海上及陸上低風速風電的發展促使風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生環氧玻纖管。
研究表明葉片根部灌注的銀紋問題主要發生在樹脂灌注固化過程環氧玻纖管。本文通過研究調整葉片根部樹脂灌注固化產生的內應力，減緩葉片后固化過程的內應力釋放，有效地解決了大型風電葉片根部的灌注銀紋問題。
1. 現狀及因素分析
1.1
葉片銀紋問題
銀紋，一般指在玻璃態聚合物或某些半結晶性聚合物及環氧樹脂中，由于應力或環境因素的影響，在表面或內部出現的微小而稠密的裂痕環氧玻纖管。這種微裂痕的截面能使光線全反射從而出現銀色閃光故而稱之為銀紋（Crazing）。
風電葉片的主體結構是環氧樹脂增強玻璃纖維，通常采用真空輔助灌注（VARI）工藝成型，容易因為工藝因素出現銀紋現象，如圖1所示環氧玻纖管。
圖1. 風電葉片銀紋問題
1.2
葉片銀紋的發展趨勢
在實際生產過程中，銀紋問題隨著葉片大型化的發展趨勢越來越明顯環氧玻纖管。從表1中可以看出在選取的5個序列的葉片中，銀紋問題主要出現在60m、70m、80m級別的葉片中，這些葉片的特點是根部節圓直徑（BCD）為2800mm~3600mm，所需要的灌注時間也比其他葉片長。
表1. 葉片類型與銀紋問題的關系
1.3
銀紋與葉片灌注固化工藝
葉片灌注銀紋通常出現的位置在根部，距離根部端面1.5m~2.5m區域，通常為葉片迎風面及背風面整個環向一圈，如圖1、圖2所示環氧玻纖管。
從葉片的鋪層結構來看，銀紋問題發生區域并非在根部鋪層厚度達到150層的最厚區域（見圖2(a)A區），而是發生在厚度只有40層~60層的厚度過渡區域環氧玻纖管。
葉片灌注導流狀態一般為根部“L”型分區，“T”型管路（圖2(a)所示）灌注，A區使用環向管路注膠，而銀紋發生區域使用的徑向管路由于布置的差異，使兩個區域在灌注順序上有所不同環氧玻纖管。A區域為優先灌注完成的區域，而B區域中的銀紋發生區域則是灌注最后完成的區域。
圖2. 葉片銀紋位置與工藝設置的關系
從模具加熱的分區結構（圖2(b)所示）來看，模具在1.5m位置進行分區，根部區域為環向整體布置，尖部區域為環向多塊布置環氧玻纖管。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
從銀紋產生的機理可知，銀紋問題是由于樹脂內部存在細微裂紋引起的環氧玻纖管。
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應力釋放不完全，使樹脂和纖維之間產生脫粘或樹脂本身的微裂紋，在宏觀上表現出來的發白現象，如圖3所示，左側為正常情況的試樣，右側為存在銀紋問題的試樣環氧玻纖管。
圖3. 正常試樣和銀紋試樣對比圖
環氧樹脂固化過程是一個放熱過程，隨著固化行為的發生，固化產生的熱量堆積使樹脂溫度也隨之增加，當熱量達到峰值時所測得的樹脂溫度稱為放熱峰溫度，而樹脂固化到達放熱峰的時間一般用來衡量固化反應的程度環氧玻纖管。
風電葉片用環氧樹脂的凝膠時間都較長，通常30℃時放熱峰的時間為200min~400min環氧玻纖管。研究表明，環氧樹脂固化的基礎溫度升高10℃，放熱峰時間約減少一半。
結合葉片銀紋問題的位置、形態、發生時機和灌注工藝、固化工藝等方面的情況，可以認為由于葉片根部尺寸較大，灌注時間較長，銀紋發生在最先完成灌注與最后完成灌注之間的區域，這兩個區域灌注完成的時間差隨著葉片的增大而增大環氧玻纖管。
從發生銀紋問題的葉片來看，兩個區域灌注完成的時間差通常為2h~3.5h，到達放熱峰的時間差為180min~200min，如圖4所示環氧玻纖管。固化時間的差異是導致葉片產生內應力的主要原因。
圖4. 根部及銀紋區域固化差異
環氧樹脂的固化過程分為粘流態（液態）、高彈態（凝膠態）、玻璃態三個形態環氧玻纖管。
從玻璃態轉化為高彈態的溫度叫作玻璃化溫度（Tg），它是高聚物的鏈節開始旋轉的最低溫度，環氧樹脂玻璃化溫度的高低受固化過程中溫度、固化時間的直接影響，如圖5所示環氧玻纖管。
圖5. 環氧樹脂固化機理
