芯材泡沫不同加工形式对力学性能的影响

王顺吉，王艳丽，李文斌，顾育慧，李军向

( 明阳智慧能源集团股份公司，天津 300300)

1 前言

PET 泡沫，主要成分是聚对苯二甲酸乙二醇酯（Polyethylene terephthalate），俗称涤纶树脂。聚对苯二甲酸乙二醇酯（涤纶树脂）主要用于制造合成纤维、薄膜、瓶子，在工程塑料及其他领域也有应用[1]。当对其采用发泡供以后形成的PET 泡沫材质相对较脆，但其具有良好的耐热性、力学强度。PET 泡沫可以回收利用，因此具有良好的环保性能。

PET 泡沫芯材具有良好的剪切性能，因此常用于壳体结构中的抗剪切填充物。PET 原材料成本较一般的芯材泡沫材料低，但采用PET 泡沫作为芯材的夹层结构材料通常需要采用树脂等粘合剂进行粘结，但由于PET 泡沫泡孔尺寸通常较大 ，因此树脂吸收率通常较高，因此其成本、重量相对较高，从而限制了其应用。但学术界出现了新型的发泡技术，以AIREX®T92.80 SealX 为代表的一批新型PET 泡沫芯材通过控制泡孔尺寸及泡孔破损比例可以大幅降低PET 泡沫芯材的树脂吸收率，因此PET 泡沫芯材的应用范围已被大幅拓展。近年来，在风火同价的大背景下，降低度电成本、风机大型化已成为行业趋势。叶片作为风机的主要零部件，必然要求长度更长，扫风面积更大，但重量也会随之变大，风机叶片轻量化已成为风电叶片行业发展的必然趋势。风电叶片的主体结构是环氧树脂增强玻璃纤维，结合芯材增加刚度，通常采用真空灌注工艺制造。降低叶片重量的方式有多重，如合理选材、优化结构，降低材料的吸胶量等。风电叶片的主题结构是环氧树脂增强玻璃纤维，结合夹芯材料增加刚度，通常采用真空辅助灌注工艺成型。

目前常用的夹芯材料主要是PVC 和Balsa 轻木，其中Balsa 轻木主要用于叶根位置, 轻木又叫巴沙木，Balsa 轻木的孔隙数量多且尺寸大。轻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% 的轻木都来源于南美洲，目前全球风电产业扶摇直上的腾飞，导致轻木供不应求，出现了洛阳纸贵的现象。雪上加霜的是，全球蔓延的疫情使南美轻木交易更加混乱，进一步导致部分厂家严重缺货，目前叶片制造商已觉察到轻木供给的不确定性，并积极寻找可替代的材料，为将来PET 泡沫取代Balsa 轻木提供技术依据。在实验中，利用真空灌注成型工艺制备了含不同表面开槽方式的复合材料泡沫夹芯材料，测定不同开槽方式样品的性能，确定不同开槽方式样品拉伸、压缩、剪切性能的区别，并且对比了Balsa轻木和PET 泡沫性能的区别，为叶片设计工作提供参考。两种加工方式的示意图如图1，图2 所示。

图1 斜切缝加打孔

图2 正交切缝加打孔

2 实验部分

2.1 样品制备

2.1.1 实验用主要材料与设备工具

实验用夹芯材料：

2 块规格500 mm×500 mm×25 mm 的PET 正交切缝加打孔板材（100 kg/m3），1 块规格500 mm×500 mm×50 mm 的PET 正交切缝加打孔板材（100 kg/m3）；

3 块规格500 mm×500 mm×25 mm 的PET 斜开槽加打孔板材（100 kg/m3），1 块规格500 mm×500 mm×50 mm 的PET 斜 开 槽 加 打 孔 板 材（100 kg/m3）；

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

环氧树脂50 Kg ；

实验设备辅材等：脱模剂、脱模布、真空袋、导流网、VAP 膜、密封胶条、喷灌注台（可以控制温度）、真空泵（带有真空罐和真空表）、剪刀、钢板尺、裁布工装、记号笔、美纹纸等。

