纖維體積分?jǐn)?shù)對(duì)玻璃鋼力學(xué)性能的影響研究

李文斌，王艷麗，顧育慧，陳文光

（明陽智慧能源集團(tuán)股份公司，天津 300300）

0 前言

玻纖和樹脂是風(fēng)電葉片的主要原材料。葉片成型采用的真空灌注工藝［1-3］原理是在真空狀態(tài)下排除纖維增強(qiáng)體中的氣體，通過樹脂的流動(dòng)和滲透，實(shí)現(xiàn)對(duì)纖維的浸漬。真空灌注工藝是近20年來發(fā)展的低成本制造工藝，其優(yōu)點(diǎn)有：①產(chǎn)品性能良好，成品率高；②產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，重復(fù)性好；③抗疲勞性能提高，可減輕結(jié)構(gòu)重量；④環(huán)境友好；⑤產(chǎn)品整體性能好；⑥制品精度好等［4］。

由于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)是一個(gè)復(fù)雜的多相體系，而且是不均勻和各向異性的［5］，再加上葉片較長(zhǎng)（目前大型葉片在100 m左右），且每一段的玻璃纖維層數(shù)和規(guī)格不同、模具型面不同等，不可避免會(huì)導(dǎo)致纖維增強(qiáng)復(fù)合材料纖維體積分?jǐn)?shù)出現(xiàn)偏差，嚴(yán)重時(shí)同一葉片纖維體積分?jǐn)?shù)會(huì)出現(xiàn)25%左右的偏差。在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中，纖維體積分?jǐn)?shù)的過多或過少，直接會(huì)影響葉片的力學(xué)性能和疲勞性能［6-10］。因此，評(píng)估纖維體積分?jǐn)?shù)對(duì)力學(xué)性能的影響，對(duì)于質(zhì)量控制非常關(guān)鍵。

本文著重對(duì)單向布增強(qiáng)玻璃鋼板材在不同纖維體積分?jǐn)?shù)下的靜態(tài)性能和疲勞性能進(jìn)行研究，并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析和評(píng)估，為葉片設(shè)計(jì)及生產(chǎn)質(zhì)量控制提供數(shù)據(jù)支撐。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

玻纖：E7-UD1250 g/m2，浙江恒石纖維基業(yè)有限公司。

樹脂：LT5078A-3/LT5078B-3，上海惠柏新材料有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

電子萬能試驗(yàn)機(jī)：UTM5205，深圳三思縱橫有限公司。

動(dòng)靜疲勞試驗(yàn)機(jī)：JNT610572，濟(jì)南新三思有限公司。

雕刻機(jī)：三維雕刻，濟(jì)南數(shù)控工大。

2 實(shí)驗(yàn)原理/方法

本試驗(yàn)測(cè)試的力學(xué)性能有0°拉伸性能，0°壓縮性能，90°拉伸性能，90°壓縮性能，0°剪切性能以及動(dòng)態(tài)疲勞性能，對(duì)應(yīng)的檢測(cè)方法見表1所示。

表1 玻纖鋪層方式及參照標(biāo)準(zhǔn)

表1中不同測(cè)試參數(shù)對(duì)應(yīng)的玻纖鋪層方式及玻纖層數(shù)，滿足各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要求。

3 實(shí)驗(yàn)過程和分析

3.1 試驗(yàn)件制備

3.1.1 玻纖劃分

將玻纖布方向進(jìn)行定位及劃分，玻纖的紗線方向定義為0°方向（warp），玻纖布緯紗方向也就是垂直于玻纖紗線方向定義為90°方向（weft），如圖1所示。

圖1 玻纖布結(jié)構(gòu)示意圖

本試驗(yàn)所用玻纖為單軸向布，與圖1玻纖結(jié)構(gòu)示意圖描述一致。

3.1.2 玻纖鋪設(shè)

根據(jù)表2的玻纖鋪層示意圖進(jìn)行鋪設(shè)。

表2 玻纖鋪設(shè)示意圖

表2綠色直線0°紗且方向?yàn)?°方向；藍(lán)色圓圈表示90°紗且方向?yàn)?0°方向；綠色圓圈表示0°紗且方向?yàn)?0°方向。

3.1.3 成型模具

將鋪設(shè)完成的玻纖采用RTM模具進(jìn)行真空灌注，如圖2所示；將灌注完成的玻璃鋼板材在RTM模具固化，固化條件為65 ℃ /2 h+75 ℃ 6 h，待玻璃鋼板材固化完成后起模。

