CWPC2024：吉林重通成飛新材料股份公司質量管理部副部長劉靖宇發表《風電葉片用大厚度輕木質量控制技術的研究與應用》的演講

各位大家好，我來自吉林重通成飛新材料管理部，我今天分享的題目是：風力發電葉片大厚度輕木質量控制技術的研究與應用。

我分享的內容主要是這樣5個部分：

1.成飛公司簡介

我們公司是重慶機電集團旗下的企業，主業是風力發電葉片的制造。我們在07年開始進入風力葉片行業，到目前為止已經有11個年頭?，F在我們總共形成了重慶總部為中心、4個生產制造基地、1個運維服務基地、1個葉片的循環回收基地的產業布局。

2.研究背景

今天我分享報告內容的研究背景，由于現在風力發電葉片越做越大，對于這樣葉片所使用的材料，我們發現在生產制造的過程當中有很多之前沒有面臨到的問題，在我們認為很熟悉、驗證很充分的材料當中出現了一些新的問題，這是這次研究的背景。

3.厚輕木質量問題研究

（圖示）以下是比較典型的葉片解剖結構，右邊的圖是我們經常在葉片制造過程中經常會看到的一些情況，像芯材區的氣泡，以及分層，甚至把分層打開之后可以看到中間的輕木已經被燒焦碳化掉了。

究其機理，對于這樣的情況，之前我們葉片廠商也有很充分的研究，對這個發生的機理基本上有一個共識：就是葉片的環氧樹脂體系是一個在固化過程當中氨解反應，形成一個大型的膠粘體，會產生大量的反應熱。其中這個體系當中胺內固化劑、混合后的樹脂體系在水的作用下都會更快促進反應的發生，更集中產生反應熱。其中的水有可能來自于高速路的環境，也有可能來自真空系統里面的輔材，或者受潮玻纖里的水分。當然更多的，同數量級來說輕木作為一種木材，它會有更多的水分從輕木中來。而加速之后的反應會提供更多的熱量，它在葉片當中發生富集。如果我們沒有辦法把熱量及時移除掉，或者里面有一些比較集中的樹脂放熱，那體系里的溫度會快速上升，樹脂里一些小分子組分就已經達到它的沸點，產生沸騰效應，然后出現氣泡的富集，甚至有些高溫會造成輕木碳化和分層。

（圖示）這是一些常見的可能造成極易吸濕、富集樹脂的疏松結構。

進入30毫米以上厚度輕木應用之后，我們發現最近幾年這種輕木越用越多，新的規律較之前體現出來了。比如某款葉片上，我們發現紅線位置是輕木的導角，30毫米之后輕木的厚度比30毫米厚度以內的輕木有明顯的增加。我們用以往解決思路嘗試了很多解決方法都沒有很好的效果，我們后來考慮到這個材料本質上來說雖然是復合材料用得比較多的結構芯材，但它還是一種木材，我們嘗試回歸木材的角度去看它。在這個角度，我們和其他比較薄的輕木究竟有什么區別，即便我們在這些木頭里沒有看到一些疏松結構跡象，但它還是會更多出現這個問題。

回到木頭角度來看輕木，我們發現從木材行業加工來看，木頭里水分是呈3種狀態存在：游離態形式在木頭中存在，去除掉自由水；存在于輕木的細胞壁當中，并且以吸附狀態存在于細胞羥基上的吸附水，結合水；和細胞壁密切結合，形成化合水。在這3種水里，我們再進一步查找相應的文件，發現在水的烘干加工過程當中，其實在木頭從最開始天然木材砍下來保水狀態，到最后逐步烘干、逐步干燥，它會到達一個絕干的狀態。而在這個之間有一個很奇妙的點，有一個纖維飽和點這樣的狀態。在這個狀態下，整個木材細胞壁處于飽和狀態，而中間自由水是全部被烘干。在這個點以下，木頭在空氣中吸濕會發生膨脹，如果干燥會發生收縮，這個和大家之前用的12%輕木含水率標準來看，可以看到我們在場內用的輕木復合纖維飽和點以下狀態。

在這樣的特征下，怎么想辦法解決這個問題，這個狀態下自由水已經被干掉了?；纤绻凶兓?，那輕木的力學性能包括電氣性能都會有變化，我們現在用的達不到這樣的狀態，所以說現在我們要去解決的對象就是輕木當中加工場域結合水，以及加工完成重新吸附這部分結合水。