2.1.2 实验测试标准

压缩强度及模量：ISO844

剪切强度及模量：ISO1922

拉伸强度及模量：ASTMC297/C297M-16

2.1.3 样品制备工艺

（1）准备模具- 分成两个步骤，首先用铲子等工具清理模具表面杂物，保证模具表面清洁；然后，再用布在模具上均匀的涂上一层脱模剂，以便灌注完成后能够顺利的脱模。

（2）材料铺放以及封装：分别裁剪真空袋、导流网、导流管等，先铺设一块脱模布，然后在脱模布上面依次铺设芯材、脱模布、导流网、真空管等材料，铺设完毕后，将密封胶带距离芯材周围4~5 cm 处环绕四周密封在模具上面，再用真空袋将整体封装。

（3）抽真空及漏气查找：连接进胶管和真空泵，打开真空泵，办证真空泵上真空表的读数达到-0.1 MPa，并保持3~4 min，读数仍未变化，则证明未漏气，如果真空表的读数迅速下降的话，则证明有漏气，需要对漏气原因进行查找，保证没有漏气现象。

（4）配树脂：将树脂以100:30 的比例进行混合，并搅拌均匀。

（5）导入树脂以及固化：将抽树脂管和树脂桶连接导入树脂，灌注完成后，升高温度按照固化工艺进行固化。在固化完成后再进行脱模修边。

（6）样品切割：使用切割机对样品进行切割，样品尺寸如下：

a. 压缩样品按照标准规定的尺寸进行切割，长50 mm× 宽50 mm× 厚50 mm，样品的1 方向是垂直于拼接缝的方向，2 方向是沿着拼接缝的方向，3 方向为泡沫的厚度方向，如图3 所示。

图3 样品示意图

b. 拉伸样品按照标准规定的尺寸进行切割，长50 mm× 宽50 mm× 厚50 mm

c. 剪切样品按照标准规定的尺寸进行切割，长250 mm× 宽50 mm× 厚25 mm，测试方向如图4 所示。

图4 剪切样品方向示意图

（7）吸胶量样品制备：

a. 称量芯材灌注前的重量m0，单位kg，量取芯材灌注前的尺寸长度L、宽度W、厚度H，单位，mm

b.采用双轴布，芯材上下各3 层，尺寸略小于芯材，并有一个空白实验（直接铺设6 层玻纤）

c. 真空灌注完成后称量空白玻纤+ 树脂层合板的重量m1

d. 称量芯材+ 树脂+ 玻纤板材的重量m2

e. 计算吸胶量R

2.2 测试过程

2.2.1 压缩测试

压缩测试如图5。

图5 压缩测试

（1）试样状态调节：应在温湿度为（23±2）℃，（50±10）% 的环境中调节至少24 h。

（3）预应力：试样在试验前应收到一定的预应力，不应大于试样破坏载荷的5%。

（4）试验速度：试验速度为5 mm/min。

（5）试样数量：如果没有特殊要求，测试一般为6 个有效数据。

（6）当应变大于10% 或者试样屈服时，停止试验。

2.2.2 拉伸测试

拉伸测试如图6。

图6 拉伸测试

（1）试样状态调节：作为试验的一部分，除非规定了不同的环境条件，否则应按试验方法D5220/D 5229M 中的方法C 对试样进行状态调节，并在标准试验室大气环境（23±3）℃和（50±10）% 中储存和实验。

（2）试样粘接：应使用合适的胶黏剂，将加载块与试样的夹芯或面板进行粘接。为了降低热暴露对夹芯- 面板胶接的影响，推荐在室温下、或者比夹层结构的胶接温度至少低28 ℃的条件下进行组合件的胶接。同样，组合件的胶接压力不应大于最初的面板-夹芯胶接压力。粘接后进行固化调节。

