高温对PVC60树脂增强泡沫复合材料的影响

檀宪众，张靖，顾育慧，陈文光，李军向，黄轩晴，张华华

（明阳智慧能源股份公司，广东 中山  528437）

摘 要：本文分析了高温和常温的PVC60树脂增强泡沫复合材料，研究了高温和常温下的夹芯结构关键力学性能变化，结果表明：高温条件下，PVC60泡沫夹芯结构强度、模量会大幅度下降，其中：压缩强度和剪切强度衰减也超过了10%；3方向拉伸、3方向压缩、3方向剪切模量的高温数据衰减幅度均超过10%。

关键词：高温；夹芯结构；性能衰减

作者简介：檀宪众（1993-），汉族，男，安徽池州市人 ，明阳智慧能源集团股份公司，材料副主任工程师，研究方向：风电芯材

 前言

复合材料具有比强度高、比刚度大、可设计性强等优点，在航空、航天、军事、机械等领域得到了广泛应用^[1]。例如在航空工业中，军用和民用飞机都开始大量使用复合材料，飞机在获得更加优异表现的同时，大幅减轻了结构重量，降低了燃料消耗^[2]。

复合材料对各种环境的敏感程度是十分不同的，国内外很多学者均开展了环境对复合材料的影响，其中温度对复合材料的影响是最常见的^[3]。温度变化会引起复合材料内部结构产生破坏，从而导致复合材料刚度和强度下降；另外温度变化也会对基体和纤维产生影响，且有可能对基体与纤维之间的界面产生影响^[4]。

树脂基复合材料在低温环境下，会发生脆化，使得基体脆性增加，而基体模量也随之增加。对复合材料在温度逐渐升高的环境下进行性能测试，发现纤维-基体界面上温度的影响与纤维和基体是一样的^[5]。对于复合材料的拉伸强度、极限拉伸强度和压缩强度在温度升高时，性能下降。温度对复合材料的层间破裂也起到非常大影响，通过对环氧树脂层间破裂的特征进行研究发现，纤维/基体分离和树脂基体破裂随着温度的升高而增加^[6]。

自1880年以来，全球气温变暖现象成为事实，熟为人知的解释是温室效应理论，即将气候变化归因于对地球具有保温作用的大气的成分的变化(主要是二氧化碳浓度的变化)。2022年，我国部分地区的极端温度达到了45℃，如新疆小草湖，2023年6月初广东、广西沿海地区，已经达到37℃以上，部分市达到41℃，温度的逐年上升，结合风电叶片要求运行20年以上，需要我们提前考虑和探索高温条件下的材料性能，保障20年以上的运行提供参数数据，进一步保证设计的安全性。

风电叶片安装于高山，沙漠，海洋等环境极其恶劣的地方，风机运行环境温度在-20到50摄氏度，由于温度环境的变化，复合材料受到自身组成成分的热膨胀系数影响，会在复合材料内部产生应力，尤其是高温下，树脂基增强复合材料会出现不同程度性能衰减，不同材料的衰减幅度不一，在实际的应用中，每一复合材料的基体都有各自适用的温度范围，通常情况下，一个复合材料基体的最大工作温度在稍微低于它自身所具有的玻璃化转化温度时，基体则会从玻璃态转化到橡胶态，并且损失大部分的力学性能。本文研究了树脂基PVC泡沫增强复合材料在高温下的风电关键力学性能变化，为叶片屈曲分析提供可靠参数。

1. 复合材料成型工艺

1.1 真空灌注成型工艺

真空灌注成型工艺是风电叶片行业主流的成型工艺之一。原理是利用抽离空气，产生真空负压，与外界空气形成压力差，利用压力差将灌注树脂吸入模具上的纤维层或者泡沫层，形成树脂增强复合材料，在符合特定树脂固化的要求下，进行预固化和后固化，移去辅材得到所需制品。真空灌注成型工艺具有操作简单、设备投资少、生产成本低、产品孔隙率低等优点，特别适合大型和复杂结构制品的制备^[7]。

1.2 研究方法

本文采取了实验室测试对比的方法，在同一泡沫条件下，匹配不同树脂，在不同实验室进行统一标准测试，得出风电泡沫复合材料关键性能在特定环境条件下的性能数据，并得出规律，输出叶片设计的参考参数。

