風電葉片大梁用碳纖維拉擠板材組合式加載壓縮（CLC）測試淺析

師 卓，文治天，孫閃閃，方允偉，李 俊，郝鄭濤，陳建明

（南京國材檢測有限公司，南京 210012）

0 前言

隨著我國風力發電葉片大型化、輕量化的發展，采用碳纖維生產葉片大梁已是行業發展的必然需求。目前已有葉片研發和設計單位對風電葉片用碳纖維拉擠板材提出了系統性的指標要求，其中壓縮性能（本文以下論述皆為0°方向壓縮性能）尤為重要。碳纖維拉擠板材的壓縮性能是葉片結構設計和應用時的重要參數之一。其測試結果除了受到材料本身因素如纖維性能、纖維含量、孔隙率、樹脂性能以及試驗方法等的影響外，還受到試樣制備工藝的影響?，F有開展的碳纖維復合材料壓縮性能的研究，主要集中在原材料、成型工藝、測試標準與試驗方法等方面，對試樣制備工藝的研究卻較少。各實驗室均依據各自的經驗制備試樣。因此對于同類型的碳纖維復合材料，不同實驗室之間的測試結果存在一定差異。本文意在通過研究探討試樣制備工藝中加強片的類型對壓縮性能測試結果的影響，從而為風電葉片大梁用碳纖維拉擠板材壓縮試樣的制備提供參考。

ASTM D6641/D6641M-16《采用組合加載方式（CLC）測定聚合物基復合材料層壓板壓縮性能試驗方法》標準所述的組合式加載方式是一種在壓縮過程中將剪切載荷和端部載荷同時引入試樣的方法［1］。目前該方法已被諸如中國飛機強度研究所等實驗室證實可以獲得理想的0°壓縮性能試驗結果［2］，因此本文選擇依據ASTM D6641/D6641M-16標準對風電葉片大梁用碳纖維拉擠板材進行壓縮性能試驗。

1 實驗

1.1 原料

某風電葉片大梁用碳纖維拉擠板材，其設計要求見表1。加強片為玻璃纖維增強樹脂板，分A、B、C 3種類型，其部分性能見表2。粘接加強片所用膠粘劑為康達WD3135/WD3134，配比為100∶45（質量比），拉伸剪切強度性能見表3。

表1 某風電葉片大梁用碳纖維拉擠板材設計要求

表2 加強片性能

表3 膠粘劑性能

1.2 設備

萬能試驗機，3382，ITW集團英斯特朗公司。

1.3 試樣制備與測試

如圖1所示，試樣長度140 mm，寬度13 mm，分別選用A、B、C 3種類型加強片按照ASTM D6641/D6641M-16標準的要求制備試樣，相應的壓縮試樣分別命名為A型試樣、B型試樣和C型試樣。依據ASTM D6641/D6641M-16標準中的組合式加載方式測試壓縮性能，測試儀器為Instron 3382型萬能試驗機，采用應變片測定壓縮應變，試驗速度為1mm/min。試樣安裝時，利用扭力扳手進行安裝，緊固螺栓時扭矩緩慢增大，直至達到所需夾持扭矩（標準推薦一般情況下夾持扭矩選擇2.5~3 N·m）。若試樣發生端部擠壓等形式的無效破壞，可適當增大扭矩。但扭矩也不可過大，否則會造成試樣工作段應力過分集中而導致試樣提前出現破壞，甚者對夾具的夾持面產生不可逆轉的損傷。根據本實驗室經驗，一般所采用的扭矩不宜大于14 N·m。

圖1 壓縮試樣形式與尺寸

本文中采用同一種加強片所制備的試樣，在同一夾持扭矩下，均測試5個試樣。試驗結束后記錄每個試樣的壓縮強度、壓縮模量及壓縮應變，并依據圖2（ASTM D6641/D6641M-16標準中所描述）判定失效模式。

圖2 壓縮失效模式

2 試驗與討論

2.1 試驗數據分析

圖3~圖5分別給出了A型試樣、B型試樣和C型試樣在不同扭矩下所測得的壓縮強度、壓縮模量、壓縮應變與夾持扭矩的關系，表4~表6給出了試驗數據統計結果與失效模式。依據ASTM D6641/D6641M-16標準，試樣在工作段破壞為有效破壞（如TAT、BGM、HAT、SGV等）；若試樣工作段未發生破壞，僅發生加強片脫片、端部破壞等形式都屬于無效破壞模式（如DTT、HIT、CIT、DIT等）。從試驗數據可以看出，不同類型加強片制備的試樣在不同夾持扭矩下所得的試驗結果不同。