（3）试样安装：将试样加载块组件放入试验机的实验夹具中。

（4）加载：以特定的加载速率对试样施加拉伸载荷，同时记录数据，直到试样发生破坏。

2.2.3 剪切测试

剪切测试如图7。

图7 剪切测试

（1）试样状态调节：应在（23±2)℃，(50±10)%的温湿度下调节至少16 h。

（2）样品制备：样品的切割采用切割机进行切割，平行度采用激光对线的方式进行控制。

（3）试样粘接：使用砂纸将剪切夹具所用的粘接面进行打磨处理，再将螺丝孔用胶带进行粘贴，防止螺丝孔进胶影响后期工装使用，打磨完后再用酒精对夹具表面进行清洁处理，再将粘合剂涂抹到需要粘接的夹具和样品表面，进行粘接，粘接后用夹子进行固定防止夹具变动位置，按照要求对样品进行固化处理，固化后冷却进行测试。

（5）试验速度：1 mm/min

（6）安装千分表：将两个千分表安装在夹具上，开始试验。

（7）当试样的剪切强度下降至最大剪切强度的90% 时停止实验。

3 数据汇总

实验数据汇总见表1、表2、表3。

表1 吸胶量对比

表2 压缩测试数据汇总

表3 剪切测试数据比对

4 结果分析

从表1 可知，正交开槽加打孔方式比斜开槽加打孔方式吸胶量大22% 左右，因为在切缝的宽度相同的情况下，同样面积为500 mm×500 mm 的两块板材，正交切缝的切缝总长度为16 701.44 mm，而斜切缝的切缝总长度为16 000 mm，因为打孔方式一致，所以孔的吸胶量两者是一致的，所以正交开槽这种方式吸胶量更大。

由表2 可知，两者相对比，正交开槽加打孔的压缩性能更高一些，模量基本相同，正交开槽加打孔的强度要比斜开槽加打孔的强度大17% 左右，分析原因是正交开槽是垂直分布的，这样在压缩的时候，槽里面的树脂承受力的情况更好，斜开槽由于槽的方向是倾斜的，所以受到压缩力的时候，没有正交开槽承受的力大。轻木的1 方向压缩和3 方向压缩比两种开槽方式的PET 性能要高。

由表3 可知，两者之间的剪切性能对比，斜开槽加打孔的13 方向剪切强度为1.07，模量为61.34，正交开槽加打孔13 方向剪切强度为0.92，模量为57.61，斜开槽加打孔的剪切强度大于正交开槽加打孔，分析原因为斜开槽加打孔试样的树脂与测试夹具的接触面积更大，所以在收到剪切力的时候能承受较大的力。两种开槽方式在12 面的剪切强度和剪切模量相差不大。Balsa 木的12 面剪切强度和PET 差不多，模量要比PET 大40%，13 面剪切强度和剪切模量均比PET 大50% 左右。

4 结论

芯材的表面处理是根据芯材的工艺或者力学性能的要求，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缝或者孔，形成了具有不同表面几何参数的泡沫芯材，芯材经表面处理产生的切缝或者孔不仅在夹芯结构成型中为树脂起到导流作用，使树脂能够快速的浸润，而且也能在一定程度上提高泡沫芯材的力学性能和面板与芯材界面的性能，从而提高了整体芯材结构的力学性能。通过上述实验测试数据可知，芯材开槽方式对于材料的性能有一定的影响，可以得出如下的结论：

（1）斜开槽加打孔的芯材的吸胶量大于正交开槽加打孔的芯材，同时都小于Balsa 木的吸胶量，因为吸胶量会影响到生产成本等问题，所以这个指标对于叶片生产设计具有一定的指导意义。

（2）正交开槽加打孔的芯材拉伸性能和压缩性能要优于斜开槽加打孔的芯材。

（3）斜开槽加打孔芯材的剪切性能好于斜开槽加打孔的芯材。

（4）在实际生产中，芯材有多重开槽打孔等表面处理方式，本文的研究成果对比了斜开槽加打孔、正交开槽加打孔、Balsa 木力学性能的区别，为叶片设计选择芯材的提供了技术参考。

（5）Balsa 木 的 价 格 在16 000 元/m3左 右，而PET 的价格在6 000 元/m3，在考虑生产成本的情况下，两种材料的性能满足生产技术要求，选择PET 作为替代Balsa 木比较合适。