不同介質對碳纖維拉擠板材層間剪切性能的影響

楊 忠，江一杭，劉鮮紅，張春愛，王朋飛

(東方電氣(天津)風電葉片工程有限公司 天津 300480)

0 引 言

隨著功率需求的增加，葉片尺寸設計越來越長，碳纖維增強復合材料由于其較高的比強度和比模量，逐步應用于超大型葉片生產制造[1]。目前風電行業內90 m級以上葉片出現多款碳纖維葉片設計，LM設計的107 m超長碳纖維葉片刷新了人們對葉片材料設計的認識[2-4]。在諸多碳纖維成型工藝中，拉擠工藝生產的碳纖維板材相較于真空灌注、預浸料工藝更穩定，其纖維含量進一步提升，模量進一步增加，能更好地克服超長葉片剛度不足、強度冗余問題[5-7]。

由于碳纖維板材層間抗剪強度遠低于纖維強度，而板材層間低抗剪強度和層間高的應力容易導致分層損傷[8-9]，故在拉擠板材設計中，已將板材間抗剪切強度作為表征碳板與碳板之間性能的重要指標，這也是風電行業的研究熱點。

1 試驗部分

1.1 原材料及設備

1.1.1 材料

玻璃纖維雙軸向織物(±45°，808 g/m2)；玻璃纖維方格布(W200 g/m2，0°/90°)；玻璃纖維連續氈(M300 g/m2)；碳纖維拉擠板材(200 mm×5 mm)；環氧樹脂主劑DQ230E；環氧樹脂固化劑DQ234H。

1.1.2 設備

萬能試驗機(100 kN)；游標卡尺(0.01 mm)。

1.2 試驗過程

將200 mm×5 mm規格的碳纖維拉擠板材裁剪成試樣，在表面分別鋪放玻璃纖維兩向布(±45°，808 g/m2)、玻璃纖維方格布(200 g/m2)、玻璃纖維連續氈(300 g/m2)3種不同介質，按圖1所示進行鋪層，采用VARTM工藝制備碳纖維復合材料。

圖1 剪切測試制樣示意圖Fig.1 Schematic diagram of shear test sample preparation

固化條件：預固化35℃/12 h，后固化70℃/8 h。測試項目及標準見表1。

表1 測試項目及標準Tab.1 Test items and standards

2 結果與討論

碳纖維拉擠板材中間分別采用玻璃纖維兩向布(±45°，808 g/m2)、玻璃纖維方格布(200 g/m2)、玻璃纖維連續氈(300 g/m2)3種介質與空白樣(無介質)進行對比。

2.1 層間剪切測試

測試結果見表2，破壞形貌見圖2。

表2 層間剪切測試數據表Tab.2 Data of interlaminar shear test

圖2 拉擠碳板層間剪切破壞形貌Fig.2 Interlaminar shear failure morphology of pultruded carbon plates

從測試數據看，采用連續氈的層間抗剪強度最佳，其次是方格布，最差的是雙向布。從破壞方式看，均出現在碳板與碳板之間，屬于界面損壞。

2.2 凸臺剪切測試

測試結果見表3，破壞形貌見圖3。

表3 凸臺剪切測試數據表Tab.3 Data of boss shear test

圖3 拉擠碳板凸臺剪切破壞形貌Fig.3 Boss shear failure morphology of pultruded carbon plates

從測試數據看，采用連續氈的凸臺剪切強度最佳，其次是雙向布，最差的是方格布。從破壞方式看，均出現在碳板與碳板之間，屬于界面損壞。

2.3 搭接剪切測試

測試結果見表4，破壞形貌見圖4。

圖4 拉擠碳板搭接剪切破壞形貌Fig.4 Lap shear failure morphology of pultruded carbon plates

表4 搭接剪切測試數據表Tab.4 Data of lap shear test

從測試數據看，采用連續氈的層間抗剪強度最佳，其次是雙向布，最差的是方格布。從破壞方式看，均出現在碳板與碳板之間，屬于界面損壞。

上述3種測試結果表明，最終破壞均出現在碳板之間，可以說明碳板間剪切性能屬于結構薄弱點。對比3種不同測試方法，連續氈的層間抗剪強度最佳。主要原因是連續氈是將玻璃纖維連續原絲按照標準排布均勻拋落，原絲通過自由落體隨機繞圈分布，所以比表面積大、樹脂含量高與拉擠板材結合性能要好于兩向布和方格布。

3 結 論

采用不同介質驗證了對拉擠板材間層剪切性能的影響，其中使用連續氈的剪切性能最佳。采用不同測試方法表征碳纖維拉擠板間剪切性能存在較大的差異，采用層間剪切測試方法的強度測試值最高。■