表4 A 型試樣試驗結果

表6 C 型試樣試驗結果

圖3 壓縮強度試驗結果與夾持扭矩統計分析圖

圖5 壓縮應變試驗結果與夾持扭矩統計分析圖

對于A型試樣而言，當扭矩不大于3.5 N·m時，雖然測得的壓縮強度、壓縮模量和壓縮應變達到了設計值，但試樣破壞模式屬于無效破壞，因此其不可作為該碳纖維拉擠板材的最終測定結果；當扭矩達到4.0 N·m后，所測得的壓縮強度反而降低；當扭矩提升至4.5 N·m時，壓縮強度下降更明顯，說明采用A型試樣對夾持扭矩較為敏感，實際操作也會因人員不同而產生較大差異，因此采用A型加強片所制備的試樣不適用于該碳纖維拉擠板材壓縮性能的測定。

對于B型試樣而言，當扭矩不大于10 N·m時，試樣失效均發生在端部破壞，屬于CIT模式，為無效失效模式，測得的壓縮強度未達到設計值；當扭矩達到11 N·m后，雖為有效的失效模式，但測得的壓縮強度結果明顯低于設計值要求，因此采用B型加強片所制備的試樣也不適用于該碳纖維拉擠板材壓縮性能的測定。

圖4 壓縮模量試驗結果與夾持扭矩統計分析圖

對于C型試樣而言，當扭矩不大于12 N·m時，所測得的壓縮強度略低于設計值要求，壓縮模量與壓縮應變試驗結果較為理想，但失效模式均為無效破壞；而當扭矩達到13 N·m時，試樣均在工作段破壞，均為有效的失效模式，測得的壓縮強度、壓縮模量、壓縮應變均達到了設計值要求，試驗結果較為理想，具有良好的重復性，因此采用C類加強片所制備的試樣適用于該碳纖維拉擠板材壓縮性能的測定，推薦夾持扭矩為13~14 N·m之間。

表5 B 型試樣試驗結果

2.2 失效模式分析

在碳纖維拉擠板材進行壓縮性能測試時，通常容易出現的不可接受的失效模式有2種，一是存在端部擠壓效應，易出現端部破壞；二是容易出現應力集中，試樣在夾具內部破壞。而加強片的引入可以有效地避免或是弱化這兩方面的問題［3］。但由于加強片材質和性能的差異，對于緩解上述兩方面問題的效果也不盡相同。本實驗采用不同加強片得到了不同的試驗結果也證明了這一點。圖6~圖8分別給出了3種類型試樣的應力-應變曲線圖。

圖6 A型試樣在不同夾持扭矩下的應力-應變曲線

圖8 C型試樣在不同夾持扭矩下的應力-應變曲線

（1）對A型試樣的失效模式進行分析，當夾持扭矩不大于3.5 N·m時，由于A型加強片與試樣之間的拉伸剪切強度較低，加強片發生脫離，試樣端部應力過分集中，出現無效破壞。當夾持扭矩達到4 N·m后，A型加強片在該夾持力下可傳遞足夠的剪切載荷，但由于其巴氏硬度較大，試樣工作段應力過于集中，導致試驗結果偏低，變異系數也較大。而當夾持扭矩增大至4.5 N·m時，壓縮強度和壓縮應變的試驗結果出現了更為顯著的降低，試驗結果變異系數也進一步加大。

圖7 B型試樣在不同夾持扭矩下的應力-應變曲線

（2）對B型試樣的失效模式進行分析，當夾持扭矩不大于10 N·m時，試樣的失效模式均為端部破壞，加強片也出現端部破壞，這是由于B型加強片的壓縮強度低，試驗過程中無法承受足夠的壓縮載荷，因此在壓縮過程中其端部易在試樣工作段出現破壞之前就發生破壞。當夾持扭矩達到11 N·m后，試樣工作段易出現應力集中，從而導致試驗結果不理想。

（3）對C型試樣的失效模式進行分析，當夾持扭矩不大于12 N·m時，碳纖維拉擠板材與加強片都出現了端部擠壓破壞；當夾持扭矩達到13~14 N·m時，因C型加強片與該碳纖維拉擠板材之間的拉伸剪切強度較大，且其巴氏硬度較低，壓縮試驗過程中加強片能傳遞足夠的剪切載荷，能很大程度上減弱試樣工作段應力集中的影響，因而可以獲得較為理想的試驗結果和破壞模式，且試驗結果具有良好的重復性。

3 結論

（1）本文依據ASTM D6641/D6641M-16標準，通過對不同加強片制備的風電葉片大梁用碳纖維拉擠板材壓縮試樣進行測試，并對試驗結果進行分析，表明采用C類型加強片制備的壓縮試樣，其測得的壓縮強度、壓縮模量和壓縮應變均較為理想，滿足了設計要求，且數據重復性較好。

（2）通過對不同加強片所制備的試樣，采用不同夾持扭力所出現的試樣失效模式進行分析，表明采用組合式加載方式測定風電葉片大梁用碳纖維拉擠板材的壓縮性能時，加強片是影響測試結果的關鍵因素之一。加強片應具備合適的硬度、壓縮強度，同時使用的膠粘劑應確保加強片與碳纖維拉擠板材之間具有較好的拉伸剪切性能。