风电叶片大梁用碳纤维拉挤板材组合式加载压缩（CLC）测试浅析

2021-08-25文治天孙闪闪方允伟郝郑涛陈建明

玻璃纤维 2021年4期

师卓，文治天，孙闪闪，方允伟，李俊，郝郑涛，陈建明

（南京国材检测有限公司，南京 210012）

0 前言

随着我国风力发电叶片大型化、轻量化的发展，采用碳纤维生产叶片大梁已是行业发展的必然需求。目前已有叶片研发和设计单位对风电叶片用碳纤维拉挤板材提出了系统性的指标要求，其中压缩性能（本文以下论述皆为0°方向压缩性能）尤为重要。碳纤维拉挤板材的压缩性能是叶片结构设计和应用时的重要参数之一。其测试结果除了受到材料本身因素如纤维性能、纤维含量、孔隙率、树脂性能以及试验方法等的影响外，还受到试样制备工艺的影响。现有开展的碳纤维复合材料压缩性能的研究，主要集中在原材料、成型工艺、测试标准与试验方法等方面，对试样制备工艺的研究却较少。各实验室均依据各自的经验制备试样。因此对于同类型的碳纤维复合材料，不同实验室之间的测试结果存在一定差异。本文意在通过研究探讨试样制备工艺中加强片的类型对压缩性能测试结果的影响，从而为风电叶片大梁用碳纤维拉挤板材压缩试样的制备提供参考。

ASTM D6641/D6641M-16《采用组合加载方式（CLC）测定聚合物基复合材料层压板压缩性能试验方法》标准所述的组合式加载方式是一种在压缩过程中将剪切载荷和端部载荷同时引入试样的方法［1］。目前该方法已被诸如中国飞机强度研究所等实验室证实可以获得理想的0°压缩性能试验结果［2］，因此本文选择依据ASTM D6641/D6641M-16标准对风电叶片大梁用碳纤维拉挤板材进行压缩性能试验。

1 实验

1.1 原料

某风电叶片大梁用碳纤维拉挤板材，其设计要求见表1。加强片为玻璃纤维增强树脂板，分A、B、C 3种类型，其部分性能见表2。粘接加强片所用胶粘剂为康达WD3135/WD3134，配比为100∶45（质量比），拉伸剪切强度性能见表3。

表1 某风电叶片大梁用碳纤维拉挤板材设计要求

表2 加强片性能

表3 胶粘剂性能

1.2 设备

万能试验机，3382，ITW集团英斯特朗公司。

1.3 试样制备与测试

如图1所示，试样长度140 mm，宽度13 mm，分别选用A、B、C 3种类型加强片按照ASTM D6641/D6641M-16标准的要求制备试样，相应的压缩试样分别命名为A型试样、B型试样和C型试样。依据ASTM D6641/D6641M-16标准中的组合式加载方式测试压缩性能，测试仪器为Instron 3382型万能试验机，采用应变片测定压缩应变，试验速度为1mm/min。试样安装时，利用扭力扳手进行安装，紧固螺栓时扭矩缓慢增大，直至达到所需夹持扭矩（标准推荐一般情况下夹持扭矩选择2.5~3 N·m）。若试样发生端部挤压等形式的无效破坏，可适当增大扭矩。但扭矩也不可过大，否则会造成试样工作段应力过分集中而导致试样提前出现破坏，甚者对夹具的夹持面产生不可逆转的损伤。根据本实验室经验，一般所采用的扭矩不宜大于14 N·m。

图1 压缩试样形式与尺寸

本文中采用同一种加强片所制备的试样，在同一夹持扭矩下，均测试5个试样。试验结束后记录每个试样的压缩强度、压缩模量及压缩应变，并依据图2（ASTM D6641/D6641M-16标准中所描述）判定失效模式。

图2 压缩失效模式

2 试验与讨论

2.1 试验数据分析

图3~图5分别给出了A型试样、B型试样和C型试样在不同扭矩下所测得的压缩强度、压缩模量、压缩应变与夹持扭矩的关系，表4~表6给出了试验数据统计结果与失效模式。依据ASTM D6641/D6641M-16标准，试样在工作段破坏为有效破坏（如TAT、BGM、HAT、SGV等）；若试样工作段未发生破坏，仅发生加强片脱片、端部破坏等形式都属于无效破坏模式（如DTT、HIT、CIT、DIT等）。从试验数据可以看出，不同类型加强片制备的试样在不同夹持扭矩下所得的试验结果不同。

