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(fēng)力發(fā)電葉片大型化、輕量化的發(fā)展，采用碳纖維生產(chǎn)葉片大梁已是行業(yè)發(fā)展的必然需求。目前已有葉片研發(fā)和設(shè)計(jì)單位對風(fēng)電葉片用碳纖維拉擠板材提出了系統(tǒng)性的指標(biāo)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和應(yīng)用時(shí)的重要參數(shù)之一。其測試結(jié)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(yàn)方法等的影響外，還受到試樣制備工藝的影響?，F(xiàn)有開展的碳纖維復(fù)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(biāo)準(zhǔn)與試驗(yàn)方法等方面，對試樣制備工藝的研究卻較少。各實(shí)驗(yàn)室均依據(jù)各自的經(jīng)驗(yàn)制備試樣。因此對于同類型的碳纖維復(fù)合材料，不同實(shí)驗(yàn)室之間的測試結(jié)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(qiáng)片的類型對壓縮性能測試結(jié)果的影響，從而為風(fēng)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(fù)合材料層壓板壓縮性能試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)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(shí)引入試樣的方法［1］。目前該方法已被諸如中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所等實(shí)驗(yàn)室證實(shí)可以獲得理想的0°壓縮性能試驗(yàn)結(jié)果［2］，因此本文選擇依據(jù)ASTM D6641/D6641M-16標(biāo)準(zhǔn)對風(fēng)電葉片大梁用碳纖維拉擠板材進(jìn)行壓縮性能試驗(yàn)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料

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

表1 某風(fēng)電葉片大梁用碳纖維拉擠板材設(shè)計(jì)要求

表2 加強(qiáng)片性能

表3 膠粘劑性能

1.2 設(shè)備

萬能試驗(yàn)機(jī)，3382，ITW集團(tuán)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(qiáng)片按照ASTM D6641/D6641M-16標(biāo)準(zhǔn)的要求制備試樣，相應(yīng)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(jù)ASTM D6641/D6641M-16標(biāo)準(zhǔn)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(yàn)機(jī)，采用應(yīng)變片測定壓縮應(yīng)變，試驗(yàn)速度為1mm/min。試樣安裝時(shí)，利用扭力扳手進(jìn)行安裝，緊固螺栓時(shí)扭矩緩慢增大，直至達(dá)到所需夾持扭矩（標(biāo)準(zhǔn)推薦一般情況下夾持扭矩選擇2.5~3 N·m）。若試樣發(fā)生端部擠壓等形式的無效破壞，可適當(dāng)增大扭矩。但扭矩也不可過大，否則會造成試樣工作段應(yīng)力過分集中而導(dǎo)致試樣提前出現(xiàn)破壞，甚者對夾具的夾持面產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的損傷。根據(jù)本實(shí)驗(yàn)室經(jīng)驗(yàn)，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(qiáng)片所制備的試樣，在同一夾持扭矩下，均測試5個(gè)試樣。試驗(yàn)結(jié)束后記錄每個(gè)試樣的壓縮強(qiáng)度、壓縮模量及壓縮應(yīng)變，并依據(jù)圖2（ASTM D6641/D6641M-16標(biāo)準(zhǔn)中所描述）判定失效模式。

圖2 壓縮失效模式

2 試驗(yàn)與討論

2.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)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(qiáng)度、壓縮模量、壓縮應(yīng)變與夾持扭矩的關(guān)系，表4~表6給出了試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果與失效模式。依據(jù)ASTM D6641/D6641M-16標(biāo)準(zhǔn)，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(fā)生破壞，僅發(fā)生加強(qiáng)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(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，不同類型加強(qiáng)片制備的試樣在不同夾持扭矩下所得的試驗(yàn)結(jié)果不同。

表4 A 型試樣試驗(yàn)結(jié)果

表6 C 型試樣試驗(yàn)結(jié)果

圖3 壓縮強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果與夾持扭矩統(tǒng)計(jì)分析圖

圖5 壓縮應(yīng)變試驗(yàn)結(jié)果與夾持扭矩統(tǒng)計(jì)分析圖

對于A型試樣而言，當(dāng)扭矩不大于3.5 N·m時(shí)，雖然測得的壓縮強(qiáng)度、壓縮模量和壓縮應(yīng)變達(dá)到了設(shè)計(jì)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(jié)果；當(dāng)扭矩達(dá)到4.0 N·m后，所測得的壓縮強(qiáng)度反而降低；當(dāng)扭矩提升至4.5 N·m時(shí)，壓縮強(qiáng)度下降更明顯，說明采用A型試樣對夾持扭矩較為敏感，實(shí)際操作也會因人員不同而產(chǎn)生較大差異，因此采用A型加強(qiáng)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(dāng)扭矩不大于10 N·m時(shí)，試樣失效均發(fā)生在端部破壞，屬于CIT模式，為無效失效模式，測得的壓縮強(qiáng)度未達(dá)到設(shè)計(jì)值；當(dāng)扭矩達(dá)到11 N·m后，雖為有效的失效模式，但測得的壓縮強(qiáng)度結(jié)果明顯低于設(shè)計(jì)值要求，因此采用B型加強(qiáng)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(yàn)結(jié)果與夾持扭矩統(tǒng)計(jì)分析圖