風電葉片使用的環氧樹脂在完全固化的情況下，其Tg值為80℃~90℃環氧玻纖管。而在葉片灌注成型過程中，由于根部不同區域完成灌注、開始固化的時間存在較大差異，而且不同區域的固化溫度設置也存在一定差異，導致根部區域不同位置在固化后的Tg值不同，通常為50℃~70℃。
葉片在合模粘接后設置的模具后固化溫度通常為80℃~90℃，實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，根部局部區域的產品溫度低于Tg值，局部區域的產品溫度高于Tg值，內部應力釋放出現進一步不均勻環氧玻纖管。這也是實際葉片表現出灌注后銀紋問題在經過合模固化后變得嚴重的主要原因。
2. 優化探究試驗
基于灌注固化速度方面的差異和后固化內應力釋放的原因分析，設計四組實驗進行驗證環氧玻纖管。
實驗主要采用風電葉片模具，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；具體實驗方案及結果見表3環氧玻纖管。
表2. 實驗樹脂混合比例
表3. 實驗方案匯總
第一組，利用模具自身加熱分區，調整根部不同區域的固化制度（見表3），縮小根部不同區域的固化速率差環氧玻纖管。
第二組，調整灌注分區方式，通過調整根部不同區域灌注開始和結束時間，來縮小根部不同區域的固化速率差環氧玻纖管。
第三組，調整灌注固化過程的不同溫度，減緩內應力釋放劇烈程度環氧玻纖管。
第四組，調整合模固化過程的不同溫度，減緩內應力釋放劇烈程度環氧玻纖管。
試驗葉片90℃合模后固化，如圖6所示，發現葉片銀紋沒有明顯減輕環氧玻纖管。
圖6. 葉片灌注固化及合模固化制度
3. 結果與討論
3.1
灌注固化應力消除
實驗1-1、1-2表明，通過加熱模具，對不同區域采用不同固化制度的方式，不能有效延緩先灌注完成區域的固化和加快后灌注完成區域的固化，盡量使兩者一致環氧玻纖管。
實驗2-1、2-2表明，通過調整葉片根部不同區域的灌注順序和時機，縮小各個部分灌注完成的時間差，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所示環氧玻纖管。
圖7. 根部錯峰灌注調整后的固化曲線
通過第一、二組實驗進一步驗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應力、產生銀紋問題的主要原因環氧玻纖管。
3.2
后固化內應力釋放
實驗2-2通過調整灌注分區方式，調整根部不同區域灌注開啟時間，縮小根部不同區域的固化速率差，可以有效解決風電葉片根部灌注銀紋的問題環氧玻纖管。再通過適當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Tg值，從而減緩內部應力釋放的劇烈程度，減輕銀紋發生。
實驗3-1、3-2、4-1、4-2的結果表明：僅僅調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Tg，葉片銀紋也沒有明顯減輕環氧玻纖管。
4. 結論
（1）風電葉片銀紋問題主要發生在樹脂灌注固化過程環氧玻纖管，不同區域灌注固化不同步是葉片產生內應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環氧玻纖管，高于Tg值后固化不能減輕銀紋發生，適當的后固化溫度可以減輕銀紋；
（3）通過調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生環氧玻纖管。
失效分析服務
國高材分析測試中心依托國家工程實驗室和院士工作站的技術力量，依據ISO、GB、ASTM等國際國內標準，利用顯微紅外光譜儀、掃描電鏡、氣質聯用儀等先進設備，精準分析產品開裂、變色、性能下降等失效問題的根本原因和機理，服務覆蓋從電子電器、汽車到新能源等多個行業，通過系統的成分分析、斷面形貌觀察和熱分析等技術，為客戶定位失效原因、優化生產工藝、改進產品配方提供數據支持和改進建議環氧玻纖管。
咨詢電話：020-66221668
來源：《復合材料科學與工程》
推薦閱讀
失效分析前環氧玻纖管，為什么總被問這些問題？
光伏組件背板常見失效原因分析
電子產品固定裝置開裂失效分析及成分分析
PE/碳酸鈣透氣膜表面晶點缺陷失效原因