風(fēng)機(jī)在復(fù)雜的外界環(huán)境中運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)其能量轉(zhuǎn)化功能，需要通過(guò)可靠耐久的結(jié)構(gòu)承受各種外部載荷；也需要通過(guò)防護(hù)體系抵御三類外界侵襲，雖然概括不全面，但編者暫且用四個(gè)系統(tǒng)來(lái)描述：一是防雷系統(tǒng)，二是防腐系統(tǒng)，三是空中交通防護(hù)系統(tǒng)，四是防水系統(tǒng)（含防冰）；這四個(gè)系統(tǒng)承載了除力學(xué)載荷外的其他外界侵襲。值得注意的是，目前的風(fēng)機(jī)關(guān)鍵部件葉片的運(yùn)維頻度比例較高的是防腐系統(tǒng)，前緣防護(hù)層的耐用性成為主要問題，通常2-4年就需要進(jìn)行不同程度的維護(hù)。
　　本文主要討論了風(fēng)電葉片的表面防護(hù)問題。表面防護(hù)層，可以采用膠衣或表面涂層，其材料可以是不飽和聚酯、環(huán)氧或聚氨酯，也是是亞克力（丙烯酸塑料）。風(fēng)電葉片由于長(zhǎng)期暴露在諸如極端天氣等惡劣的環(huán)境條件下，備受侵蝕。
　　目前通過(guò)一些測(cè)試方法,可以確認(rèn)表面防護(hù)系統(tǒng)對(duì)外界環(huán)境的防護(hù)能力,從保證表面防護(hù)系統(tǒng)可以幫助葉片受到盡可能小的損傷。通過(guò)采用現(xiàn)有海事和直升機(jī)上所用的防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)防護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行加速腐蝕測(cè)試，如UV或化學(xué)腐蝕等測(cè)試，可以驗(yàn)證和確保表面涂層的耐用性。
　　第26期譯評(píng)介紹了表面防護(hù)的基本知識(shí)，包括表面防護(hù)的主要影響因素及防護(hù)材料的選材方法和防護(hù)機(jī)理。本期譯評(píng)主要介紹防護(hù)系統(tǒng)性能的測(cè)試方法和評(píng)估手段。
　　1 葉片表面防護(hù)層的性能測(cè)試
　　葉片表面暴露在各種惡劣的環(huán)境條件下，因此如果能夠提前測(cè)試葉片防護(hù)系統(tǒng)在各種條件下的防護(hù)性能當(dāng)然最好不過(guò)，但實(shí)際上，外部的環(huán)境條件瞬息萬(wàn)變，到底哪些因素變化了以及如何變化的也是難以預(yù)測(cè)的，因此驗(yàn)證所有條件下的防護(hù)性能不太實(shí)際。到底選取哪些條件作為測(cè)試對(duì)象，這是制造商需要把握的問題。
　　1.1性能測(cè)試所需考慮的問題
　　有多種不同的方法可以用來(lái)測(cè)試葉片的表面防護(hù)系統(tǒng)。風(fēng)機(jī)運(yùn)行商期待能夠通過(guò)這些測(cè)試確保風(fēng)機(jī)能夠抵御氣候條件的不良影響，能夠完好無(wú)損服役整個(gè)生命周期。而制造商期望快速的測(cè)試就可以驗(yàn)證防護(hù)系統(tǒng)的性能，且能夠滿足客戶的要求。制造商的主要難點(diǎn)在于，如何通過(guò)有限時(shí)間的測(cè)試來(lái)滿足整個(gè)生命周期內(nèi)防護(hù)層性能在各種不同環(huán)境條件下的驗(yàn)證需求。
　　最好的方式當(dāng)然是在自然環(huán)境條件下進(jìn)行測(cè)試，這樣可以觀測(cè)到防護(hù)系統(tǒng)的性能退化過(guò)程。然而，實(shí)際上這根本不是切實(shí)可行的材料壽命測(cè)試方法，特別是測(cè)試對(duì)象的應(yīng)用環(huán)境是各種不同的氣候條件。因此材料的壽命測(cè)試常在人造環(huán)境條件下進(jìn)行。對(duì)比加速測(cè)試和實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的測(cè)試是比較現(xiàn)實(shí)的，但對(duì)比人造環(huán)境和真實(shí)環(huán)境卻難以實(shí)施。也就是說(shuō)，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)表面防護(hù)系統(tǒng)壽命的可行性較差。
