固化產(chǎn)生的熱量堆積使樹脂溫度也隨之增加，當(dāng)熱量達(dá)到峰值時(shí)所測得的樹脂溫度稱為放熱峰溫度，而樹脂固化到達(dá)放熱峰的時(shí)間一般用來衡量固化反應(yīng)的程度。

風(fēng)電葉片用環(huán)氧樹脂的凝膠時(shí)間都較長，通常30℃時(shí)放熱峰的時(shí)間為200min~400min。研究表明，環(huán)氧樹脂固化的基礎(chǔ)溫度升高10℃，放熱峰時(shí)間約減少一半。

結(jié)合葉片銀紋問題的位置、形態(tài)、發(fā)生時(shí)機(jī)和灌注工藝、固化工藝等方面的情況，可以認(rèn)為由于葉片根部尺寸較大，灌注時(shí)間較長，銀紋發(fā)生在最先完成灌注與最后完成灌注之間的區(qū)域，這兩個(gè)區(qū)域灌注完成的時(shí)間差隨著葉片的增大而增大。

從發(fā)生銀紋問題的葉片來看，兩個(gè)區(qū)域灌注完成的時(shí)間差通常為2h~3.5h，到達(dá)放熱峰的時(shí)間差為180min~200min，如圖4所示。固化時(shí)間的差異是導(dǎo)致葉片產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力的主要原因。

圖4. 根部及銀紋區(qū)域固化差異

環(huán)氧樹脂的固化過程分為粘流態(tài)（液態(tài)）、高彈態(tài)（凝膠態(tài)）、玻璃態(tài)三個(gè)形態(tài)。

從玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化為高彈態(tài)的溫度叫作玻璃化溫度（T_g），它是高聚物的鏈節(jié)開始旋轉(zhuǎn)的最低溫度，環(huán)氧樹脂玻璃化溫度的高低受固化過程中溫度、固化時(shí)間的直接影響，如圖5所示。

圖5. 環(huán)氧樹脂固化機(jī)理

風(fēng)電葉片使用的環(huán)氧樹脂在完全固化的情況下，其T_g值為80℃~90℃。而在葉片灌注成型過程中，由于根部不同區(qū)域完成灌注、開始固化的時(shí)間存在較大差異，而且不同區(qū)域的固化溫度設(shè)置也存在一定差異，導(dǎo)致根部區(qū)域不同位置在固化后的T_g值不同，通常為50℃~70℃。

葉片在合模粘接后設(shè)置的模具后固化溫度通常為80℃~90℃，實(shí)際加熱到模具表面的溫度為60℃~80℃，使得在葉片粘接后固化過程中，根部局部區(qū)域的產(chǎn)品溫度低于T_g值，局部區(qū)域的產(chǎn)品溫度高于T_g值，內(nèi)部應(yīng)力釋放出現(xiàn)進(jìn)一步不均勻。這也是實(shí)際葉片表現(xiàn)出灌注后銀紋問題在經(jīng)過合模固化后變得嚴(yán)重的主要原因。

2. 優(yōu)化探究試驗(yàn)

基于灌注固化速度方面的差異和后固化內(nèi)應(yīng)力釋放的原因分析，設(shè)計(jì)四組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

實(shí)驗(yàn)主要采用風(fēng)電葉片模具，模具為玻璃鋼電加熱類型，長度為83.6m、74m；主要原材料如表2所示；具體實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果見表3。

表2. 實(shí)驗(yàn)樹脂混合比例

表3. 實(shí)驗(yàn)方案匯總

第一組，利用模具自身加熱分區(qū)，調(diào)整根部不同區(qū)域的固化制度（見表3），縮小根部不同區(qū)域的固化速率差。

第二組，調(diào)整灌注分區(qū)方式，通過調(diào)整根部不同區(qū)域灌注開始和結(jié)束時(shí)間，來縮小根部不同區(qū)域的固化速率差。

第三組，調(diào)整灌注固化過程的不同溫度，減緩內(nèi)應(yīng)力釋放劇烈程度。

第四組，調(diào)整合模固化過程的不同溫度，減緩內(nèi)應(yīng)力釋放劇烈程度。

試驗(yàn)葉片90℃合模后固化，如圖6所示，發(fā)現(xiàn)葉片銀紋沒有明顯減輕。

圖6. 葉片灌注固化及合模固化制度

3. 結(jié)果與討論

3.1

灌注固化應(yīng)力消除

實(shí)驗(yàn)1-1、1-2表明，通過加熱模具，對不同區(qū)域采用不同固化制度的方式，不能有效延緩先灌注完成區(qū)域的固化和加快后灌注完成區(qū)域的固化，盡量使兩者一致。

