纤维增强复合材料（FRP）在风电机组叶片中的应用越来越广泛，德国劳氏集团（GL Group）根据其在船舶和风电领域多年的积累编写了非金属材料的认证规范和要求，德国劳氏可再生能源风能部（中国）的吴强和朱国简单介绍了该规范中的一些相关内容，并对于第二部分“非金属材料的检验要求和试验标准”进行了详细的叙述。

        纤维增强复合材料（FRP）从上世纪40年代问世以来，在航空、航天、船舶、汽车、化工、医学和机械等工业领域得到了广泛的应用。近年来，FRP又以其高强、轻质、耐腐蚀、耐久性等优点，成为大型风电机组叶片材料的{sx}。叶片是风力发电机组有效捕获风能的关键部件，约占整个风电机组25%的成本。在发电机功率确定的条件下，捕风能力的提高将直接提高发电效率，而捕风能力则与叶片的形状、长度和面积有着密切关系，叶片尺寸的大小（上述参数）则主要依赖于制造叶片的材料。叶片的材料越轻、强度和刚度越高，叶片抵御载荷的能力就越强，叶片就可以做得越大，它的捕风能力也就越强，发电效率也就会相应得到提高。

        在复合材料风力发电机组的叶片研究开发过程中，德国、丹麦、美国、荷兰等风能资源利用较好的国家针对大型叶片的材料体系、外形设计、结构设计、制造工艺、质量检验、在线实时监测和废弃物处理等作了大量的研究开发工作，并取得了丰硕的成果。德国劳氏集团更是结合在船舶和风能行业的几十年经验编写了一本完整的技术规范《德国劳氏船级社非金属材料技术规范要求》，在规范中对于叶片原材料的生产控制和成品检验提出了基本的要求。

        GL非金属材料认证技术规范

        《德国劳氏船级社非金属材料技术规范要求》一共分为三个部分，{dy}部分是关于原料和产品的生产品质要求的规定，第二部分是关于复合增强材料的检验要求及实验标准，第三部分是关于产品的修补。

        在{dy}部分中，涉及到几种主要非金属材料的生产工艺以及产品的质量控制的相关要求。GL颁发的非金属材料认证证书的有效期限一般为4年，那么对于生产工厂，GL希望工厂可以在证书的有效期内长期稳定的生产出符合GL规范要求的产品，那么就需要对于产品的生产过程质量进行控制。其中主要的控制内容包括以下几个方面：

        ● 工厂的一般信息

        ● 人员

        ● 工厂内部质量控制体系

        ● 生产过程监控

        ● 工厂的仓储管理情况

        ● 生产能力

        ● 生产设备

        在申请工厂的生产质量体系通过了ISO9001的基础之上，GL将会参照以上方面对于工厂申报的产品的生产质量控制进行监督和检测，希望可以帮助工厂更加完善产品的生产质量控制，以保证产品质量长期的稳定。

        本文重点讨论关于规范中的第二部分复合增强材料的检验要求及实验标准，第二部分主要包括以下材料的实验及检验要求：胶衣和/或层压树脂、增强材料 、预浸料、芯材、胶粘剂。

        目前的大型风力发电机组的叶片基本上是由聚酯树脂、乙烯基树脂和环氧树脂等热固性基体树脂与E-玻璃纤维、S-玻璃纤维、碳纤维等增强材料，通过开模手工铺放，预浸料或闭模树脂真空导入等成型工艺复合而成。本文将介绍GL规范中对于这两种主要材料的实验要求和参考标准的详细内容。

        树脂和增强材料的基本性能指标及参考要求

        在GL的规范中，基本包括了生产叶片的所有原材料的性能指标要求和实验标准，本文仅仅对于叶片的主要两种原料热固性树脂和增强材料的相关实验项目要求做一个简单的介绍，并给出一些相应的参考要求。

        热固性树脂

        规范中仅对于不饱和聚酯树脂和环氧树脂两种热固性树脂提出了具体的检验要求，对其它类型的树脂在与德国劳氏集团进行具体磋商后，其技术标准要求将根据具体情况确定，但至少要以不饱和聚酯树脂的要求为底线。

