CWPC2024：吉林重通成飞新材料股份公司质量管理部副部长刘靖宇发表《风电叶片用大厚度轻木质量控制技术的研究与应用》的演讲

各位大家好，我来自吉林重通成飞新材料管理部，我今天分享的题目是：风力发电叶片大厚度轻木质量控制技术的研究与应用。

我分享的内容主要是这样5个部分：

1.成飞公司简介

我们公司是重庆机电集团旗下的企业，主业是风力发电叶片的制造。我们在07年开始进入风力叶片行业，到目前为止已经有11个年头。现在我们总共形成了重庆总部为中心、4个生产制造基地、1个运维服务基地、1个叶片的循环回收基地的产业布局。

2.研究背景

今天我分享报告内容的研究背景，由于现在风力发电叶片越做越大，对于这样叶片所使用的材料，我们发现在生产制造的过程当中有很多之前没有面临到的问题，在我们认为很熟悉、验证很充分的材料当中出现了一些新的问题，这是这次研究的背景。

3.厚轻木质量问题研究

（图示）以下是比较典型的叶片解剖结构，右边的图是我们经常在叶片制造过程中经常会看到的一些情况，像芯材区的气泡，以及分层，甚至把分层打开之后可以看到中间的轻木已经被烧焦碳化掉了。

究其机理，对于这样的情况，之前我们叶片厂商也有很充分的研究，对这个发生的机理基本上有一个共识：就是叶片的环氧树脂体系是一个在固化过程当中氨解反应，形成一个大型的胶粘体，会产生大量的反应热。其中这个体系当中胺内固化剂、混合后的树脂体系在水的作用下都会更快促进反应的发生，更集中产生反应热。其中的水有可能来自于高速路的环境，也有可能来自真空系统里面的辅材，或者受潮玻纤里的水分。当然更多的，同数量级来说轻木作为一种木材，它会有更多的水分从轻木中来。而加速之后的反应会提供更多的热量，它在叶片当中发生富集。如果我们没有办法把热量及时移除掉，或者里面有一些比较集中的树脂放热，那体系里的温度会快速上升，树脂里一些小分子组分就已经达到它的沸点，产生沸腾效应，然后出现气泡的富集，甚至有些高温会造成轻木碳化和分层。

（图示）这是一些常见的可能造成极易吸湿、富集树脂的疏松结构。

进入30毫米以上厚度轻木应用之后，我们发现最近几年这种轻木越用越多，新的规律较之前体现出来了。比如某款叶片上，我们发现红线位置是轻木的导角，30毫米之后轻木的厚度比30毫米厚度以内的轻木有明显的增加。我们用以往解决思路尝试了很多解决方法都没有很好的效果，我们后来考虑到这个材料本质上来说虽然是复合材料用得比较多的结构芯材，但它还是一种木材，我们尝试回归木材的角度去看它。在这个角度，我们和其他比较薄的轻木究竟有什么区别，即便我们在这些木头里没有看到一些疏松结构迹象，但它还是会更多出现这个问题。

回到木头角度来看轻木，我们发现从木材行业加工来看，木头里水分是呈3种状态存在：游离态形式在木头中存在，去除掉自由水；存在于轻木的细胞壁当中，并且以吸附状态存在于细胞羟基上的吸附水，结合水；和细胞壁密切结合，形成化合水。在这3种水里，我们再进一步查找相应的文件，发现在水的烘干加工过程当中，其实在木头从最开始天然木材砍下来保水状态，到最后逐步烘干、逐步干燥，它会到达一个绝干的状态。而在这个之间有一个很奇妙的点，有一个纤维饱和点这样的状态。在这个状态下，整个木材细胞壁处于饱和状态，而中间自由水是全部被烘干。在这个点以下，木头在空气中吸湿会发生膨胀，如果干燥会发生收缩，这个和大家之前用的12%轻木含水率标准来看，可以看到我们在场内用的轻木复合纤维饱和点以下状态。

在这样的特征下，怎么想办法解决这个问题，这个状态下自由水已经被干掉了。化合水如果有变化，那轻木的力学性能包括电气性能都会有变化，我们现在用的达不到这样的状态，所以说现在我们要去解决的对象就是轻木当中加工场域结合水，以及加工完成重新吸附这部分结合水。