實(shí)驗(yàn)2-1、2-2表明，通過調(diào)整葉片根部不同區(qū)域的灌注順序和時(shí)機(jī)，縮小各個(gè)部分灌注完成的時(shí)間差，能夠改善固化一致性問題，使根部銀紋問題得到有效解決，如圖7所示。

圖7. 根部錯(cuò)峰灌注調(diào)整后的固化曲線

通過第一、二組實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了葉片根部灌注固化過程中的速率差異是葉片根部形成內(nèi)應(yīng)力、產(chǎn)生銀紋問題的主要原因。

3.2

后固化內(nèi)應(yīng)力釋放

實(shí)驗(yàn)2-2通過調(diào)整灌注分區(qū)方式，調(diào)整根部不同區(qū)域灌注開啟時(shí)間，縮小根部不同區(qū)域的固化速率差，可以有效解決風(fēng)電葉片根部灌注銀紋的問題。再通過適當(dāng)降低合模粘接的后固化溫度，使葉片后固化溫度不高于制品的T_g值，從而減緩內(nèi)部應(yīng)力釋放的劇烈程度，減輕銀紋發(fā)生。

實(shí)驗(yàn)3-1、3-2、4-1、4-2的結(jié)果表明：僅僅調(diào)整葉片灌注固化制度和后固化溫度高低，對葉片銀紋減輕和消除沒有明顯的效果；葉片合模后固化溫度高于T_g，葉片銀紋也沒有明顯減輕。

4. 結(jié)論

（1）風(fēng)電葉片銀紋問題主要發(fā)生在樹脂灌注固化過程，不同區(qū)域灌注固化不同步是葉片產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力并形成銀紋問題的主要原因；

（2）在葉片合模后固化過程中，高于T_g值后固化不能減輕銀紋發(fā)生，適當(dāng)?shù)暮蠊袒瘻囟瓤梢詼p輕銀紋；

（3）通過調(diào)整葉片根部灌注固化的同步性，能夠有效避免葉片根部銀紋的產(chǎn)生。

失效分析服務(wù)

國高材分析測試中心依托國家工程實(shí)驗(yàn)室和院士工作站的技術(shù)力量，依據(jù)ISO、GB、ASTM等國際國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)，利用顯微紅外光譜儀、掃描電鏡、氣質(zhì)聯(lián)用儀等先進(jìn)設(shè)備，精準(zhǔn)分析產(chǎn)品開裂、變色、性能下降等失效問題的根本原因和機(jī)理，服務(wù)覆蓋從電子電器、汽車到新能源等多個(gè)行業(yè)，通過系統(tǒng)的成分分析、斷面形貌觀察和熱分析等技術(shù)，為客戶定位失效原因、優(yōu)化生產(chǎn)工藝、改進(jìn)產(chǎn)品配方提供數(shù)據(jù)支持和改進(jìn)建議。

咨詢電話：020-66221668

來源：《復(fù)合材料科學(xué)與工程》

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研究表明葉片根部灌注的銀紋問題主要發(fā)生在樹脂灌注固化過程。本文通過研究調(diào)整葉片根部樹脂灌注固化產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，減緩葉片后固化過程的內(nèi)應(yīng)力釋放，有效地解決了大型風(fēng)電葉片根部的灌注銀紋問題。

1. 現(xiàn)狀及因素分析

1.1

葉片銀紋問題

銀紋，一般指在玻璃態(tài)聚合物或某些半結(jié)晶性聚合物及環(huán)氧樹脂中，由于應(yīng)力或環(huán)境因素的影響，在表面或內(nèi)部出現(xiàn)的微小而稠密的裂痕。這種微裂痕的截面能使光線全反射從而出現(xiàn)銀色閃光故而稱之為銀紋（Crazing）。

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，通常采用真空輔助灌注（VARI）工藝成型，容易因?yàn)楣に囈蛩爻霈F(xiàn)銀紋現(xiàn)象，如圖1所示。

圖1. 風(fēng)電葉片銀紋問題

1.2

葉片銀紋的發(fā)展趨勢

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，銀紋問題隨著葉片大型化的發(fā)展趨勢越來越明顯。從表1中可以看出在選取的5個(gè)序列的葉片中，銀紋問題主要出現(xiàn)在60m、70m、80m級別的葉片中，這些葉片的特點(diǎn)是根部節(jié)圓直徑（BCD）為2800mm~3600mm，所需要的灌注時(shí)間也比其他葉片長。

表1. 葉片類型與銀紋問題的關(guān)系

1.3

銀紋與葉片灌注固化工藝

葉片灌注銀紋通常出現(xiàn)的位置在根部，距離根部端面1.5m~2.5m區(qū)域，通常為葉片迎風(fēng)面及背風(fēng)面整個(gè)環(huán)向一圈，如圖1、圖2所示。