2. 实验部分

为减少同一种材料的对比变量，我们规定同一种树脂材料匹配PVC60的测试需要在同一家测试机构，在一个时间段内的进行高温、低温和常温测试。测试要求项目表为：

表1 测试项目表

其中：

1.剪切、压缩均不添加蒙皮进行测试。

2.滚筒剥离蒙皮为恒石E8-3AX1350。

3.高低温测试需放进高低温环境箱内测试。

4.高低温每个项目开始测试前，需保温20min以上。

5.灌注树脂为惠柏LT-5078A/B-3。

6.剪切厚度要求25mm。

7.力学项目测试温度要求为：23℃、50℃。

8.3方向为泡沫厚度方向，1方向为长度方向。

2.1 原料

PVC 60泡沫，保定维赛新材料科技股份有限公司；

惠柏LT 5078A/LT5078B-3，惠柏新材料科技（上海）股份有限公司

2.2 仪器设备

仪器名称1.电子万能试验机；型号：Instron 5956和Instron 3382 设备公司：英斯特朗。

2.3 测试方法

测试方法引用标准如下：

ISO 844   硬质泡沫塑料压缩性能的测试方法               

ISO 845   泡沫塑料和橡胶的表观密度

ISO 1922  硬质泡沫塑料剪切试验

ASTM C297  夹层结构平面拉伸强度标准实验方法

ASTM D1781  滚筒剥离胶粘剂标准试验方法

3. 结果统计分析

3.1 惠柏LT 5078A/LT5078B-3匹配PVC60测试结果

表2惠柏LT 5078A/LT5078B-3匹配PVC60测试

从上表中可以看出，同厚度测试条件下，测试项目样条的密度是高于整板密度的，剪切样条比25mm整板密度高7.5%，拉伸和压缩测试样条比50mm整板密度高10%以上。这可能就导致测试数据比整板的数据偏高，需谨慎选择设计值进行夹层结构的设计，建议数据下调10%后进行再评估。

3方向拉伸、3方向压缩、3方向剪切模量的高温数据衰减幅度均超过10%，强度除拉伸强度无太大变化外，压缩强度和剪切强度衰减也超过了10%。在最新的设计指标IEC 61400-5中，温度效应因子γm2中，常温与极端温度的因子相差幅度10%，这已经超出了安全设计因子的保护范围，这意味着在未来的某一段时间，叶片的运行温度达到50℃，若夹芯结构设计值未留出一定的设计余量，叶片芯材可能存在一定的安全隐患。

另外滚筒剥离的平均强度在高温下逆向增强，，增幅超过30%，甚至可以达到50%，这可能是泡沫变软，韧性增强，与表面的纤维布形成一定黏性导致的，这一变化也在侧面证实了材料刚度的大幅度衰减。

4. 结论

（1） 高温条件下，PVC60泡沫夹芯结构强度、模量会大幅度下降，其中：压缩强度和剪切强度衰减也超过了10%；3方向拉伸、3方向压缩、3方向剪切模量的高温数据衰减幅度均超过10%。

（2） 泡沫设计应考虑高温衰减幅度，夹芯结构设计值建议比测试值低20%以上。

参考文献

[1] 王佩艳,岳春霞,耿小亮,杨白凤,岳珠峰.基于层合参数的工字型加筋壁板稳定性设计[J].材料科学与工程学报,2019,37(06):889-895.

[2] 欧阳林辉. 温度环境对复合材料力学性能影响研究[D].西北工业大学,2016.

[3] Davies,P.,Pomies, F., Carlsson, A.L.,"Influence of Water Absorption on TransverseTensile Properties and Shear Fracture Toughness of Glass/Propylene,"Journal ofComposite Materials, Vol.30, No.9/1996, pp.1004-1019.

[4] Schultheisz, R.C., McDonough, G.W., Kondagunta, S., Schutte, L.C., Macturk,S.K.,McAuliffe, M., Hunston,L.D.,"Effect of Moisture on E-Glass/Epoxy Interfacial andFiber Strengths,"Composite Materials: Testing and Design, Thirteenth Volume, ASTM STP 1242,1997,pp.257-286.

[5] Cappelletti,C., Rivolta,A.,Zaffaroni,G.,"Environmental Effects on MechanicalProperties of Thick Composite Structural Elements,"Jounal of Composites Technology& Research, JCTRER, Vol.17,No.2,1995,pp.107-114.

[6] Hale,J.M., Gibson, G.A.,"Coupon Tests of Fibre Reinforced Plastics at ElevatedTemperatures in Offshore Processing Environments,"Journal of Composite Materials,Vol.32, No.6/1998,pp.526-542.

[7] 孙二平,苏宝定,江海涛.大风机叶片材料轻量化的探索[J].玻璃纤维,2022(02):37-42.