　　人們?cè)O(shè)計(jì)了一種大型測(cè)試工廠用來(lái)進(jìn)行戶外和UV輻射測(cè)試。測(cè)試項(xiàng)目和使用人造環(huán)境的具體情況，取決于測(cè)試對(duì)象和風(fēng)機(jī)計(jì)劃裝機(jī)的位置。比如，如果一個(gè)風(fēng)機(jī)要裝在沙漠，就需要進(jìn)行UV退化和噴砂測(cè)試。而對(duì)于海上風(fēng)機(jī)，需要進(jìn)行濕度測(cè)試、UV輻射和鹽霧等方面的測(cè)試。
　　用于戶外表層防護(hù)的聚合物，其性能會(huì)隨著太陽(yáng)光、雨水、冰雹、鹽霧等外部環(huán)境和化學(xué)物質(zhì)的影響而退化。在測(cè)試條件下，這些因素是單獨(dú)還是同時(shí)考慮，取決于測(cè)試的目的。在自然環(huán)境條件下，這些因素會(huì)互相影響，加劇對(duì)防護(hù)系統(tǒng)的侵蝕。
　　在了解表面防護(hù)層的測(cè)試之前，比較重要的一點(diǎn)是，我們應(yīng)該先了解聚合物的退化現(xiàn)象。
　　1.2聚合物的性能退化
　　所謂退化就是聚合物性能發(fā)生不期望的改變。改變可以是物理的，也可以是化學(xué)的。改變包括聚合物主鏈結(jié)構(gòu)的退化，側(cè)鏈基團(tuán)、橫向鏈接的改變，抑或是部分元素的缺失。填料的退化或缺失也會(huì)影響這個(gè)體系，導(dǎo)致防護(hù)系統(tǒng)性能的退化。
　　1.2.1老化
　　在老化的過(guò)程中，能量通過(guò)輻射從太陽(yáng)傳遞到葉片表面。輻射所傳遞的能量取決于太陽(yáng)光光線與葉片表面的之間的夾角以及光線的波長(zhǎng)。大氣層中氧氣和濕氣的綜合作用可以導(dǎo)致化學(xué)退化。腐蝕和風(fēng)沙的磨蝕等因素同樣會(huì)侵襲防護(hù)系統(tǒng)表面引起損傷。
　　1.2.2太陽(yáng)光輻射
　　太陽(yáng)光是太陽(yáng)電磁輻射的可見部分，包括多種不同波長(zhǎng)的光線。其中一部分光線所蘊(yùn)含的能量十分強(qiáng)以致于可以打斷葉片膠衣或涂層的主鍵，即共價(jià)鍵。主鍵被破壞以后，表面涂層就會(huì)退化。陽(yáng)光可以分為UV輻射、可見光和紅外線。大部分輻射都是可見光。但是波長(zhǎng)越短的光線所包含的輻射能越高。UV輻射還以分為UVA、UVB、UVC三個(gè)級(jí)別，其中UVA的波長(zhǎng)是三者中最長(zhǎng)的，因此能量也是三者中最低的；但本文只討論UUA（波長(zhǎng)350～400納米），因?yàn)閁VB和UVC在到底地球之前，已經(jīng)被大氣層吸收了。
　　1.2.3氧氣和濕度
　　聚合物會(huì)與氧氣和水發(fā)生反應(yīng)，因此氧氣和濕度會(huì)影響聚合物的表面。材料本身會(huì)吸水，如大部分情況聚合物和膠衣/涂層會(huì)吸收水分，這是因?yàn)榫酆衔镏邪难鯕夂偷獨(dú)夥肿又写嬖诘挠H水鍵。由于受到UV輻射對(duì)葉片表面的影響，聚合物中存在自由原子團(tuán)。氧氣會(huì)與這些自由原子團(tuán)反應(yīng)，從而形成新的化學(xué)分子。如果結(jié)構(gòu)是開放的，水分子會(huì)進(jìn)入其中，如果聚合物的橫向鏈接不多，水分子就會(huì)侵襲膠衣/涂層或復(fù)合材料結(jié)構(gòu)層。隨后退化的風(fēng)險(xiǎn)就會(huì)增加，因此復(fù)合材料結(jié)構(gòu)層與膠衣或涂層之間的粘合力就會(huì)被極大削減。通常把這個(gè)過(guò)程稱之為熱氧化退化。這是表面涂層、涂層與結(jié)構(gòu)鋪層及其以下結(jié)構(gòu)層化學(xué)退化的起點(diǎn)。開放空間的退化通常都是熱氧化退化。
　　1.2.4退化機(jī)理
　　聚合物體系的退化會(huì)由聚合物主鏈接、橫向鏈接的斷裂或共價(jià)鍵系統(tǒng)或側(cè)向鏈接的改變等多種不同原因所導(dǎo)致。但問題的嚴(yán)重程度并不取決于所發(fā)生改變的類型，而在于受影響的聚合物類型。