圖2 RTM模具平面圖

采用RTM模具灌注完成的玻璃鋼板材有以下優(yōu)點(diǎn)：

玻璃鋼板材表面平整且厚度均一；

玻璃鋼板材中所含的纖維體積分?jǐn)?shù)均一；

在RTM模具固化完成的玻璃鋼板材起模之后不易翹曲。

3.1.4 板材表現(xiàn)現(xiàn)象

玻璃鋼板材起模后觀察表面情況，玻璃鋼板材透明、玻纖紗線重合一致、無發(fā)白或者干絲現(xiàn)象，不滿足此要求應(yīng)該舍棄。

3.1.5 板材切割

將板材切割并測(cè)試?yán)w維體積分?jǐn)?shù)，纖維體積分?jǐn)?shù)誤差在V=±1%偏差范圍之內(nèi)，不滿足要求舍棄。

3.1.6 試驗(yàn)件裁剪

采用數(shù)控雕刻機(jī)裁剪試樣，試樣裁剪方式及尺寸見表3。表3中不同測(cè)試項(xiàng)目試樣的裁剪方式及裁剪尺寸滿足測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要求。

表3 試樣的裁剪方式及尺寸

3.1.7 試驗(yàn)件打磨處理，狀態(tài)調(diào)節(jié)。

3.2 玻璃鋼板材中不同纖維體積分?jǐn)?shù)靜態(tài)力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果及分析

3.2.1 靜態(tài)測(cè)試結(jié)果匯總，如表4所示

表4 玻璃鋼板材中不同纖維體積分?jǐn)?shù)靜態(tài)力學(xué)性能匯總

表中0°拉伸強(qiáng)度測(cè)試數(shù)據(jù)取特征值，單位MPa，0°拉伸模量測(cè)試數(shù)據(jù)取平均值，單位GPa；0°壓縮性能強(qiáng)度測(cè)試數(shù)據(jù)取特征值，單位MPa，0°壓縮模量測(cè)試數(shù)據(jù)取平均值，單位GPa；90°拉伸強(qiáng)度測(cè)試數(shù)據(jù)取平均值，單位MPa，90°拉伸模量測(cè)試數(shù)據(jù)取平均值，GPa；90°壓縮強(qiáng)度測(cè)試數(shù)據(jù)取平均值，單位MPa，90°拉伸模量測(cè)試數(shù)據(jù)取平均值，單位MPa；0°剪切強(qiáng)度測(cè)試數(shù)據(jù)取平均值，單位MPa，0°剪切模量測(cè)試數(shù)據(jù)取平均值，單位GPa；

其計(jì)算公式為：

本試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)數(shù)量為6。

式中：

Rk——特征值；

Cv——標(biāo)準(zhǔn)偏差；

n——測(cè)試數(shù)據(jù)數(shù)量。

3.2.2 測(cè)試結(jié)果分析

（1）在一定纖維體積分?jǐn)?shù)范圍內(nèi)0°拉伸強(qiáng)度、0°壓縮強(qiáng)度、0°剪切強(qiáng)度隨著纖維體積分?jǐn)?shù)的增高，其強(qiáng)度和模量隨之增高，滿足混合定律。

（2）隨著纖維體積的升高，90°方向的拉伸性能和90°壓縮性能出現(xiàn)了先升高再降低的規(guī)律，具體表現(xiàn)為：90°拉伸性能，以53%纖維體積分?jǐn)?shù)最高，當(dāng)纖維體積分?jǐn)?shù)降低3%，強(qiáng)度損失20%，模量損失12%；當(dāng)纖維體積分?jǐn)?shù)增高4%，強(qiáng)度損失3%，模量損失0.3%；當(dāng)纖維體積分?jǐn)?shù)增高7%，強(qiáng)度損失11%，模量損失7%。90°壓縮性能，以53%纖維體積分?jǐn)?shù)的性能最高，當(dāng)纖維體積分?jǐn)?shù)降低3%，強(qiáng)度損失6%，模量損失6%；當(dāng)纖維體積分?jǐn)?shù)增高4%，強(qiáng)度損失6%，模量損失6%；纖維體積分?jǐn)?shù)增高7%，強(qiáng)度損失4%，模量損失4%。這是由于90°方向測(cè)試時(shí)，載荷是樹脂通過界面?zhèn)鬟f給纖維的，其性能主要取決于樹脂和界面的性能，破壞方式主要是基體樹脂破壞，界面破壞。當(dāng)樹脂含量過高時(shí)，破壞方式以基體樹脂破壞的趨勢(shì)明顯，從而導(dǎo)致整體性能下降；當(dāng)樹脂含量過低時(shí)，破壞形式以界面破壞的趨勢(shì)明顯，導(dǎo)致性能降低。具體損失率見表5。