表4 A 型试样试验结果

表6 C 型试样试验结果

图3 压缩强度试验结果与夹持扭矩统计分析图

图5 压缩应变试验结果与夹持扭矩统计分析图

对于A型试样而言，当扭矩不大于3.5 N·m时，虽然测得的压缩强度、压缩模量和压缩应变达到了设计值，但试样破坏模式属于无效破坏，因此其不可作为该碳纤维拉挤板材的最终测定结果；当扭矩达到4.0 N·m后，所测得的压缩强度反而降低；当扭矩提升至4.5 N·m时，压缩强度下降更明显，说明采用A型试样对夹持扭矩较为敏感，实际操作也会因人员不同而产生较大差异，因此采用A型加强片所制备的试样不适用于该碳纤维拉挤板材压缩性能的测定。

对于B型试样而言，当扭矩不大于10 N·m时，试样失效均发生在端部破坏，属于CIT模式，为无效失效模式，测得的压缩强度未达到设计值；当扭矩达到11 N·m后，虽为有效的失效模式，但测得的压缩强度结果明显低于设计值要求，因此采用B型加强片所制备的试样也不适用于该碳纤维拉挤板材压缩性能的测定。

图4 压缩模量试验结果与夹持扭矩统计分析图

对于C型试样而言，当扭矩不大于12 N·m时，所测得的压缩强度略低于设计值要求，压缩模量与压缩应变试验结果较为理想，但失效模式均为无效破坏；而当扭矩达到13 N·m时，试样均在工作段破坏，均为有效的失效模式，测得的压缩强度、压缩模量、压缩应变均达到了设计值要求，试验结果较为理想，具有良好的重复性，因此采用C类加强片所制备的试样适用于该碳纤维拉挤板材压缩性能的测定，推荐夹持扭矩为13~14 N·m之间。

表5 B 型试样试验结果

2.2 失效模式分析

在碳纤维拉挤板材进行压缩性能测试时，通常容易出现的不可接受的失效模式有2种，一是存在端部挤压效应，易出现端部破坏；二是容易出现应力集中，试样在夹具内部破坏。而加强片的引入可以有效地避免或是弱化这两方面的问题［3］。但由于加强片材质和性能的差异，对于缓解上述两方面问题的效果也不尽相同。本实验采用不同加强片得到了不同的试验结果也证明了这一点。图6~图8分别给出了3种类型试样的应力-应变曲线图。

图6 A型试样在不同夹持扭矩下的应力-应变曲线

图8 C型试样在不同夹持扭矩下的应力-应变曲线

（1）对A型试样的失效模式进行分析，当夹持扭矩不大于3.5 N·m时，由于A型加强片与试样之间的拉伸剪切强度较低，加强片发生脱离，试样端部应力过分集中，出现无效破坏。当夹持扭矩达到4 N·m后，A型加强片在该夹持力下可传递足够的剪切载荷，但由于其巴氏硬度较大，试样工作段应力过于集中，导致试验结果偏低，变异系数也较大。而当夹持扭矩增大至4.5 N·m时，压缩强度和压缩应变的试验结果出现了更为显著的降低，试验结果变异系数也进一步加大。

图7 B型试样在不同夹持扭矩下的应力-应变曲线

（2）对B型试样的失效模式进行分析，当夹持扭矩不大于10 N·m时，试样的失效模式均为端部破坏，加强片也出现端部破坏，这是由于B型加强片的压缩强度低，试验过程中无法承受足够的压缩载荷，因此在压缩过程中其端部易在试样工作段出现破坏之前就发生破坏。当夹持扭矩达到11 N·m后，试样工作段易出现应力集中，从而导致试验结果不理想。

（3）对C型试样的失效模式进行分析，当夹持扭矩不大于12 N·m时，碳纤维拉挤板材与加强片都出现了端部挤压破坏；当夹持扭矩达到13~14 N·m时，因C型加强片与该碳纤维拉挤板材之间的拉伸剪切强度较大，且其巴氏硬度较低，压缩试验过程中加强片能传递足够的剪切载荷，能很大程度上减弱试样工作段应力集中的影响，因而可以获得较为理想的试验结果和破坏模式，且试验结果具有良好的重复性。