統計它的規律之后發現，輕木如果含水率大于8%，或者厚度大于30毫米，這種問題是更多頻發。對于這個問題的原因我們進行深入分析，首先想到一個點，是不是我們在加工過程當中輕木最終真實含水率并沒有被準確的檢測到呢。因為從含水率低于木材纖維飽和點之后再繼續烘干，其實水分的排除和擴散會遵循擴散的移動，或者是毛細作用，或者是蒸汽液態交替的作用，這3個作用最后形成的結果，一個木材中間含水率是明顯要高于兩側的。不管是輕木材料的制造廠家和葉片制造廠家，我們常用含水率檢測儀器探針小于10毫米，如果用這個來測明顯是探不了最中心，現在30毫米或者更厚的輕木是探測不了含水率的。另外是木材吸濕效應會對我們產生影響，我們也統計了不同季節場內葉片缺陷趨勢，從DPU來看，在某些空氣濕度比較大的季節下，和輕木有關的DPU明顯上升的。這是因為木頭加工過程中會趨向于達成一個平衡含水率，不再吸濕。平衡含水率并不是固定的值，會隨著季節的變化，包括濕度、溫度變化呈一個變化趨勢。而在濕度較高的一些細節，最終木頭放在那兒同樣的環境但濕度更高，它會更傾向于達到較高的含水率指標。

輕木結合水極限逸出效應及剩余水分總含量影響，這是輕木生產端及葉片制造端工藝的差異引起的，有這方面影響。大家可以很簡單理解，我們如果是把輕木加工廠，雖然大家分布的地方不一樣，海拔并不高。我們就把它視作一個標準大氣壓的生產環境，這個生產環境下水的沸點是100攝氏度，即便最高溫度去烘它，這里結合水都會大量剩余。而且實際上更多的烘干溫度是50度、60度這個水平，這時候剩下的水在進到葉片廠制造環節，這里有多少剩余的結合水，在極限狀態下都會溢出來。最后這些逸出來的水分融入樹脂體系，促進樹脂體系的放熱。為什么厚輕木會有更多的缺陷出來，因為厚輕木體積相較薄輕木會有更多水分溢出，會對我們灌注體系更大的影響。

4.厚輕木質量控制方法

找到這個原因之后，我們和材料廠家一起探索，研究出這樣幾個控制的解決方案：

材料的終端，輕木原材料，要求整個材料不管是原產地國的毛料加工、光料加工、Block加工都要達到控制標準，12%以下。不光是成品、原材料環節要控制，我們發現最后即便成品達到了，我們反查場內生產記錄，一些原料含水率明顯超標批次出現問題的概率會更大，這個有可能是長途從原產地國到國內運輸過程中更多霉菌滋生會破壞輕木的管包，使它從閉孔結構變成開孔結構的影響，我們同樣要使用比較長的探針進行探測。二是提高烘干溫度，以及要求同時進行富壓的除濕烘干，并且烘干完成之后對于烘干后輕木封孔過程，也要縮短到封孔過程的間隔時間。因為在木材烘干完成之后，它會有一個吸濕滯后現象，如果敞開時間太久的話重新吸濕，會使輕木含水率快速上升。

通過整個改善來看，最后做到的幾個點：將輕木含水率降到12%以內，8%以下的控制標準。另外對于整個烘干環節及后續烘干封孔也有相應的工藝調整。關于之后的改善，我們有幾個想法：真空烘干設備，這個我們也在探索?？傮w來說，這個設備由于更高的溫度和更高的真空度，在沒有真空壓力控制的情況下，它會使木材有更大幅度的干縮，所以現在這個設備還沒有很好的應用。另外，木材的微波干燥設備在使用時，很多材料廠也在用這個設備。我們是建議大家在使用時也要對它進行更加充分的驗證，因為這個設備類似于微波爐原理，從中間水分蒸發，把熱量排出來。我們在文獻上也看到過，它有可能會對整個輕木內部纖維有破壞。我們也在之前使用材料廠家當中看到過比較嚴重的后果，這個輕木在中間發生了碳化。

5.展望

關于接下來風電材料質量控制方面的展望，我們在成本壓力下有更多的風險和挑戰，比如新材料應用加快了，比如極致降本壓力下面臨更頻繁的變更需求?，F在也有一些大家降本邏輯并不是很清楚，但整個行業在降，我也必須要跟上才能有市場，希望大家能夠在降本邏輯很清晰情況下采取更有效的控制措施。

另外，這次我們遇到一些老的材料可能變成了陌生的熟面孔，對于成熟材料在新的應用場景下的探索也是需要關注的一些事情。

以上是我的分享，謝謝大家！