對于C型試樣而言，當(dāng)扭矩不大于12 N·m時(shí)，所測得的壓縮強(qiáng)度略低于設(shè)計(jì)值要求，壓縮模量與壓縮應(yīng)變試驗(yàn)結(jié)果較為理想，但失效模式均為無效破壞；而當(dāng)扭矩達(dá)到13 N·m時(shí)，試樣均在工作段破壞，均為有效的失效模式，測得的壓縮強(qiáng)度、壓縮模量、壓縮應(yīng)變均達(dá)到了設(shè)計(jì)值要求，試驗(yàn)結(jié)果較為理想，具有良好的重復(fù)性，因此采用C類加強(qiáng)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(yàn)結(jié)果

2.2 失效模式分析

在碳纖維拉擠板材進(jìn)行壓縮性能測試時(shí)，通常容易出現(xiàn)的不可接受的失效模式有2種，一是存在端部擠壓效應(yīng)，易出現(xiàn)端部破壞；二是容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，試樣在夾具內(nèi)部破壞。而加強(qiáng)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(qiáng)片材質(zhì)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(shí)驗(yàn)采用不同加強(qiáng)片得到了不同的試驗(yàn)結(jié)果也證明了這一點(diǎn)。圖6~圖8分別給出了3種類型試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖。

圖6 A型試樣在不同夾持扭矩下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖8 C型試樣在不同夾持扭矩下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

（1）對A型試樣的失效模式進(jìn)行分析，當(dāng)夾持扭矩不大于3.5 N·m時(shí)，由于A型加強(qiáng)片與試樣之間的拉伸剪切強(qiáng)度較低，加強(qiáng)片發(fā)生脫離，試樣端部應(yīng)力過分集中，出現(xiàn)無效破壞。當(dāng)夾持扭矩達(dá)到4 N·m后，A型加強(qiáng)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(yīng)力過于集中，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果偏低，變異系數(shù)也較大。而當(dāng)夾持扭矩增大至4.5 N·m時(shí)，壓縮強(qiáng)度和壓縮應(yīng)變的試驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)了更為顯著的降低，試驗(yàn)結(jié)果變異系數(shù)也進(jìn)一步加大。

圖7 B型試樣在不同夾持扭矩下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

（2）對B型試樣的失效模式進(jìn)行分析，當(dāng)夾持扭矩不大于10 N·m時(shí)，試樣的失效模式均為端部破壞，加強(qiáng)片也出現(xiàn)端部破壞，這是由于B型加強(qiáng)片的壓縮強(qiáng)度低，試驗(yàn)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(xiàn)破壞之前就發(fā)生破壞。當(dāng)夾持扭矩達(dá)到11 N·m后，試樣工作段易出現(xiàn)應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果不理想。

（3）對C型試樣的失效模式進(jìn)行分析，當(dāng)夾持扭矩不大于12 N·m時(shí)，碳纖維拉擠板材與加強(qiáng)片都出現(xiàn)了端部擠壓破壞；當(dāng)夾持扭矩達(dá)到13~14 N·m時(shí)，因C型加強(qiáng)片與該碳纖維拉擠板材之間的拉伸剪切強(qiáng)度較大，且其巴氏硬度較低，壓縮試驗(yàn)過程中加強(qiáng)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(yīng)力集中的影響，因而可以獲得較為理想的試驗(yàn)結(jié)果和破壞模式，且試驗(yàn)結(jié)果具有良好的重復(fù)性。

3 結(jié)論

（1）本文依據(jù)ASTM D6641/D6641M-16標(biāo)準(zhǔn)，通過對不同加強(qiáng)片制備的風(fēng)電葉片大梁用碳纖維拉擠板材壓縮試樣進(jìn)行測試，并對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，表明采用C類型加強(qiáng)片制備的壓縮試樣，其測得的壓縮強(qiáng)度、壓縮模量和壓縮應(yīng)變均較為理想，滿足了設(shè)計(jì)要求，且數(shù)據(jù)重復(fù)性較好。

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