统计它的规律之后发现，轻木如果含水率大于8%，或者厚度大于30毫米，这种问题是更多频发。对于这个问题的原因我们进行深入分析，首先想到一个点，是不是我们在加工过程当中轻木最终真实含水率并没有被准确的检测到呢。因为从含水率低于木材纤维饱和点之后再继续烘干，其实水分的排除和扩散会遵循扩散的移动，或者是毛细作用，或者是蒸汽液态交替的作用，这3个作用最后形成的结果，一个木材中间含水率是明显要高于两侧的。不管是轻木材料的制造厂家和叶片制造厂家，我们常用含水率检测仪器探针小于10毫米，如果用这个来测明显是探不了最中心，现在30毫米或者更厚的轻木是探测不了含水率的。另外是木材吸湿效应会对我们产生影响，我们也统计了不同季节场内叶片缺陷趋势，从DPU来看，在某些空气湿度比较大的季节下，和轻木有关的DPU明显上升的。这是因为木头加工过程中会趋向于达成一个平衡含水率，不再吸湿。平衡含水率并不是固定的值，会随着季节的变化，包括湿度、温度变化呈一个变化趋势。而在湿度较高的一些细节，最终木头放在那儿同样的环境但湿度更高，它会更倾向于达到较高的含水率指标。

轻木结合水极限逸出效应及剩余水分总含量影响，这是轻木生产端及叶片制造端工艺的差异引起的，有这方面影响。大家可以很简单理解，我们如果是把轻木加工厂，虽然大家分布的地方不一样，海拔并不高。我们就把它视作一个标准大气压的生产环境，这个生产环境下水的沸点是100摄氏度，即便最高温度去烘它，这里结合水都会大量剩余。而且实际上更多的烘干温度是50度、60度这个水平，这时候剩下的水在进到叶片厂制造环节，这里有多少剩余的结合水，在极限状态下都会溢出来。最后这些逸出来的水分融入树脂体系，促进树脂体系的放热。为什么厚轻木会有更多的缺陷出来，因为厚轻木体积相较薄轻木会有更多水分溢出，会对我们灌注体系更大的影响。

4.厚轻木质量控制方法

找到这个原因之后，我们和材料厂家一起探索，研究出这样几个控制的解决方案：

材料的终端，轻木原材料，要求整个材料不管是原产地国的毛料加工、光料加工、Block加工都要达到控制标准，12%以下。不光是成品、原材料环节要控制，我们发现最后即便成品达到了，我们反查场内生产记录，一些原料含水率明显超标批次出现问题的概率会更大，这个有可能是长途从原产地国到国内运输过程中更多霉菌滋生会破坏轻木的管包，使它从闭孔结构变成开孔结构的影响，我们同样要使用比较长的探针进行探测。二是提高烘干温度，以及要求同时进行富压的除湿烘干，并且烘干完成之后对于烘干后轻木封孔过程，也要缩短到封孔过程的间隔时间。因为在木材烘干完成之后，它会有一个吸湿滞后现象，如果敞开时间太久的话重新吸湿，会使轻木含水率快速上升。

通过整个改善来看，最后做到的几个点：将轻木含水率降到12%以内，8%以下的控制标准。另外对于整个烘干环节及后续烘干封孔也有相应的工艺调整。关于之后的改善，我们有几个想法：真空烘干设备，这个我们也在探索。总体来说，这个设备由于更高的温度和更高的真空度，在没有真空压力控制的情况下，它会使木材有更大幅度的干缩，所以现在这个设备还没有很好的应用。另外，木材的微波干燥设备在使用时，很多材料厂也在用这个设备。我们是建议大家在使用时也要对它进行更加充分的验证，因为这个设备类似于微波炉原理，从中间水分蒸发，把热量排出来。我们在文献上也看到过，它有可能会对整个轻木内部纤维有破坏。我们也在之前使用材料厂家当中看到过比较严重的后果，这个轻木在中间发生了碳化。

5.展望

关于接下来风电材料质量控制方面的展望，我们在成本压力下有更多的风险和挑战，比如新材料应用加快了，比如极致降本压力下面临更频繁的变更需求。现在也有一些大家降本逻辑并不是很清楚，但整个行业在降，我也必须要跟上才能有市场，希望大家能够在降本逻辑很清晰情况下采取更有效的控制措施。

另外，这次我们遇到一些老的材料可能变成了陌生的熟面孔，对于成熟材料在新的应用场景下的探索也是需要关注的一些事情。

以上是我的分享，谢谢大家！