引言风力发电是可再生的清洁能源，依靠风力发电机组中的叶片捕获风能进行发电，风电叶片的质量至关重要，会直接影响风力发电机组的发电效率。目前，风电叶片普遍由玻纤增强环氧树脂复合材料构成，与金属材料相比，该材料重量轻且具有优异的力学性能、耐腐蚀性能和电气绝缘性能[1-3]，但是复合材料的基体环氧树脂是有机聚合物，与金属材料相比，其耐温性能较差[4-5]，在高温环境下环氧树脂的力学性能往往会有一定程度的下降。但是在风电叶片的制造环节或户外风电场工作运行过程中，高温环境较普遍存在，如叶片生产时高温固化后过早脱模造成局部温度过高以及叶片在风电场运行遇到高温天气情况（据相关报道，全球局部地区高温天气的气温能达到50 ℃以上，有的甚至达到60~70 ℃）。高温环境因素可能会对叶片复合材料的性能产生不利影响[6-8]，进而降低叶片的承载能力，叶片在高温下受到载荷时容易产生质量缺陷甚至结构失效。目前，风电行业主要研究高温下纯树脂的力学性能[9-11]，对高温环境下复合材料力学性能的研究相对较少，因此开展高温环境下叶片复合材料的力学性能研究具有较重要的意义。选取风电叶片上常用的单向玻纤织物和环氧树脂，采用真空辅助RTM工艺制备玻纤/环氧树脂复合材料，在常温及高温环境下进行复合材料拉伸、压缩力学试验，探讨高温环境下叶片复合材料力学行为，并借助SEM扫描电镜观察分析在高温下复合材料的微观结构和力学行为变化的内在机制，为风电叶片在高温环境下抗载荷能力和结构安全性分析提供参考。1试验部分1.1原材料与仪器1.1.1试验材料环氧树脂(EP)，牌号Techstorm 180/Techstorm 185，购自道生天合材料科技（上海）有限公司；单轴玻纤织物，牌号HUL1240(0)EP-330E7，购自浙江恒石纤维基业有限公司。1.1.2试验仪器美特斯(MTS)电子万能试验机CMT5105，最大载荷50 kN；吉林三度高低温控制箱，HLTC，温度范围：-48~350 ℃；日立扫描电子显微FlexSEM1000Ⅱ；RTM模具，购自太仓盘齐精密模具有限公司。1.2试样制备及测试1.2.1试件制备裁剪合适大小的四层玻纤织物铺放在模具上（纵向拉伸试样为2层织物），灌注树脂由Techstorm 180树脂和Techstorm 185固化剂按质量比100∶32进行配制，采用真空辅助RTM工艺成型，真空压力保持在(-99±1) kPa，模具升温至50 ℃保温4 h，继续升温至70 ℃保温10 h，各层合板纤维体积含量控制在55±2%。复合材料固化工艺曲线如图1所示。固化结束后脱模，粘贴加强片，并按相应测试标准将复合材料层合板加工成标准试验样件，复合材料样件制备工艺流程如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.06.012.F001图1复合材料固化工艺曲线10.3969/j.issn.1004-7948.2023.06.012.F002图2复合材料样件制备工艺流程1.2.2材料测试采用电子万能试验机按ISO 527-5:2009测试复合材料的纵向拉伸性能和横向拉伸性能，按ISO 14126:1999 测试复合材料的纵向压缩性能。测试时分别将试样放入高低温环境试验箱中，在23 ℃、50 ℃、55 ℃、60 ℃、65 ℃温度条件下测试复合材料的纵向拉伸性能和压缩性能；在23 ℃、55 ℃、65 ℃温度条件下测试复合材料的横向拉伸性能。不同温度条件下力学性能试验共设计13组试验，每组试验含6个试样。选取经过23 ℃和65 ℃温度条件测试的纵向压缩断裂试样，采用精密切割机切割断面部分，将其粘贴在导电胶上，喷钯金导电材料，通过扫描电子显微镜(SEM)观察试样断面的微观形貌。2结果与分析2.1力学性能试验结果对13组力学性能试验的结果进行处理，纵向拉伸和压缩强度取特征值，其余性能均取平均值，各组数据的离散系数均小于10%，试验结果有效。温度对复合材料纵向拉伸强度和模量的影响如图3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.06.012.F003图3温度对复合材料纵向拉伸强度和模量的影响由图3可知，在23~60 ℃温度范围内，随着温度的升高，复合材料的纵向拉伸强度变化轻微；温度大于60 ℃之后，纵向拉伸强度具有明显下降趋势；温度达到65 ℃时，纵向拉伸强度降至950.71 MPa，为常温23 ℃时的88.74%。复合材料的纵向拉伸模量随温度的升高变化不明显，表明温度变化对复合材料纵向拉伸模量的影响较小。温度对复合材料纵向压缩强度和模量的影响如图4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.06.012.F004图4温度对复合材料纵向压缩强度和模量的影响由图4可知，复合材料纵向压缩强度随着温度的升高呈现一定程度的下降趋势，温度达到50 ℃以后，下降趋势更为显著；温度为65 ℃时，纵向压缩强度降至519.01 MPa，为常温23 ℃的64.4%。