玻纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料細(xì)觀破壞機(jī)理分析

胡翠平 張明璐

摘 要：玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（GFRP）具有強(qiáng)烈的結(jié)構(gòu)特性。為充分發(fā)揮其作用，揭示GFRP在橫向壓縮和縱向壓縮荷載作用下的力學(xué)性能及破壞機(jī)理，本文借助SEM高溫疲勞伺服實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究了GFRP各向異性特性。結(jié)果表明，當(dāng)纖維角度大于該臨界角時(shí)，試件的壓縮失效機(jī)制發(fā)生轉(zhuǎn)變，但纖維角度在大于臨界角的某一范圍內(nèi)變化時(shí)，試件的壓縮失效機(jī)制相類(lèi)似。

關(guān)鍵詞：玻纖增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料；單軸壓縮；破壞機(jī)理

1引言

在過(guò)去的20多年里，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)在技術(shù)水平、性能價(jià)格比以及裝機(jī)容量等方面都取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。近年來(lái)，國(guó)際上一直不斷的追求大容量單機(jī)風(fēng)能發(fā)電機(jī)。2000年時(shí)風(fēng)能發(fā)電機(jī)的單機(jī)容量為850KW，而到2003年單機(jī)容量翻了一番達(dá)到1.8MW。至2006年時(shí)單機(jī)容量已經(jīng)達(dá)到了5MW，單機(jī)容量的發(fā)展速度之快，可見(jiàn)一斑。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是由葉片、傳動(dòng)系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)、儲(chǔ)能設(shè)備、塔架及電器系統(tǒng)等組成的發(fā)電裝置。我們想要獲得較大的風(fēng)力發(fā)電功率，關(guān)鍵在于獲得具有能夠輕快旋轉(zhuǎn)的葉片。因此，風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片（以下簡(jiǎn)稱(chēng)為風(fēng)機(jī)葉片）技術(shù)成為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的核心技術(shù)。無(wú)論是葉片的翼型設(shè)計(jì)還是它的結(jié)構(gòu)形式都將直接影響風(fēng)力發(fā)電裝置的功率和性能，成為風(fēng)力發(fā)電機(jī)中最核心的部分。但是由于風(fēng)機(jī)葉片的尺寸大、外形復(fù)雜，并且有許多要求（如精度高、強(qiáng)度和剛度高、表面粗糙度低、質(zhì)量分布均勻性好等），使得葉片技術(shù)成為制約風(fēng)電產(chǎn)業(yè)大力發(fā)展的瓶頸。隨著風(fēng)能發(fā)電機(jī)單機(jī)容量的不斷提高，所需發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子葉片的尺度也在不斷增大。目前，世界上大型風(fēng)能發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子葉片一般長(zhǎng)度達(dá)到了55m，而在德國(guó)已經(jīng)出現(xiàn)了長(zhǎng)達(dá) 61.5m的長(zhǎng)轉(zhuǎn)子葉片風(fēng)能發(fā)電機(jī)。在風(fēng)力發(fā)電整個(gè)裝置成本中，風(fēng)力發(fā)電轉(zhuǎn)子葉片的成本占 15%-20%，可以看出制造葉片的材料工藝對(duì)整個(gè)成本有決定性。因此，對(duì)于風(fēng)力發(fā)電轉(zhuǎn)子葉片的材料選擇以及制備工藝優(yōu)化就顯得尤為重要。

玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（GFRP）以其質(zhì)量輕、強(qiáng)度高的優(yōu)勢(shì)廣泛用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片材料[1，2]。該材料是一種多相體材料，具有明顯的結(jié)構(gòu)特性。為充分發(fā)揮其作用，需明確復(fù)合材料在荷載作用下的力學(xué)性能。研究表明[3-5]，GFRP的力學(xué)性能和損傷破壞規(guī)律不僅取決于各組分材料的性能，同時(shí)也取決于材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)特性，如纖維的方位角、形狀以及界面性質(zhì)等。目前GFRP材料拉伸性能的研究已較為完善，并取得了一系列結(jié)論[2，6]。但由于實(shí)驗(yàn)精度要求高，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)大等因素GFRP壓縮破壞在理論及實(shí)驗(yàn)上的研究都較少，對(duì)GFRP材料的壓縮細(xì)觀破壞機(jī)理尚未得到統(tǒng)一認(rèn)識(shí)[7，8]。因此，本文從細(xì)觀角度出發(fā)，借助SEM高溫疲勞伺服實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，研究單軸壓縮條件下GFRP材料的力學(xué)性能，分析GFRP材料的細(xì)觀破壞機(jī)理。

