玻纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料細觀破壞機理分析

胡翠平 張明璐

摘 要：玻璃纖維增強復合材料（GFRP）具有強烈的結(jié)構(gòu)特性。為充分發(fā)揮其作用，揭示GFRP在橫向壓縮和縱向壓縮荷載作用下的力學性能及破壞機理，本文借助SEM高溫疲勞伺服實驗系統(tǒng)研究了GFRP各向異性特性。結(jié)果表明，當纖維角度大于該臨界角時，試件的壓縮失效機制發(fā)生轉(zhuǎn)變，但纖維角度在大于臨界角的某一范圍內(nèi)變化時，試件的壓縮失效機制相類似。

關鍵詞：玻纖增強環(huán)氧樹脂復合材料；單軸壓縮；破壞機理

1引言

在過去的20多年里，風電產(chǎn)業(yè)在技術水平、性能價格比以及裝機容量等方面都取得了長足的進步。近年來，國際上一直不斷的追求大容量單機風能發(fā)電機。2000年時風能發(fā)電機的單機容量為850KW，而到2003年單機容量翻了一番達到1.8MW。至2006年時單機容量已經(jīng)達到了5MW，單機容量的發(fā)展速度之快，可見一斑。風力發(fā)電機組是由葉片、傳動系統(tǒng)、發(fā)電機、儲能設備、塔架及電器系統(tǒng)等組成的發(fā)電裝置。我們想要獲得較大的風力發(fā)電功率，關鍵在于獲得具有能夠輕快旋轉(zhuǎn)的葉片。因此，風力發(fā)電機葉片（以下簡稱為風機葉片）技術成為風力發(fā)電機組的核心技術。無論是葉片的翼型設計還是它的結(jié)構(gòu)形式都將直接影響風力發(fā)電裝置的功率和性能，成為風力發(fā)電機中最核心的部分。但是由于風機葉片的尺寸大、外形復雜，并且有許多要求（如精度高、強度和剛度高、表面粗糙度低、質(zhì)量分布均勻性好等），使得葉片技術成為制約風電產(chǎn)業(yè)大力發(fā)展的瓶頸。隨著風能發(fā)電機單機容量的不斷提高，所需發(fā)電機轉(zhuǎn)子葉片的尺度也在不斷增大。目前，世界上大型風能發(fā)電機的轉(zhuǎn)子葉片一般長度達到了55m，而在德國已經(jīng)出現(xiàn)了長達 61.5m的長轉(zhuǎn)子葉片風能發(fā)電機。在風力發(fā)電整個裝置成本中，風力發(fā)電轉(zhuǎn)子葉片的成本占 15%-20%，可以看出制造葉片的材料工藝對整個成本有決定性。因此，對于風力發(fā)電轉(zhuǎn)子葉片的材料選擇以及制備工藝優(yōu)化就顯得尤為重要。

玻璃纖維增強復合材料（GFRP）以其質(zhì)量輕、強度高的優(yōu)勢廣泛用于風力發(fā)電機的葉片材料[1，2]。該材料是一種多相體材料，具有明顯的結(jié)構(gòu)特性。為充分發(fā)揮其作用，需明確復合材料在荷載作用下的力學性能。研究表明[3-5]，GFRP的力學性能和損傷破壞規(guī)律不僅取決于各組分材料的性能，同時也取決于材料的細觀結(jié)構(gòu)特性，如纖維的方位角、形狀以及界面性質(zhì)等。目前GFRP材料拉伸性能的研究已較為完善，并取得了一系列結(jié)論[2，6]。但由于實驗精度要求高，實驗數(shù)據(jù)大等因素GFRP壓縮破壞在理論及實驗上的研究都較少，對GFRP材料的壓縮細觀破壞機理尚未得到統(tǒng)一認識[7，8]。因此，本文從細觀角度出發(fā)，借助SEM高溫疲勞伺服實驗系統(tǒng)，研究單軸壓縮條件下GFRP材料的力學性能，分析GFRP材料的細觀破壞機理。