复合材料纵向压缩模量随着温度的升高仅略有变化，受温度的影响较小。在23~65 ℃温度区间，复合材料纵向拉伸模量和压缩模量受温度变化影响均较小，而纵向拉伸强度和纵向压缩强度随温度升高均有一定下降趋势，但纵向压缩强度受高温环境的影响大于纵向拉伸强度，尤其在温度高于50 ℃以后下降幅度显著加大。由于复合材料由玻纤和树脂通过两者之间的界面复合而成，树脂起支撑纤维并传递载荷的作用，复合材料纵向拉伸和压缩主要由玻纤承担大部分载荷，而树脂的性能对复合材料性能也具有一定影响。随着温度升高，树脂可能因受热与玻纤之间的结合能力减弱，从而影响纤维性能的转化，导致纵向拉伸强度和压缩强度降低；纵向拉伸模量和压缩模量随温度变化不明显，主要是因为树脂的模量要远低于玻纤的模量，温度升高会对树脂模量产生影响，但对复合材料整体模量的影响较小。温度对复合材料横向拉伸强度和模量的影响如图5所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.06.012.F005图5温度对复合材料横向拉伸强度和模量的影响由图5可知，随着温度的升高，复合材料横向拉伸强度和模量均出现显著下降趋势，常温23 ℃时的横向拉伸强度为54.07 MPa，温度升至65 ℃时横向拉伸强度降至40.57 MPa，降幅达24.97%；横向拉伸模量在常温23 ℃时为15.1 GPa，在温度为65 ℃时降至8.89 GPa，降幅为41.1%。由于复合材料横向拉伸垂直于纤维方向，主要靠树脂基体承受载荷，其横向拉伸性能主要取决于树脂基体，随着温度的升高，树脂内部分子热运动加剧，分子间的相互作用力减弱，导致树脂的拉伸强度和模量呈现下降趋势。叶片单向复合材料的纵向拉伸和压缩性能受纤维方向上的力学性能影响，是层合板设计的关键力学性能，决定了叶片复合材料承受极限载荷的能力，其横向性能影响相对较小。设计叶片时通常要求织物(HUD1240)的单向层合板纵向拉伸强度≥950 MPa，纵向压缩强度≥700 MPa，纵向拉伸和压缩模量≥48 GPa。文中试验结果显示，在23~65 ℃温度区间，复合材料的纵向拉伸强度及纵向拉伸和压缩模量均高于设计值；温度高于50 ℃时，复合材料的纵向压缩强度降至700 MPa以下，低于设计值，不满足设计要求。从理论方面分析，该复合材料在温度高于50 ℃时的承载可能出现失效风险，进而影响叶片结构安全。2.2SEM扫描电镜分析为了更好地研究高温环境对叶片单向复合材料力学性能影响的内在机理，分别选取23 ℃和65 ℃温度条件测试后的纵向压缩破坏试样，采用扫描电镜对试样破坏后的微观形貌进行观察分析，纵向压缩断裂试样SEM照片如图6所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.06.012.F006图6纵向压缩断裂试样SEM照片由图6(a)、图6(b)可知，常温(23 ℃)下复合材料断口处纤维表面粗糙且有较多树脂颗粒黏附，表明复合材料在压缩破坏时部分纤维与树脂分离，但纤维与树脂的界面粘接较为良好。由图6(c)、图6(d)可知，65 ℃温度条件下复合材料断口处纤维表面相对较为光滑，大量树脂已从纤维表面脱落分离，表明此时纤维与树脂界面黏结能力较弱。常温下由于玻璃纤维与基体环氧树脂界面黏结良好，两者同时起承载作用，发挥纤维的较高强度。65 ℃高温下，复合材料中树脂和玻纤的界面黏结较差，承受相同大小的载荷时，两种材料的界面更容易脱黏，使复合材料的纵向压缩强度显著下降。分析温度影响树脂和玻纤界面黏结性能的原因，由于两种材料的热膨胀系数存在差异，树脂的热膨胀系数比玻璃纤维的热膨胀系数大很多，随着温度的升高，树脂基体的横向膨胀比玻璃纤维大，导致树脂基体与玻璃纤维的横向挤压作用减弱；复合材料中树脂也会因受热导致分子热运动加剧，从而降低分子间作用力。上述综合因素造成树脂与玻纤的界面黏结性能降低，使树脂对玻纤的支撑能力减弱，纤维性能转化程度降低，最终造成复合材料的性能下降。3结语23~65 ℃温度范围内，随着温度的升高，叶片复合材料的纵向拉伸强度和压缩强度均下降，但纵向压缩强度下降幅度大于纵向拉伸强度，温度高于50 ℃时，复合材料的纵向压缩强度将下降至设计值以下。温度升高对复合材料的纵向拉伸模量和压缩模量的影响较小。叶片复合材料横向拉伸性能主要取决于环氧树脂基体的性能，高温会导致复合材料树脂基体强度和模量降低，从而导致其横向拉伸强度和拉伸模量降低。高温下叶片复合材料中玻纤和树脂的界面黏结性能减弱，纤维性能转化程度降低，导致纵向拉伸强度和压缩强度下降；高温条件下叶片复合材料中的树脂由于分子热运动加剧引起内部分子间作用力减弱，引起树脂性能下降，进而导致其横向拉伸性能下降。为了确保复合材料风电叶片在实际生产过程或应用中的结构安全性，应尽量避免叶片在过高温度下（高于50 ℃）受载或工作运行。