表5 90°方向拉伸性能和壓縮性能損失率匯總表

3.3 玻璃鋼板材中不同纖維體積分?jǐn)?shù)疲勞性能測(cè)試結(jié)果及分析

3.3.1 測(cè)試結(jié)果匯總，如表6所示：

表6 不同纖維體積分?jǐn)?shù)疲勞性能數(shù)據(jù)匯總

30 401.15 3187772 2.603 6.503 403.56 3789462 2.606 6.579 405.12 3579153 2.608 6.554 40 60 534.87 556217 2.728 5.745 526.53 280680 2.721 5.448 538.14 369802 2.731 5.568 50 668.59 49500 2.825 4.695 667.15 41790 2.824 4.621 669.73 41519 2.826 4.618 60 802.3 10087 2.904 4.004 804.15 9896 2.905 3.995 803.63 11257 2.905 4.051

本文著重對(duì)纖維體積分?jǐn)?shù)V=50%、V=53%、V=57%、V=60% 4個(gè)條件進(jìn)行疲勞性能研究測(cè)試，并在每個(gè)纖維體積分?jǐn)?shù)疲勞性能測(cè)試中：測(cè)試4個(gè)不同應(yīng)力水平，即：30%應(yīng)力水平，40%應(yīng)力水平，50%應(yīng)力水平，60%應(yīng)力水平；并在每個(gè)應(yīng)力水平中測(cè)試3個(gè)有效數(shù)據(jù)，得出相應(yīng)的疲勞壽命及計(jì)算相應(yīng)的對(duì)數(shù)應(yīng)力峰值和對(duì)數(shù)疲勞壽命，如表6測(cè)試匯總；

3.3.2 測(cè)試結(jié)果分析

根據(jù)表6數(shù)據(jù)，建立玻璃鋼板材中不同纖維體積分?jǐn)?shù)與對(duì)數(shù)疲勞壽命關(guān)系，如圖3所示。可以看出，在同一應(yīng)力水平下，隨著纖維體積分?jǐn)?shù)的增大，對(duì)數(shù)疲勞壽命呈現(xiàn)增長(zhǎng)的趨勢(shì)。

圖3 不同纖維體積分?jǐn)?shù)與對(duì)數(shù)疲勞壽命曲線圖

本文涉及的對(duì)數(shù)疲勞壽命隨著纖維體積分?jǐn)?shù)的增大呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)僅限于本文研究的4個(gè)條件的纖維體積分?jǐn)?shù)，即：V=50%、V=53%、V=57%、V=60%。

3.3.3 數(shù)據(jù)方法分析及模型建立

通過單因素方法分析方法分析在同一應(yīng)力水平下玻璃鋼板材中不同纖維體積分?jǐn)?shù)對(duì)對(duì)數(shù)疲勞壽命的顯著性［11］。原假設(shè)：玻璃鋼板材中不同纖維體積分?jǐn)?shù)對(duì)玻璃鋼試樣的對(duì)數(shù)疲勞性能沒有顯著性影響，結(jié)果見表7。

當(dāng)顯著性水平為0.1，在30%、40%、50%、60%應(yīng)力水平下P-值大于0.1，可以判定玻璃鋼板材中不同纖維體積分?jǐn)?shù)對(duì)玻璃鋼試樣對(duì)數(shù)疲勞壽命沒有產(chǎn)生影響，但從表7分析結(jié)果可以得出：當(dāng)顯著性水平為0.1，P-值在不同應(yīng)力水平下（30%、40%、50%、60%）均小于0.1，因此可以判定：玻璃鋼板材中不同纖維體積分?jǐn)?shù)對(duì)玻璃鋼試樣對(duì)數(shù)疲勞壽命產(chǎn)生顯著性影響。

表7 不同纖維體積分?jǐn)?shù)對(duì)對(duì)數(shù)疲勞壽命影響的單因素方差分析表

另外由圖4可以看出，在同一應(yīng)力水平下，隨著纖維體積分?jǐn)?shù)的增加，玻璃鋼試樣的對(duì)數(shù)疲勞壽命隨之提升。因此可以根據(jù)數(shù)據(jù)分布特點(diǎn)及S-N曲線理論建立玻璃鋼試樣的對(duì)數(shù)疲勞壽命與不同纖維體積分?jǐn)?shù)、對(duì)數(shù)應(yīng)力峰值的線性關(guān)系模型，令：