2 GFRP材料細觀損傷特性分析

為分析GFRP材料單軸壓縮條件下強度、彈模變化機制，現(xiàn)選取纖維方向角為與即縱向壓縮和橫向壓縮過程中的SEM圖像。圖2為縱向壓縮破壞過程。可知隨著加載的進行試件表面出現(xiàn)沿纖維方向的裂紋，且裂紋不斷擴大。當加載到一定程度，試件端部附近出現(xiàn)折帶，并且隨著荷載的增加而增大。圖3為試件破壞后的形貌，可以看出該玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料層與層開裂和纖維脫粘現(xiàn)象比較明顯。圖4為橫向壓縮破壞過程。可以看出壓縮時當載荷增加到一定程度，剪應力致使試件內(nèi)部薄弱處產(chǎn)生裂縫；荷載繼續(xù)增加，裂縫擴展或分枝，最后導致試件破壞，而裂縫的擴展走向和分枝主要取決于基體和纖維的性能。圖5為試件橫向壓縮破壞后的電鏡照片，可知材料主要的破壞形式為基體的剪切破壞。與圖3對比發(fā)現(xiàn)，隨著方位角的增大，試件的破壞形式由纖維破壞為主逐漸變?yōu)橐曰w破壞為主。

纖維的方向角度對GFRP材料損傷演化特性的影響引起了極限強度和彈模的變化。在纖維角度較小的情況下，壓縮載荷主要由纖維束承受。纖維束的承載能力明顯高于基體，其壓縮強度要比纖維角度較大的試件高；纖維束之間的相互約束，使其橫向變形相對于纖維角度較大的試件小。隨著纖維角度的增大，基體承載逐漸增加，當基體承載達到一定程度，試件厚度方向的變形增加，橫向變形減小，試件的破壞模式主要是基體與纖維束的脫膠分離。當纖維角度大于某個角度，試件的力學性能變化十分明顯，表明存在某一臨界角。當纖維角度大于該臨界角時，試件的壓縮失效機制發(fā)生轉(zhuǎn)變，但纖維角度在大于臨界角的某一范圍內(nèi)變化時，試件的壓縮失效機制相類似。由此可見纖維方位角對纖維復合材料破壞模式起控制作用。

3結(jié)論

縱向壓縮條件下，GFRP材料破壞以在纖維上破壞為主，表現(xiàn)為層與層開裂和纖維脫粘現(xiàn)象；橫向壓縮條件下，GFRP材料破壞以發(fā)生在基體上為主，表現(xiàn)為試件內(nèi)部薄弱處裂縫擴展或分枝；GFRP材料的細觀破壞機理宏觀上引起了極限強度和彈模的變化。

基金項目：青島工學院2017年度董事長基金資助項目“巖石峰后參數(shù)演化特性及損傷本構(gòu)模型研究”（2017KY009）

參考文獻

[1]胡翠平，譚金彪.纖維增強復合材料單向受壓的實驗研究[J].工業(yè)設計，2011，8：106-107.

[2]周宏偉，易海洋，薛東杰，等.纖維方位角對玻纖復合材料破壞機理的影響研究[J].中國科學：物理學 力學 天文學，2013，43：167–176.

[3]董振英，李慶斌.纖維增強脆性復合材料細觀力學若干進展[J].力學進展，2001，31（4）：555-582.

[4]Needlmena A.An analysis of decohesion along an imperfect interface [J].Int.J.Fracture，1990，42：21-24.

[5]翟可為，陳立，鐘立明，等.單向纖維增強復合材料縱向壓縮強度細觀分析理論評述[J].工業(yè)建筑，2011，41（S）：613-619.

[6]桂樂樂.纖維方位角對復合材料細觀力學行為的影響研究[D].北京：中國礦業(yè)大學，2012.

[7]王艷飛，孫耀寧，孫文磊，等.纖維增強復合材料損傷行為及強度預測細觀力學建模研究進展[J].玻璃鋼/復合材料，2014，6：83-89.

[8]王丹勇，陳以蔚，李樹虎，等.纖維增強復合材料壓縮破壞研究進展[J].材料科學與工程學報，2012，30（4）：639-643.

作者簡介

胡翠平（1983—），女，漢族，山東青島人，講師，碩士，研究方向：工程力學

（作者單位：青島工學院）