玻纤维增强环氧树脂复合材料细观破坏机理分析

2018-12-18胡翠平张明璐

世界家苑 2018年12期

胡翠平张明璐

摘要：玻璃纤维增强复合材料（GFRP）具有强烈的结构特性。为充分发挥其作用，揭示GFRP在横向压缩和纵向压缩荷载作用下的力学性能及破坏机理，本文借助SEM高温疲劳伺服实验系统研究了GFRP各向异性特性。结果表明，当纤维角度大于该临界角时，试件的压缩失效机制发生转变，但纤维角度在大于临界角的某一范围内变化时，试件的压缩失效机制相类似。

关键词：玻纤增强环氧树脂复合材料；单轴压缩；破坏机理

1引言

在过去的20多年里，风电产业在技术水平、性能价格比以及装机容量等方面都取得了长足的进步。近年来，国际上一直不断的追求大容量单机风能发电机。2000年时风能发电机的单机容量为850KW，而到2003年单机容量翻了一番达到1.8MW。至2006年时单机容量已经达到了5MW，单机容量的发展速度之快，可见一斑。风力发电机组是由叶片、传动系统、发电机、储能设备、塔架及电器系统等组成的发电装置。我们想要获得较大的风力发電功率，关键在于获得具有能够轻快旋转的叶片。因此，风力发电机叶片（以下简称为风机叶片）技术成为风力发电机组的核心技术。无论是叶片的翼型设计还是它的结构形式都将直接影响风力发电装置的功率和性能，成为风力发电机中最核心的部分。但是由于风机叶片的尺寸大、外形复杂，并且有许多要求（如精度高、强度和刚度高、表面粗糙度低、质量分布均匀性好等），使得叶片技术成为制约风电产业大力发展的瓶颈。随着风能发电机单机容量的不断提高，所需发电机转子叶片的尺度也在不断增大。目前，世界上大型风能发电机的转子叶片一般长度达到了55m，而在德国已经出现了长达 61.5m的长转子叶片风能发电机。在风力发电整个装置成本中，风力发电转子叶片的成本占 15%-20%，可以看出制造叶片的材料工艺对整个成本有决定性。因此，对于风力发电转子叶片的材料选择以及制备工艺优化就显得尤为重要。

玻璃纤维增强复合材料（GFRP）以其质量轻、强度高的优势广泛用于风力发电机的叶片材料[1，2]。该材料是一种多相体材料，具有明显的结构特性。为充分发挥其作用，需明确复合材料在荷载作用下的力学性能。研究表明[3-5]，GFRP的力学性能和损伤破坏规律不仅取决于各组分材料的性能，同时也取决于材料的细观结构特性，如纤维的方位角、形状以及界面性质等。目前GFRP材料拉伸性能的研究已较为完善，并取得了一系列结论[2，6]。但由于实验精度要求高，实验数据大等因素GFRP压缩破坏在理论及实验上的研究都较少，对GFRP材料的压缩细观破坏机理尚未得到统一认识[7，8]。因此，本文从细观角度出发，借助SEM高温疲劳伺服实验系统，研究单轴压缩条件下GFRP材料的力学性能，分析GFRP材料的细观破坏机理。

2 GFRP材料细观损伤特性分析

为分析GFRP材料单轴压缩条件下强度、弹模变化机制，现选取纤维方向角为与即纵向压缩和横向压缩过程中的SEM图像。图2为纵向压缩破坏过程。可知随着加载的进行试件表面出现沿纤维方向的裂纹，且裂纹不断扩大。当加载到一定程度，试件端部附近出现折带，并且随着荷载的增加而增大。图3为试件破坏后的形貌，可以看出该玻璃纤维增强环氧树脂复合材料层与层开裂和纤维脱粘现象比较明显。图4为横向压缩破坏过程。可以看出压缩时当载荷增加到一定程度，剪应力致使试件内部薄弱处产生裂缝；荷载继续增加，裂缝扩展或分枝，最后导致试件破坏，而裂缝的扩展走向和分枝主要取决于基体和纤维的性能。图5为试件横向压缩破坏后的电镜照片，可知材料主要的破坏形式为基体的剪切破坏。与图3对比发现，随着方位角的增大，试件的破坏形式由纤维破坏为主逐渐变为以基体破坏为主。

纤维的方向角度对GFRP材料损伤演化特性的影响引起了极限强度和弹模的变化。在纤维角度较小的情况下，压缩载荷主要由纤维束承受。纤维束的承载能力明显高于基体，其压缩强度要比纤维角度较大的试件高；纤维束之间的相互约束，使其横向变形相对于纤维角度较大的试件小。随着纤维角度的增大，基体承载逐渐增加，当基体承载达到一定程度，试件厚度方向的变形增加，横向变形减小，试件的破坏模式主要是基体与纤维束的脱胶分离。当纤维角度大于某个角度，试件的力学性能变化十分明显，表明存在某一临界角。当纤维角度大于该临界角时，试件的压缩失效机制发生转变，但纤维角度在大于临界角的某一范围内变化时，试件的压缩失效机制相类似。由此可见纤维方位角对纤维复合材料破坏模式起控制作用。

3结论

纵向压缩条件下，GFRP材料破坏以在纤维上破坏为主，表现为层与层开裂和纤维脱粘现象；横向压缩条件下，GFRP材料破坏以发生在基体上为主，表现为试件内部薄弱处裂缝扩展或分枝；GFRP材料的细观破坏机理宏观上引起了极限强度和弹模的变化。

基金项目：青岛工学院2017年度董事长基金资助项目“岩石峰后参数演化特性及损伤本构模型研究”（2017KY009）

参考文献

[1]胡翠平，谭金彪.纤维增强复合材料单向受压的实验研究[J].工业设计，2011，8：106-107.

[2]周宏伟，易海洋，薛东杰，等.纤维方位角对玻纤复合材料破坏机理的影响研究[J].中国科学：物理学力学天文学，2013，43：167–176.

[3]董振英，李庆斌.纤维增强脆性复合材料细观力学若干进展[J].力学进展，2001，31（4）：555-582.

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