從葉片的鋪層結(jié)構(gòu)來看，銀紋問題發(fā)生區(qū)域并非在根部鋪層厚度達(dá)到150層的最厚區(qū)域（見圖2(a)A區(qū)），而是發(fā)生在厚度只有40層~60層的厚度過渡區(qū)域。

葉片灌注導(dǎo)流狀態(tài)一般為根部“L”型分區(qū)，“T”型管路（圖2(a)所示）灌注，A區(qū)使用環(huán)向管路注膠，而銀紋發(fā)生區(qū)域使用的徑向管路由于布置的差異，使兩個(gè)區(qū)域在灌注順序上有所不同。A區(qū)域?yàn)閮?yōu)先灌注完成的區(qū)域，而B區(qū)域中的銀紋發(fā)生區(qū)域則是灌注最后完成的區(qū)域。

圖2. 葉片銀紋位置與工藝設(shè)置的關(guān)系

從模具加熱的分區(qū)結(jié)構(gòu)（圖2(b)所示）來看，模具在1.5m位置進(jìn)行分區(qū)，根部區(qū)域?yàn)榄h(huán)向整體布置，尖部區(qū)域?yàn)榄h(huán)向多塊布置。在葉片根部灌注固化過程中，通常采用分塊控制灌注固化和后固化程序。

1.4

葉片銀紋問題原因分析

從銀紋產(chǎn)生的機(jī)理可知，銀紋問題是由于樹脂內(nèi)部存在細(xì)微裂紋引起的。

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圖3. 正常試樣和銀紋試樣對比圖

環(huán)氧樹脂固化過程是一個(gè)放熱過程，隨著固化行為的發(fā)生，固化產(chǎn)生的熱量堆積使樹脂溫度也隨之增加，當(dāng)熱量達(dá)到峰值時(shí)所測得的樹脂溫度稱為放熱峰溫度，而樹脂固化到達(dá)放熱峰的時(shí)間一般用來衡量固化反應(yīng)的程度。

風(fēng)電葉片用環(huán)氧樹脂的凝膠時(shí)間都較長，通常30℃時(shí)放熱峰的時(shí)間為200min~400min。研究表明，環(huán)氧樹脂固化的基礎(chǔ)溫度升高10℃，放熱峰時(shí)間約減少一半。

結(jié)合葉片銀紋問題的位置、形態(tài)、發(fā)生時(shí)機(jī)和灌注工藝、固化工藝等方面的情況，可以認(rèn)為由于葉片根部尺寸較大，灌注時(shí)間較長，銀紋發(fā)生在最先完成灌注與最后完成灌注之間的區(qū)域，這兩個(gè)區(qū)域灌注完成的時(shí)間差隨著葉片的增大而增大。

從發(fā)生銀紋問題的葉片來看，兩個(gè)區(qū)域灌注完成的時(shí)間差通常為2h~3.5h，到達(dá)放熱峰的時(shí)間差為180min~200min，如圖4所示。固化時(shí)間的差異是導(dǎo)致葉片產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力的主要原因。

圖4. 根部及銀紋區(qū)域固化差異

環(huán)氧樹脂的固化過程分為粘流態(tài)（液態(tài)）、高彈態(tài)（凝膠態(tài)）、玻璃態(tài)三個(gè)形態(tài)。

從玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化為高彈態(tài)的溫度叫作玻璃化溫度（T_g），它是高聚物的鏈節(jié)開始旋轉(zhuǎn)的最低溫度，環(huán)氧樹脂玻璃化溫度的高低受固化過程中溫度、固化時(shí)間的直接影響，如圖5所示。

圖5. 環(huán)氧樹脂固化機(jī)理

風(fēng)電葉片使用的環(huán)氧樹脂在完全固化的情況下，其T_g值為80℃~90℃。而在葉片灌注成型過程中，由于根部不同區(qū)域完成灌注、開始固化的時(shí)間存在較大差異，而且不同區(qū)域的固化溫度設(shè)置也存在一定差異，導(dǎo)致根部區(qū)域不同位置在固化后的T_g值不同，通常為50℃~70℃。

葉片在合模粘接后設(shè)置的模具后固化溫度通常為80℃~90℃，實(shí)際加熱到模具表面的溫度為60℃~80℃，使得在葉片粘接后固化過程中，根部局部區(qū)域的產(chǎn)品溫度低于T_g值，局部區(qū)域的產(chǎn)品溫度高于T_g值，內(nèi)部應(yīng)力釋放出現(xiàn)進(jìn)一步不均勻。這也是實(shí)際葉片表現(xiàn)出灌注后銀紋問題在經(jīng)過合模固化后變得嚴(yán)重的主要原因。

