2019年4月11—12日,第五屆中國國際風(fēng)電復(fù)合材料高峰論壇(CWPC2019)于中國重慶隆重召開。在大會專題一:科技創(chuàng)新 成就未來——“創(chuàng)新材料、革新技術(shù)”中,道生天合材料科技(上海)有限公司研發(fā)總監(jiān)吉明磊作了題為《理論與實際結(jié)合應(yīng)用于風(fēng)電低密度結(jié)構(gòu)膠的開發(fā)》的精彩演講。
各位來賓,大家好,非常榮幸今天能在這里有機會給大家做關(guān)于我們公司產(chǎn)品的介紹。我的題目是“理論與實際結(jié)合應(yīng)用于風(fēng)電低密度結(jié)構(gòu)膠的開發(fā)”。在介紹我們產(chǎn)品之前,我簡單介紹一下公司在進行產(chǎn)品開發(fā)的時候,依賴于自己內(nèi)部開發(fā)的工具。主要分四塊,第一是反應(yīng)動力學(xué),第二流動流變學(xué),結(jié)構(gòu)膠黏度各種變化,都是依賴于外界不同的環(huán)境,跟溫度有關(guān),跟時間有關(guān),跟剪切速度都有關(guān)系,第三增韌技術(shù),我們專門研究了不同的無機和有機的增韌技術(shù),以及韌性對于不同溫度下的響應(yīng),跟模量之間的關(guān)系,以及老化的性能。第四建模與偽真。
我們公司在進行390、395低密度結(jié)構(gòu)膠開發(fā)的時候,相比于常規(guī)密度的結(jié)構(gòu)膠產(chǎn)品來說,實現(xiàn)低密度最簡單的方法,就是把密度比較高的無機礦物材料,盡可能去掉。這樣對于結(jié)構(gòu)膠本身的個性性能,比如強度、韌性、固化收縮都會帶來一些負(fù)面影響。所以在項目開發(fā)的過程當(dāng)中,主要是為了解決以下幾個問題。首先如何平衡固化速度和反應(yīng)反熱?第二如何保持和提高結(jié)構(gòu)膠的抗干裂性能,常規(guī)大家都會使用一定的玻璃纖維,現(xiàn)在如果沒有玻璃纖維的情況下,這個結(jié)構(gòu)膠抗干裂性能到底是下降還是提高?第三如何優(yōu)化工藝性能?
首先如何優(yōu)化固化反應(yīng)動力學(xué),依賴于反應(yīng)動力學(xué)理論,左邊這張圖把整個環(huán)氧樹脂的固化分3—4個階段。第一個階段是藍顏色的區(qū)域,這個區(qū)域更多的跟材料的開放時間有關(guān),不管是灌注樹脂還是結(jié)構(gòu)膠,跟開始時間是相關(guān)聯(lián)的。第二個是自切換區(qū)域,是跟材料本身固化反應(yīng)發(fā)熱有很大的相關(guān)性。進入到最后一個階段,擴散控制的反應(yīng)階段,這個階段是跟產(chǎn)品整個后期固化增長速度有關(guān),如果想優(yōu)化固化工藝,就要花很大的精力。不管是在50度、80度以下固化的過程當(dāng)中,還是在整個范圍之內(nèi)的吻合性都是非常好,說明這個模型非??煽俊?/div>
通過利用這個模型,就可以在實現(xiàn)比較低放熱的同時,實現(xiàn)比較快的TG增長。利用總放熱的下降,加上反應(yīng)速度的優(yōu)化,中間這張圖去測試35度下結(jié)構(gòu)膠放熱,我們可以實現(xiàn)20度以上的放熱度的下降。剛剛是產(chǎn)品開發(fā)過程當(dāng)中的應(yīng)用案例,對于已經(jīng)開發(fā)完的產(chǎn)品怎么評估它的工藝性,現(xiàn)在很多客戶為了實現(xiàn)整個固化周期的縮短,尤其是在一次涂膠會大幅度提高粘連度的溫度。很多客戶會使用加溫到45度,作為開放時間的一個判定依據(jù),如果涂膠厚度非常薄的情況下,膠溫會非常快的超過45度,這時候結(jié)構(gòu)膠并沒有進入到固化的狀態(tài),以前的判斷標(biāo)準(zhǔn)在新的工藝條件下并不能完全符合,希望通過整個建模來優(yōu)化和控制新工藝的開放依據(jù)。
左邊這張圖是在不同的環(huán)境溫度下,以及不同的膠溫,不同的涂膠厚度,可以得到一組反應(yīng)動力學(xué)放熱曲線。我們剛剛調(diào)整的各個因素,包括基材溫度,環(huán)境溫度,原料溫度,對于開放時間的顯著性高低到底如何?對于開放時間影響最明顯的首先就是基材溫度。
有了建模之后,可以通過不同條件預(yù)測條件開放,我們要驗證一下,開放時間是不是真的能代表黏度性能不會受到下降?實驗室安排了模擬合模進行粘貼的實驗,我們選擇了四種不同的標(biāo)準(zhǔn)。如果涂膠厚度在15毫秒,在相應(yīng)的時間內(nèi),在20%固化率以內(nèi),拉減性能都沒有明顯下降,為什么沒有30%的固化數(shù)據(jù),我們在做這個實驗同時,還設(shè)置了一個上線條件,合模壓力不能超過客戶的要求。超過這個要求,在實際使用過程當(dāng)中,有可能會造成潛在的變形或者偏移的情況。當(dāng)固化度達到30%,這個時候合模率已經(jīng)超過了上線,通過其他的平行時間,我們發(fā)覺在30%固化度的時候是完全粘貼,但是粘貼度只有70%。