圖4 不同應(yīng)力水平下纖維體積分?jǐn)?shù)與對(duì)數(shù)疲勞壽命均值的關(guān)系

f（x，y）=ax+by+c

式中：

x——維體積分?jǐn)?shù)，%；

y——對(duì)數(shù)應(yīng)力峰值（lgSmax）。

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得到玻璃鋼板材中不同纖維體積分?jǐn)?shù)與對(duì)數(shù)疲勞壽命、對(duì)數(shù)應(yīng)力峰值的擬合結(jié)果，見表8，擬合圖形見圖5。由表8和圖5可以看出，模型擬合效果良好。玻璃鋼板材中不同纖維體積分?jǐn)?shù)的對(duì)數(shù)疲勞壽命與對(duì)數(shù)應(yīng)力峰值的線性關(guān)系模型可表示為：f（x，y）=0.19x-8.82y+18.26。根據(jù)擬合模型可以得到，同一個(gè)應(yīng)力峰值下玻璃鋼同比例試樣中（樹脂和玻纖的含量），纖維體積分?jǐn)?shù)的增大，纖維體積分?jǐn)?shù)在玻璃鋼試樣中占比增大，且試樣的受力方向?yàn)椴＠w的紗線方向，因此疲勞性能有所提升。

圖5 不同纖維體積分?jǐn)?shù)與對(duì)數(shù)疲勞壽命、對(duì)數(shù)應(yīng)力峰值的擬合圖

表8 不同纖維體積分?jǐn)?shù)與對(duì)數(shù)疲勞壽命、對(duì)數(shù)應(yīng)力峰值擬合結(jié)果

本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合結(jié)果及建立的擬合模型僅限于本文研究的V=50%、V=53%、V=57%、V=60% 4個(gè)條件下進(jìn)行數(shù)據(jù)的擬合和模型建立，超出此纖維體積分?jǐn)?shù)的疲勞性能有待進(jìn)步一試驗(yàn)研究。

4 結(jié)論/展望

（1）在一定纖維體積分?jǐn)?shù)范圍內(nèi)0°拉伸強(qiáng)度、0°壓縮強(qiáng)度、0°剪切強(qiáng)度隨著纖維體積分?jǐn)?shù)的增高，其強(qiáng)度和模量隨之增高，滿足混合定律；90°方向拉伸性能及壓縮性能出現(xiàn)了先升高再降低的規(guī)律，這是由于90°方向測(cè)試時(shí)，載荷是樹脂通過界面?zhèn)鬟f給纖維的，其性能主要取決于樹脂和界面的性能，破壞方式主要是基體樹脂破壞，界面破壞。當(dāng)樹脂含量過高時(shí)，破壞方式以基體樹脂破壞的趨勢(shì)明顯，從而導(dǎo)致整體性能下降；當(dāng)樹脂含量過低時(shí)，破壞形式以界面破壞的趨勢(shì)明顯，導(dǎo)致性能降低。

（2）在玻璃鋼板材中纖維體積分?jǐn)?shù)V=50%、V=53%、V=57%、V=60%對(duì)應(yīng)的疲勞測(cè)試數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)擬合，得到了對(duì)數(shù)疲勞壽命與不同纖維體積分?jǐn)?shù)、對(duì)數(shù)應(yīng)力峰值之間的關(guān)系模型：f（x，y）=0.19x-8.82y+18.26 ；

（3）根據(jù)擬合模型可以得到，同一個(gè)應(yīng)力峰值下玻璃鋼同比例試樣中（樹脂和玻纖的分?jǐn)?shù)），纖維體積分?jǐn)?shù)的增大，纖維體積分?jǐn)?shù)在玻璃鋼試樣中占比增大，且試樣的受力方向?yàn)椴＠w的紗線方向，因此疲勞性能有所提升；

（4）本文僅針對(duì)玻璃鋼板材纖維體積分?jǐn)?shù)V=50%、V=53%、V=57%、V=60% 4個(gè)條件進(jìn)行其靜態(tài)力學(xué)性能及疲勞性能研究，超過4個(gè)條件以外的玻璃鋼板材纖維體積分?jǐn)?shù)對(duì)應(yīng)的力學(xué)性能及疲勞性能還需進(jìn)一步探索及研究。