羅茨鼓風機涂料失效微觀機理分析

羅茨鼓風機涂料失效微觀機理分析

山東錦工有限公司是一家專業生產羅茨鼓風機、羅茨真空泵、回轉風機等機械設備公司，位于有“鐵匠之鄉”之稱的山東省章丘市相公鎮，近年來，錦工致力于新產品的研發，新產品雙油箱羅茨風機、水冷羅茨風機、油驅羅茨風機、低噪音羅茨風機，贏得了市場好評和認可。

近年來，我國的羅茨鼓風機發展迅速，尤其是在國家保增長的政策的推動下，將新能源—羅茨鼓風機的發展作為我國經濟可持續發展的發展大計，全國各地的羅茨鼓風機事業發展迅速。羅茨鼓風機作為將電能轉化為風能的一種非常好的機械裝置，受到廣泛地應用。而保證羅茨鼓風機的一個非常重要的部位—羅茨風機葉片的良好狀況是一個十分重要的研究課題。眾所周知，羅茨鼓風機一般假設在多沙的西北地區或者是環境濕潤的易造成腐蝕的沿海地區或者直接就在海上，這些地區都是環境比較惡劣的地方，因而對羅茨風機葉片的要求比較高。目前，為了達到使羅茨風機葉片能夠滿足惡劣氣候條件的要求，一般采用的是在羅茨風機葉片的表面涂上一層涂層材料，而通常采用的涂層材料是纖維強化的環氧樹脂。
1 羅茨風機應用現狀
人類對風能的成熟的產業化開發和利用起始于上個世紀90年代初期，到目前已有二十余年的歷史。盡管目前全球風力發電廠裝機容量不到全球電力生產總裝機量的1%，但是最近10年來羅茨鼓風機組的裝機容量增長速度一直保持在25%以上，可知風能利用的發展勢頭是非常良好的。從全球范圍來看，風能的開發和利用已經從試驗階段轉向產業化階段。據有關報告預測，到2017年，全球在羅茨鼓風機項目的投資將從2011年的770億美元增至1530億美元。這6年間，新裝機的累計投資額有望達到8200億美元，全球羅茨鼓風機裝機總容量，包括陸上和海上項目，將從2011年的2.36億千瓦上升到5.63億千瓦。既然風能利用有如此美好的前景，那么我們當然有義務去研究將風能轉化為電能的機械裝置—羅茨鼓風機。
2 研究方向
前文說到我們有義務去研究羅茨鼓風機，而進行這方面研究的專家和學者有許多人，因此在這里我們僅就一個比較小的方面“羅茨風機葉片涂料失效的微觀機理”進行有關的討論。我們都知道，現在對羅茨風機葉片的保護措施主要是在其表面上進行涂層，盡管這樣可以提高葉片的性能，但是由于羅茨風機所處環境的惡劣，比如說酸的腐蝕，沙粒的磨損等都會使羅茨風機葉片上面的涂料受到損傷，下面我們就針對上述問題進行討論。
3 實驗研究
3.1 原理
由于涂層是涂在金屬的羅茨風機葉片上，而羅茨風機葉片在受到沙粒磨損和酸腐蝕時，亦或是羅茨風機葉片整體受到拉伸時，骨架和涂料的變形情況相同，僅是羅茨風機的涂料受到損傷，故而，我們可以暫且不考慮內在的金屬骨架，只去研究金屬骨架外部的涂層材料的狀況。
3.2 材料和試件
實驗材料為玻璃纖維強化環氧樹脂。環氧樹脂的拉伸模量為2.9GPa，拉伸強度為65.5MPa，拉伸斷裂應變為2.2%，密度為1.25g/。
試件為模壓成形的復合材料層合板，纖維鋪設角度為[+45°/-45°]。試件為矩形，尺寸為130mmx15mmx2.2mm。為了防止試件端部損傷，在試件的兩端粘接鋁片以保護試件。
3.3 循環加載實驗
循環加載實驗是指將試件加載到某一恒定的載荷，并在此載荷下讓試件承受不同次數的循環加載。因為羅茨風機葉片在風力的作用下會發生拉伸變形，這與將復合材料涂層進行拉伸的情況類似，故而可以將涂層材料進行單獨的拉伸實驗來研究其微觀損傷機理。本循環加載試驗是在INSTRON-5569電子材料萬能試驗機上完成的，加載的速度為10mm/min。機器的最高載荷值根據每組試件的靜態強度值確定，本實驗最高循環載荷取靜強度值的70%左右。我們的整個實驗過程在計算機的控制下自動完成的，試件拉伸過程中的載荷-位移曲線、應力-應變曲線可直接通過計算機保存或輸出。
3.4 酸腐蝕實驗
酸腐蝕實驗是指將試件放置在某一特定的酸性環境中，并在此環境中保持一定長度的時間，隨后觀察在某一設備上觀察試件的腐蝕損傷情況。由于有的羅茨風機是工作在沿海地區等腐蝕性比較大的環境中，故而也可以用酸溶液造成的酸性環境來近似模擬羅茨風機所處的腐蝕環境。
3.5 微觀損傷觀察
微觀損傷分析在日本S-570掃描電子顯微鏡上進行。將不同加載次數的層合板制成25mmx25mmx10mm的試件，并將進行了酸腐蝕實驗的試件也制成相同大小的試件，對其表面進行噴碳處理后用SEM觀察其微觀損傷形貌。
4 微觀損傷機理分析
圖一為[+45°/-45°]環氧樹脂層合板未加載原始試件和加載循環60次后試件的SEM照片。由照片可見經加載循環后的試件與原始試件有明顯差異：原始橫斷面上的各個纖維之間，以及纖維與基體樹脂之間，除了個別的制造缺陷和原始孔洞之外，纖維與基體之間的結合非常緊密；而經過了加載循環的試件的橫斷面上可以看到一些孔洞。這是由于纖維縮進與基體脫黏造成的，同時也存在一些纖維的拔出。由以上可知，一般界面損傷發生在材料服役的早期。另外，通過對不同角度敷設的纖維強化分析可得另外的損傷機理有基體損傷以及纖維損傷。
通過纖維化環氧樹脂的酸腐蝕實驗得到的照片也可以看出處在酸性環境中的試件與原始試件（處在正常環境中）有一些差異：原始橫斷面上的各個纖維之間，以及纖維與基體樹脂之間，除了個別的制造缺陷和原始孔洞之外，纖維與基體之間的結合非常緊密；而經過了酸腐蝕實驗的試件的橫斷面上可以看到一些凹坑。這是由于酸的腐蝕造成纖維與基體的破損。
5 結語
通過對羅茨風機葉片涂層材料的拉伸載荷實驗和酸腐蝕實驗，我們可以得到羅茨風機葉片外表涂層材料失效的微觀機理主要有以下幾個面：涂層材料的基體的損傷、纖維強化相的損傷、纖維強化相和涂層材料基體界面的損傷等。

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