我們這個工具最終是想開放給客戶使用,我們可以提供兩種方式,第一給客戶提供一個預(yù)測模型,客戶使用過程當(dāng)中,只需要設(shè)置溫度,這個模型會自動告訴你,這些參數(shù)條件下,它的開放時間應(yīng)該是多少?第二種方法現(xiàn)在正在繼續(xù)往下開發(fā)的,就是更智能的一個工具,就是客戶現(xiàn)場只需要一種傳感器,把傳感器往結(jié)構(gòu)膠里面一插,到了設(shè)置的開放時間之后,就會自動報警。這是更智能的開放時間控制的方法。
第二部分關(guān)于增韌,我們公司使用的都是增韌技術(shù),傳統(tǒng)的還有增柔技術(shù),增韌技術(shù)是不會大幅下降材料的耐熱性能,同時增韌技術(shù)也不會大幅下降材料模量和強度。更多的是優(yōu)選增韌技術(shù),它也有幾個潛在問題,首先第一個就是相融性,第二就是項分尺寸,也直接影響性能。第三增韌技術(shù)在不同溫度下的響應(yīng),另外就是增韌技術(shù)帶來可能的流變和老化問題。左上角那張圖就是增韌技術(shù)選擇的非常強檔,其實是能夠?qū)崿F(xiàn)比較高的力學(xué)強度,同時能夠大幅提高材料的延伸率。如果增韌技術(shù)選擇的不恰當(dāng),和樹脂相容性比較差的時候,載荷沒有辦法在增韌劑和樹脂機體之間有效傳遞,就會出現(xiàn)左下角這樣的情況,本身拉伸的會出現(xiàn)非線性的變化,另外也很難實現(xiàn)比較高的強度和高的延伸度。如果選擇不同的增韌技術(shù)可以大家100—200微米的尺度,到底選擇哪種尺寸才比較合適自己的產(chǎn)品,是需要進行一定的計算和測試。一般需要考慮尺寸跟結(jié)構(gòu)膠破壞時候的尺寸要進行比較,要跟初期的缺陷和裂紋的曲線也要進行相應(yīng)的匹配。
增韌同時也要在低溫下使用,我們羅列了三種增韌技術(shù),分別在零下40—60度。通過以上的增韌技術(shù)的開發(fā),我們羅列了390、395結(jié)構(gòu)膠的對比,相對于常規(guī)1.2以上的高密度結(jié)構(gòu)膠來說,用量上可以實現(xiàn)8%—10%的下降。同時也可以實現(xiàn)6%以上的拉伸延伸率,相當(dāng)于行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)樣品,能夠更快的實現(xiàn)積極增長。
最后一個問題,我們以前在匯報當(dāng)中有提過,我們發(fā)現(xiàn)對于副板和主梁粘貼區(qū)域,在固化以后往往會發(fā)現(xiàn)以下幾種缺陷,首先收膠的時候刮的膠最后突出來的,結(jié)構(gòu)膠和副板出現(xiàn)剝層情況以及展向裂紋等三個問題,對于長期的疲勞都是有一個負(fù)面的影響,我們希望通過這個項目,能夠解決這三個問題,主梁和腹板之間的黏度是固定還是會變化?很多客戶反應(yīng)這個問題一般在冬季比夏季高發(fā)。我們?yōu)榱吮O(jiān)控位移變化,使用了位移傳感器,分別在住梁和腹板都進行相應(yīng)的觀察。這是在冬季采集的數(shù)據(jù),固化過程當(dāng)中,腹板和主梁間歇變化1.4毫米,結(jié)構(gòu)膠脫層和展向裂紋,液壓鎖扣間隙變化是0.4毫米以下,模具反邊問題變化是1.5毫米。如果有客戶希望在模具來監(jiān)控葉片內(nèi)部主梁和腹板之間的粘貼間隙變化,我們是不建議的,因為本身的模具在固化當(dāng)中,尺寸的限制,內(nèi)部和外部的間隙變化是出現(xiàn)完全不一致的情況。
為了確認(rèn)不是因為結(jié)構(gòu)膠本身固化造成的原因,我們也自己開發(fā)了一些實驗。首先直接把結(jié)構(gòu)膠放在50度和90度下進行固化,沒有加載任何的間隙變小的情況。整個固化完之后外觀是變化的,另外本身的靜態(tài)結(jié)構(gòu)膠不會發(fā)生自發(fā)流動。右下角這張圖是50度條件下,運用反向力原位計劃收縮的發(fā)生,固化收縮的確會引起粘貼間隙的變小,固化收縮不是一個主要原因,也證明了在整個固化過程當(dāng)中,體積是以變小為主要的,而不是以膨脹為主。
如果我們加載變化,又會怎么樣?我們加載20%粘貼間隙變小,下面兩張圖分別是在30分鐘和90分鐘加載的情況,最終的結(jié)論,粘貼間隙變小是主因,50%的粘貼間隙變小,就會形成脫層和裂紋,間隙變小可能源于模型和殼體在加熱過程中體積膨脹造成的。為何冬季高發(fā)?冬季加熱時,溫度變化范圍更大,體積變化更明顯。夏季前后緣的結(jié)構(gòu)膠固化速度較快,可以抵御殼體的體積變化。結(jié)構(gòu)膠的影響,結(jié)構(gòu)膠的粘度下降,體積膨脹和固化的收縮不是主要原因。以上就是我的匯報,謝謝大家。
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