2 GFRP材料細(xì)觀損傷特性分析

為分析GFRP材料單軸壓縮條件下強(qiáng)度、彈模變化機(jī)制，現(xiàn)選取纖維方向角為與即縱向壓縮和橫向壓縮過(guò)程中的SEM圖像。圖2為縱向壓縮破壞過(guò)程。可知隨著加載的進(jìn)行試件表面出現(xiàn)沿纖維方向的裂紋，且裂紋不斷擴(kuò)大。當(dāng)加載到一定程度，試件端部附近出現(xiàn)折帶，并且隨著荷載的增加而增大。圖3為試件破壞后的形貌，可以看出該玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料層與層開(kāi)裂和纖維脫粘現(xiàn)象比較明顯。圖4為橫向壓縮破壞過(guò)程?？梢钥闯鰤嚎s時(shí)當(dāng)載荷增加到一定程度，剪應(yīng)力致使試件內(nèi)部薄弱處產(chǎn)生裂縫；荷載繼續(xù)增加，裂縫擴(kuò)展或分枝，最后導(dǎo)致試件破壞，而裂縫的擴(kuò)展走向和分枝主要取決于基體和纖維的性能。圖5為試件橫向壓縮破壞后的電鏡照片，可知材料主要的破壞形式為基體的剪切破壞。與圖3對(duì)比發(fā)現(xiàn)，隨著方位角的增大，試件的破壞形式由纖維破壞為主逐漸變?yōu)橐曰w破壞為主。

纖維的方向角度對(duì)GFRP材料損傷演化特性的影響引起了極限強(qiáng)度和彈模的變化。在纖維角度較小的情況下，壓縮載荷主要由纖維束承受。纖維束的承載能力明顯高于基體，其壓縮強(qiáng)度要比纖維角度較大的試件高；纖維束之間的相互約束，使其橫向變形相對(duì)于纖維角度較大的試件小。隨著纖維角度的增大，基體承載逐漸增加，當(dāng)基體承載達(dá)到一定程度，試件厚度方向的變形增加，橫向變形減小，試件的破壞模式主要是基體與纖維束的脫膠分離。當(dāng)纖維角度大于某個(gè)角度，試件的力學(xué)性能變化十分明顯，表明存在某一臨界角。當(dāng)纖維角度大于該臨界角時(shí)，試件的壓縮失效機(jī)制發(fā)生轉(zhuǎn)變，但纖維角度在大于臨界角的某一范圍內(nèi)變化時(shí)，試件的壓縮失效機(jī)制相類(lèi)似。由此可見(jiàn)纖維方位角對(duì)纖維復(fù)合材料破壞模式起控制作用。

3結(jié)論

縱向壓縮條件下，GFRP材料破壞以在纖維上破壞為主，表現(xiàn)為層與層開(kāi)裂和纖維脫粘現(xiàn)象；橫向壓縮條件下，GFRP材料破壞以發(fā)生在基體上為主，表現(xiàn)為試件內(nèi)部薄弱處裂縫擴(kuò)展或分枝；GFRP材料的細(xì)觀破壞機(jī)理宏觀上引起了極限強(qiáng)度和彈模的變化。

基金項(xiàng)目：青島工學(xué)院2017年度董事長(zhǎng)基金資助項(xiàng)目“巖石峰后參數(shù)演化特性及損傷本構(gòu)模型研究”（2017KY009）

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作者簡(jiǎn)介

胡翠平（1983—），女，漢族，山東青島人，講師，碩士，研究方向：工程力學(xué)

（作者單位：青島工學(xué)院）