羅茨鼓風(fēng)機(jī)涂料失效微觀機(jī)理分析

山東錦工有限公司是一家專業(yè)生產(chǎn)羅茨鼓風(fēng)機(jī)、羅茨真空泵、回轉(zhuǎn)風(fēng)機(jī)等機(jī)械設(shè)備公司，位于有“鐵匠之鄉(xiāng)”之稱的山東省章丘市相公鎮(zhèn)，近年來，錦工致力于新產(chǎn)品的研發(fā)，新產(chǎn)品雙油箱羅茨風(fēng)機(jī)、水冷羅茨風(fēng)機(jī)、油驅(qū)羅茨風(fēng)機(jī)、低噪音羅茨風(fēng)機(jī)，贏得了市場(chǎng)好評(píng)和認(rèn)可。

近年來，我國(guó)的羅茨鼓風(fēng)機(jī)發(fā)展迅速，尤其是在國(guó)家保增長(zhǎng)的政策的推動(dòng)下，將新能源—羅茨鼓風(fēng)機(jī)的發(fā)展作為我國(guó)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的發(fā)展大計(jì)，全國(guó)各地的羅茨鼓風(fēng)機(jī)事業(yè)發(fā)展迅速。羅茨鼓風(fēng)機(jī)作為將電能轉(zhuǎn)化為風(fēng)能的一種非常好的機(jī)械裝置，受到廣泛地應(yīng)用。而保證羅茨鼓風(fēng)機(jī)的一個(gè)非常重要的部位—羅茨風(fēng)機(jī)葉片的良好狀況是一個(gè)十分重要的研究課題。眾所周知，羅茨鼓風(fēng)機(jī)一般假設(shè)在多沙的西北地區(qū)或者是環(huán)境濕潤(rùn)的易造成腐蝕的沿海地區(qū)或者直接就在海上，這些地區(qū)都是環(huán)境比較惡劣的地方，因而對(duì)羅茨風(fēng)機(jī)葉片的要求比較高。目前，為了達(dá)到使羅茨風(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)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(qiáng)化的環(huán)氧樹脂。
1 羅茨風(fēng)機(jī)應(yīng)用現(xiàn)狀
人類對(duì)風(fēng)能的成熟的產(chǎn)業(yè)化開發(fā)和利用起始于上個(gè)世紀(jì)90年代初期，到目前已有二十余年的歷史。盡管目前全球風(fēng)力發(fā)電廠裝機(jī)容量不到全球電力生產(chǎn)總裝機(jī)量的1%，但是最近10年來羅茨鼓風(fēng)機(jī)組的裝機(jī)容量增長(zhǎng)速度一直保持在25%以上，可知風(fēng)能利用的發(fā)展勢(shì)頭是非常良好的。從全球范圍來看，風(fēng)能的開發(fā)和利用已經(jīng)從試驗(yàn)階段轉(zhuǎn)向產(chǎn)業(yè)化階段。據(jù)有關(guān)報(bào)告預(yù)測(cè)，到2017年，全球在羅茨鼓風(fēng)機(jī)項(xiàng)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(jī)的累計(jì)投資額有望達(dá)到8200億美元，全球羅茨鼓風(fēng)機(jī)裝機(jī)總?cè)萘浚懮虾秃Ｉ享?xiàng)目，將從2011年的2.36億千瓦上升到5.63億千瓦。既然風(fēng)能利用有如此美好的前景，那么我們當(dāng)然有義務(wù)去研究將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的機(jī)械裝置—羅茨鼓風(fēng)機(jī)。
2 研究方向
前文說到我們有義務(wù)去研究羅茨鼓風(fēng)機(jī)，而進(jìn)行這方面研究的專家和學(xué)者有許多人，因此在這里我們僅就一個(gè)比較小的方面“羅茨風(fēng)機(jī)葉片涂料失效的微觀機(jī)理”進(jìn)行有關(guān)的討論。我們都知道，現(xiàn)在對(duì)羅茨風(fēng)機(jī)葉片的保護(hù)措施主要是在其表面上進(jìn)行涂層，盡管這樣可以提高葉片的性能，但是由于羅茨風(fēng)機(jī)所處環(huán)境的惡劣，比如說酸的腐蝕，沙粒的磨損等都會(huì)使羅茨風(fēng)機(jī)葉片上面的涂料受到損傷，下面我們就針對(duì)上述問題進(jìn)行討論。
3 實(shí)驗(yàn)研究
3.1 原理
