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，需要通過可靠耐久的結(jié)構(gòu)承受各種外部載荷；也需要通過防護(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，但實(shí)際上，外部的環(huán)境條件瞬息萬變，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，如何通過有限時(shí)間的測(cè)試來滿足整個(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，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
　　在老化的過程中，能量通過輻射從太陽傳遞到葉片表面。輻射所傳遞的能量取決于太陽光光線與葉片表面的之間的夾角以及光線的波長。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太陽光輻射
　　太陽光是太陽電磁輻射的可見部分，包括多種不同波長的光線。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的波長是三者中最長的，因此能量也是三者中最低的；但本文只討論UUA（波長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。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測(cè)量聚合物表面的物理、力學(xué)和化學(xué)屬性的變化來判斷退化的情況。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其表面的物理、力學(xué)及化學(xué)屬性的改變來判定。該方法也可以通過引入一個(gè)加速因子來計(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進(jìn)行加速測(cè)試。采用不同波長的UV或疝氣燈測(cè)試來進(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。