師 卓，文治天，孫閃閃，方允偉，李 俊，郝鄭濤，陳建明

（南京國(guó)材檢測(cè)有限公司，南京 210012）

0 前言

隨著我國(guó)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(duì)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(cè)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(shù)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(kāi)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(cè)試標(biāo)準(zhǔn)與試驗(yàn)方法等方面，對(duì)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(duì)于同類(lèi)型的碳纖維復(fù)合材料，不同實(shí)驗(yàn)室之間的測(cè)試結(jié)果存在一定差異。本文意在通過(guò)研究探討試樣制備工藝中加強(qiáng)片的類(lèi)型對(duì)壓縮性能測(cè)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(cè)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(guò)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(guó)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(duì)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(jiàn)表1。加強(qiáng)片為玻璃纖維增強(qiáng)樹(shù)脂板，分A、B、C 3種類(lèi)型，其部分性能見(jiàn)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(jiàn)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(wàn)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(cè)試

如圖1所示，試樣長(zhǎng)度140 mm，寬度13 mm，分別選用A、B、C 3種類(lèi)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(cè)試壓縮性能，測(cè)試儀器為Instron 3382型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，采用應(yīng)變片測(cè)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(wú)效破壞，可適當(dāng)增大扭矩。但扭矩也不可過(guò)大，否則會(huì)造成試樣工作段應(yīng)力過(guò)分集中而導(dǎo)致試樣提前出現(xiàn)破壞，甚者對(duì)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(cè)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(cè)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(wú)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(lèi)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?cè)囼?yàn)結(jié)果與夾持扭矩統(tǒng)計(jì)分析圖

對(duì)于A型試樣而言，當(dāng)扭矩不大于3.5 N·m時(shí)，雖然測(cè)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(wú)效破壞，因此其不可作為該碳纖維拉擠板材的最終測(cè)定結(jié)果；當(dāng)扭矩達(dá)到4.0 N·m后，所測(cè)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(shuō)明采用A型試樣對(duì)夾持扭矩較為敏感，實(shí)際操作也會(huì)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(cè)定。

對(duì)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(wú)效失效模式，測(cè)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(cè)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(cè)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(duì)于C型試樣而言，當(dāng)扭矩不大于12 N·m時(shí)，所測(cè)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?cè)囼?yàn)結(jié)果較為理想，但失效模式均為無(wú)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(cè)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(lèi)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(cè)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(cè)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(wèn)題［3］。但由于加強(qiáng)片材質(zhì)和性能的差異，對(duì)于緩解上述兩方面問(wèn)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(lèi)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(duì)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(guò)分集中，出現(xiàn)無(wú)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(guò)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(duì)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(guò)程中無(wú)法承受足夠的壓縮載荷，因此在壓縮過(guò)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(duì)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(guò)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(guò)對(duì)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(cè)試，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，表明采用C類(lèi)型加強(qiáng)片制備的壓縮試樣，其測(cè)得的壓縮強(qiáng)度、壓縮模量和壓縮應(yīng)變均較為理想，滿(mǎn)足了設(shè)計(jì)要求，且數(shù)據(jù)重復(fù)性較好。

（2）通過(guò)對(duì)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(cè)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(cè)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。