由于涂層是涂在金屬的羅茨風(fēng)機(jī)葉片上，而羅茨風(fēng)機(jī)葉片在受到沙粒磨損和酸腐蝕時(shí)，亦或是羅茨風(fēng)機(jī)葉片整體受到拉伸時(shí)，骨架和涂料的變形情況相同，僅是羅茨風(fēng)機(jī)的涂料受到損傷，故而，我們可以暫且不考慮內(nèi)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(shí)驗(yàn)材料為玻璃纖維強(qiáng)化環(huán)氧樹脂。環(huán)氧樹脂的拉伸模量為2.9GPa，拉伸強(qiáng)度為65.5MPa，拉伸斷裂應(yīng)變?yōu)?.2%，密度為1.25g/。
試件為模壓成形的復(fù)合材料層合板，纖維鋪設(shè)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(hù)試件。
3.3 循環(huán)加載實(shí)驗(yàn)
循環(huán)加載實(shí)驗(yàn)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(shù)的循環(huán)加載。因?yàn)榱_茨風(fēng)機(jī)葉片在風(fēng)力的作用下會(huì)發(fā)生拉伸變形，這與將復(fù)合材料涂層進(jìn)行拉伸的情況類似，故而可以將涂層材料進(jìn)行單獨(dú)的拉伸實(shí)驗(yàn)來研究其微觀損傷機(jī)理。本循環(huán)加載試驗(yàn)是在INSTRON-5569電子材料萬能試驗(yàn)機(jī)上完成的，加載的速度為10mm/min。機(jī)器的最高載荷值根據(jù)每組試件的靜態(tài)強(qiáng)度值確定，本實(shí)驗(yàn)最高循環(huán)載荷取靜強(qiáng)度值的70%左右。我們的整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程在計(jì)算機(jī)的控制下自動(dòng)完成的，試件拉伸過程中的載荷-位移曲線、應(yīng)力-應(yīng)變曲線可直接通過計(jì)算機(jī)保存或輸出。
3.4 酸腐蝕實(shí)驗(yàn)
酸腐蝕實(shí)驗(yàn)是指將試件放置在某一特定的酸性環(huán)境中，并在此環(huán)境中保持一定長(zhǎng)度的時(shí)間，隨后觀察在某一設(shè)備上觀察試件的腐蝕損傷情況。由于有的羅茨風(fēng)機(jī)是工作在沿海地區(qū)等腐蝕性比較大的環(huán)境中，故而也可以用酸溶液造成的酸性環(huán)境來近似模擬羅茨風(fēng)機(jī)所處的腐蝕環(huán)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(jìn)行。將不同加載次數(shù)的層合板制成25mmx25mmx10mm的試件，并將進(jìn)行了酸腐蝕實(shí)驗(yàn)的試件也制成相同大小的試件，對(duì)其表面進(jìn)行噴碳處理后用SEM觀察其微觀損傷形貌。
4 微觀損傷機(jī)理分析
圖一為[+45°/-45°]環(huán)氧樹脂層合板未加載原始試件和加載循環(huán)60次后試件的SEM照片。由照片可見經(jīng)加載循環(huán)后的試件與原始試件有明顯差異：原始橫斷面上的各個(gè)纖維之間，以及纖維與基體樹脂之間，除了個(gè)別的制造缺陷和原始孔洞之外，纖維與基體之間的結(jié)合非常緊密；而經(jīng)過了加載循環(huán)的試件的橫斷面上可以看到一些孔洞。這是由于纖維縮進(jìn)與基體脫黏造成的，同時(shí)也存在一些纖維的拔出。由以上可知，一般界面損傷發(fā)生在材料服役的早期。另外，通過對(duì)不同角度敷設(shè)的纖維強(qiáng)化分析可得另外的損傷機(jī)理有基體損傷以及纖維損傷。
通過纖維化環(huán)氧樹脂的酸腐蝕實(shí)驗(yàn)得到的照片也可以看出處在酸性環(huán)境中的試件與原始試件（處在正常環(huán)境中）有一些差異：原始橫斷面上的各個(gè)纖維之間，以及纖維與基體樹脂之間，除了個(gè)別的制造缺陷和原始孔洞之外，纖維與基體之間的結(jié)合非常緊密；而經(jīng)過了酸腐蝕實(shí)驗(yàn)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(jié)語
通過對(duì)羅茨風(fēng)機(jī)葉片涂層材料的拉伸載荷實(shí)驗(yàn)和酸腐蝕實(shí)驗(yàn)，我們可以得到羅茨風(fēng)機(jī)葉片外表涂層材料失效的微觀機(jī)理主要有以下幾個(gè)面：涂層材料的基體的損傷、纖維強(qiáng)化相的損傷、纖維強(qiáng)化相和涂層材料基體界面的損傷等。

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