        在产品的技术说明书中一般需要提供以下信息：

        ● 树脂类型 ● 用途

        ● 制造商 ● 品牌名

        ● 储存环境要求 ● 加工环境要求

        ● 添加剂的类型及比率 ● 固化条件及性能变化

        对于热固性树脂的性能考量指标一般分为固化前的性能指标以及固化成型后的性能指标，固化前性能指标一般包括下列项目：

        ● 密度 ● 不饱和聚酯树脂 ：酸指数

        ● 粘度 ● 环氧树脂 ：环氧当量

        ● 反应性 ● 凝胶时间 （温度增加）

        ● 固化收缩率

        固化以后的性能指标主要考量树脂浇筑板的力学性能指标，包括：

        ● 密度

        ● 吸水率

        ● 拉伸强度，拉伸弹性模量和断裂应变

        ● 弯曲强度，弯曲弹性模量

        ● 高温下尺寸稳定性（热变形温度）

        对于以上性能指标的{zd1}值要求，GL在规范中给出了一些参考值（请参考GL规范的有关章节)，参考值主要针对于不饱和聚酯树脂和环氧树脂。由于大型风电机组的叶片是露天工作，要经受恶劣气候的考验，尤其是海上复杂气候条件，并且一般风电机组的设计寿命又长达20年，维修成本高昂，所以具体的指标将由德国劳氏实验室的工程师实际要求来界定。

        增强材料

        纤维增强复合材料具有其它单一材料无法比拟的优势——可设计性，从而可以通过调整单层的铺层方向，获得该方向上所需要的强度和刚度。更重要的是可利用材料的各向异性，使结构不同的变形形式之间发生耦合。比如由于弯扭耦合，使得结构在只受到弯矩作用时发生扭转。在以往的叶片设计中，叶片横截面耦合效应是一个让设计人员头疼的难题，设计人员想方设法希望xx耦合现象。在航空领域人们利用复合材料的弯扭耦合和拉剪耦合效应，提高机翼的性能。在叶片上，引入弯扭耦合设计概念，控制叶片的气弹变形，这就是气弹剪裁。通过气弹剪裁，降低叶片的疲劳载荷，并优化功率输出，可以很好的达到叶片材料的载荷要求。

        随着设计能力的不断提高，叶片逐渐变大，这对材料的强度和刚度提出了更加苛刻的要求。全玻璃钢叶片已无法满足叶片大型化，轻量化的要求。碳纤维或其它高强纤维随之被应用到叶片局部区域，如NEG Micon NM 82.4米长的叶片和LM 61.5米长的叶片都在高应力区使用了碳纤维。GL规范将玻璃钢中的增强材料分为四种类型：无捻粗纱、表面毡、玻纤织布、非织造布。在工厂提供的产品技术说明书中一般需要提供以下信息：

        ● 纤维材料 ● 加固类型

        ● 制造商 ● 品牌名

        ● 供应形式 ● 存储环境要求

        ● 产品说明

        对于四种类型的增强材料一般需要考量的主要指标为：

        ● 粗纱的细度 ● 纤维长度

        ● 纤维的线密度 ● 每单位面积重量

        ● 层厚 ● 可燃物含量

        ● 径向和纬向的密度 ● 编织方法

        ● 每层的单位面积质量 ● 织物的厚度

        ● 铺层方法 ● 非织造布层厚

        ● 纤维材料径向和纬向的线密度

        ● 非织造布或单层的单位面积重量

        对于增强材料和热固化树脂合成的层压板材料，GL需要测定其力学性能，并在规范中给出了计算{zd1}值的公式：

        ● 纤维含量

        ● 拉伸强度、断裂应变、拉伸弹性模量

        ● 弯曲强度、弯曲弹性模量

        增强材料应满足的最小机械性能参数要求，可以参照以下公式计算得出，在计算公式中对于玻璃纤维的含量已经予以考虑。

        Xmin = 最小要求值

        Xref = 纤维体积含量参考值（φ=0.4）

        α = 铺放因子

        φ = 纤维体积含量（0.2≤φ≤0.6）

        而对于玻璃毡和喷射纱生产的FRP层压板，允许与以上公式计算的最小值有偏离，在这种情况下，玻璃纤维的重量百分比φ， 0.25≤φ≤0.35，按照下列公式得出结果：

        对于多方向铺层的增强材料，上述数值至少需要在一个方向（尤其是0o方向）进行测试。关于上述方程中涉及的相关参数表，可以参考GL非金属材料规范第二章表2.1。

        例如： 已知某0o/90o铺层的玻璃纤维布制成的玻璃钢层压板材，经测试纤维含量为φ＝0.561，参考2.1中列出的相关参数，带入以上公式得：

        抗拉强度最小值：

        杨氏模量（拉伸模量）最小值：

        弯曲强度最小值：

        总结

        目前国内外风机叶片大量的采用FRP材料制造，并向大型化、低成本、高性能、轻量化、多翼型、柔性化方向发展。在新材料和新工艺的不断变化中，GL集团将逐步更新相应规范中的要求和参数，更好的为原材料的发展制定符合国际化要求的标准，并为中国的原材料厂商在国际市场赢得声誉提供帮助。 ■