　　橫向鏈接在大部分熱固性材料中都可以見到，因?yàn)榇蟛糠直砻娣雷o(hù)層都會(huì)選用熱固性材料。橫向鏈接是通過(guò)官能團(tuán)的能量形成的。而在熱固性材料系統(tǒng)中存在著官能團(tuán)，且其相互之間會(huì)發(fā)生反應(yīng)。在不飽和聚合物體系中，存在不反應(yīng)的雙鏈，但這個(gè)雙鏈會(huì)在吸收太陽(yáng)輻射后產(chǎn)生橫向鏈接。PAI鏈接能量較低，如果聚合物表面有雙鏈存在，就會(huì)引起橫向鏈接的形成。橫向鏈接會(huì)讓聚合物體系變得更強(qiáng)更剛，但卻缺乏韌性，使材料變成脆性。當(dāng)整個(gè)聚合物體積收縮時(shí)，聚合物表面就比較容易形成裂紋；如果濕氣侵襲聚合物體系，就會(huì)發(fā)生聚合反應(yīng)。大部分情況下，聚合反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生空洞，這就進(jìn)一步加劇了水氣的進(jìn)入，產(chǎn)生惡性循環(huán)。
　　聚合物體體系內(nèi)的鍵能通常取決與主鏈接的共價(jià)鍵。表2給出了一些鍵能。聚合物的鍵能越低，被腐蝕發(fā)生退化的風(fēng)險(xiǎn)越高。事實(shí)上表2所示的鍵能都不高，都容易受到UV輻射的侵蝕。 　　氧化率取決于分子結(jié)構(gòu)。雙鍵比脂基更容易被氧化，這是由于其分子結(jié)構(gòu)的不同，脂基在受到UV輻射發(fā)生退化后反而會(huì)變得更穩(wěn)定，尤其是當(dāng)脂基用作側(cè)向鏈接時(shí)。例如MMA(甲基丙烯酸甲酯)用作某膠衣的橫向鏈接就是考慮了這一點(diǎn)。
　　1.3聚合物體系的退化程度測(cè)試
　　可以采用多種不同的方法來(lái)測(cè)試聚合物受外界環(huán)境影響而產(chǎn)生退化的情況。其中一個(gè)方法是通過(guò)測(cè)量聚合物發(fā)生退化時(shí)所產(chǎn)生的顏色和光潔度的改變來(lái)實(shí)現(xiàn)的。大部分風(fēng)電葉片表面防護(hù)色是白色或銀灰色（為了防結(jié)冰，人們也曾經(jīng)采用黑色表面防護(hù)色）。一旦顏色發(fā)生變化就很容易看出來(lái)。而顏色變化是其發(fā)生退化時(shí)首先出現(xiàn)的特征。測(cè)量顏色變化雖然并不能知道其內(nèi)部到底發(fā)生了怎樣的改變，但是卻是產(chǎn)生退化的指針。
　　采用傅立葉紅外光譜儀可以知道聚合物內(nèi)部退化的情況。如果發(fā)生退化，光譜圖中的峰值就會(huì)發(fā)生改變。
　　層析法和分光光度測(cè)定法可用于判定聚合體系在受到輻射影響前后的分子量變化，但這兩種方法只能用于可溶解的材料。
　　另外一種方法是通過(guò)測(cè)量聚合物表面的物理、力學(xué)和化學(xué)屬性的變化來(lái)判斷退化的情況。當(dāng)體系發(fā)生退化時(shí)，其強(qiáng)度和剛度通常也會(huì)發(fā)生變化。如果有橫向鏈接產(chǎn)生，測(cè)試對(duì)象就會(huì)變得更脆更強(qiáng)。同時(shí)確認(rèn)力學(xué)屬性和紅外光譜，就可以判斷是那種化學(xué)物質(zhì)變化影響了聚合物。
　　在人造環(huán)境下，用于表面防護(hù)的聚合物壽命可以通過(guò)其表面的物理、力學(xué)及化學(xué)屬性的改變來(lái)判定。該方法也可以通過(guò)引入一個(gè)加速因子來(lái)計(jì)算評(píng)估表面防護(hù)材料在自然環(huán)境下的的壽命。加速因子的大小取決于引起退化的原因及所引入人造環(huán)境的類別。
　　1.4加速測(cè)試
　　1.4.1 UV測(cè)試和疝燈試驗(yàn)
　　在實(shí)驗(yàn)室條件下，有很多不同的方法可用來(lái)進(jìn)行加速測(cè)試。采用不同波長(zhǎng)的UV或疝氣燈測(cè)試來(lái)進(jìn)行防護(hù)材料壽命的預(yù)測(cè)就是其中兩個(gè)加速測(cè)試方法。提高溫度，反應(yīng)時(shí)間就會(huì)減少，兩者的關(guān)系可以表示為阿亨尼絲方程，如式（1）所示。 　　阿亨尼絲方程式中的k是反應(yīng)的速度常數(shù)，Ea是作用能，T為絕對(duì)溫度，單位為開爾文，R為氣體常數(shù)，A為碰撞頻率因子。