2. 優(yōu)化探究試驗(yàn)

基于灌注固化速度方面的差異和后固化內(nèi)應(yīng)力釋放的原因分析，設(shè)計(jì)四組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

實(shí)驗(yàn)主要采用風(fēng)電葉片模具，模具為玻璃鋼電加熱類型，長度為83.6m、74m；主要原材料如表2所示；具體實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果見表3。

表2. 實(shí)驗(yàn)樹脂混合比例

表3. 實(shí)驗(yàn)方案匯總

第一組，利用模具自身加熱分區(qū)，調(diào)整根部不同區(qū)域的固化制度（見表3），縮小根部不同區(qū)域的固化速率差。

第二組，調(diào)整灌注分區(qū)方式，通過調(diào)整根部不同區(qū)域灌注開始和結(jié)束時(shí)間，來縮小根部不同區(qū)域的固化速率差。

第三組，調(diào)整灌注固化過程的不同溫度，減緩內(nèi)應(yīng)力釋放劇烈程度。

第四組，調(diào)整合模固化過程的不同溫度，減緩內(nèi)應(yīng)力釋放劇烈程度。

試驗(yàn)葉片90℃合模后固化，如圖6所示，發(fā)現(xiàn)葉片銀紋沒有明顯減輕。

圖6. 葉片灌注固化及合模固化制度

3. 結(jié)果與討論

3.1

灌注固化應(yīng)力消除

實(shí)驗(yàn)1-1、1-2表明，通過加熱模具，對不同區(qū)域采用不同固化制度的方式，不能有效延緩先灌注完成區(qū)域的固化和加快后灌注完成區(qū)域的固化，盡量使兩者一致。

實(shí)驗(yàn)2-1、2-2表明，通過調(diào)整葉片根部不同區(qū)域的灌注順序和時(shí)機(jī)，縮小各個(gè)部分灌注完成的時(shí)間差，能夠改善固化一致性問題，使根部銀紋問題得到有效解決，如圖7所示。

圖7. 根部錯(cuò)峰灌注調(diào)整后的固化曲線

通過第一、二組實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了葉片根部灌注固化過程中的速率差異是葉片根部形成內(nèi)應(yīng)力、產(chǎn)生銀紋問題的主要原因。

3.2

后固化內(nèi)應(yīng)力釋放

實(shí)驗(yàn)2-2通過調(diào)整灌注分區(qū)方式，調(diào)整根部不同區(qū)域灌注開啟時(shí)間，縮小根部不同區(qū)域的固化速率差，可以有效解決風(fēng)電葉片根部灌注銀紋的問題。再通過適當(dāng)降低合模粘接的后固化溫度，使葉片后固化溫度不高于制品的T_g值，從而減緩內(nèi)部應(yīng)力釋放的劇烈程度，減輕銀紋發(fā)生。

實(shí)驗(yàn)3-1、3-2、4-1、4-2的結(jié)果表明：僅僅調(diào)整葉片灌注固化制度和后固化溫度高低，對葉片銀紋減輕和消除沒有明顯的效果；葉片合模后固化溫度高于T_g，葉片銀紋也沒有明顯減輕。

4. 結(jié)論

（1）風(fēng)電葉片銀紋問題主要發(fā)生在樹脂灌注固化過程，不同區(qū)域灌注固化不同步是葉片產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力并形成銀紋問題的主要原因；

（2）在葉片合模后固化過程中，高于T_g值后固化不能減輕銀紋發(fā)生，適當(dāng)?shù)暮蠊袒瘻囟瓤梢詼p輕銀紋；

（3）通過調(diào)整葉片根部灌注固化的同步性，能夠有效避免葉片根部銀紋的產(chǎn)生。

失效分析服務(wù)

國高材分析測試中心依托國家工程實(shí)驗(yàn)室和院士工作站的技術(shù)力量，依據(jù)ISO、GB、ASTM等國際國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)，利用顯微紅外光譜儀、掃描電鏡、氣質(zhì)聯(lián)用儀等先進(jìn)設(shè)備，精準(zhǔn)分析產(chǎn)品開裂、變色、性能下降等失效問題的根本原因和機(jī)理，服務(wù)覆蓋從電子電器、汽車到新能源等多個(gè)行業(yè)，通過系統(tǒng)的成分分析、斷面形貌觀察和熱分析等技術(shù)，為客戶定位失效原因、優(yōu)化生產(chǎn)工藝、改進(jìn)產(chǎn)品配方提供數(shù)據(jù)支持和改進(jìn)建議。

咨詢電話：020-66221668

來源：《復(fù)合材料科學(xué)與工程》

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失效分析前，為什么總被問這些問題？

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