玻纖維增強環氧樹脂復合材料細觀破壞機理分析

胡翠平 張明璐

摘 要：玻璃纖維增強復合材料（GFRP）具有強烈的結構特性。為充分發揮其作用，揭示GFRP在橫向壓縮和縱向壓縮荷載作用下的力學性能及破壞機理，本文借助SEM高溫疲勞伺服實驗系統研究了GFRP各向異性特性。結果表明，當纖維角度大于該臨界角時，試件的壓縮失效機制發生轉變，但纖維角度在大于臨界角的某一范圍內變化時，試件的壓縮失效機制相類似。

關鍵詞：玻纖增強環氧樹脂復合材料；單軸壓縮；破壞機理

1引言

在過去的20多年里，風電產業在技術水平、性能價格比以及裝機容量等方面都取得了長足的進步。近年來，國際上一直不斷的追求大容量單機風能發電機。2000年時風能發電機的單機容量為850KW，而到2003年單機容量翻了一番達到1.8MW。至2006年時單機容量已經達到了5MW，單機容量的發展速度之快，可見一斑。風力發電機組是由葉片、傳動系統、發電機、儲能設備、塔架及電器系統等組成的發電裝置。我們想要獲得較大的風力發電功率，關鍵在于獲得具有能夠輕快旋轉的葉片。因此，風力發電機葉片（以下簡稱為風機葉片）技術成為風力發電機組的核心技術。無論是葉片的翼型設計還是它的結構形式都將直接影響風力發電裝置的功率和性能，成為風力發電機中最核心的部分。但是由于風機葉片的尺寸大、外形復雜，并且有許多要求（如精度高、強度和剛度高、表面粗糙度低、質量分布均勻性好等），使得葉片技術成為制約風電產業大力發展的瓶頸。隨著風能發電機單機容量的不斷提高，所需發電機轉子葉片的尺度也在不斷增大。目前，世界上大型風能發電機的轉子葉片一般長度達到了55m，而在德國已經出現了長達 61.5m的長轉子葉片風能發電機。在風力發電整個裝置成本中，風力發電轉子葉片的成本占 15%-20%，可以看出制造葉片的材料工藝對整個成本有決定性。因此，對于風力發電轉子葉片的材料選擇以及制備工藝優化就顯得尤為重要。

玻璃纖維增強復合材料（GFRP）以其質量輕、強度高的優勢廣泛用于風力發電機的葉片材料[1，2]。該材料是一種多相體材料，具有明顯的結構特性。為充分發揮其作用，需明確復合材料在荷載作用下的力學性能。研究表明[3-5]，GFRP的力學性能和損傷破壞規律不僅取決于各組分材料的性能，同時也取決于材料的細觀結構特性，如纖維的方位角、形狀以及界面性質等。目前GFRP材料拉伸性能的研究已較為完善，并取得了一系列結論[2，6]。但由于實驗精度要求高，實驗數據大等因素GFRP壓縮破壞在理論及實驗上的研究都較少，對GFRP材料的壓縮細觀破壞機理尚未得到統一認識[7，8]。因此，本文從細觀角度出發，借助SEM高溫疲勞伺服實驗系統，研究單軸壓縮條件下GFRP材料的力學性能，分析GFRP材料的細觀破壞機理。

2 GFRP材料細觀損傷特性分析

為分析GFRP材料單軸壓縮條件下強度、彈模變化機制，現選取纖維方向角為與即縱向壓縮和橫向壓縮過程中的SEM圖像。圖2為縱向壓縮破壞過程。可知隨著加載的進行試件表面出現沿纖維方向的裂紋，且裂紋不斷擴大。當加載到一定程度，試件端部附近出現折帶，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環氧樹脂復合材料層與層開裂和纖維脫粘現象比較明顯。圖4為橫向壓縮破壞過程。可以看出壓縮時當載荷增加到一定程度，剪應力致使試件內部薄弱處產生裂縫；荷載繼續增加，裂縫擴展或分枝，最后導致試件破壞，而裂縫的擴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對比發現，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為以基體破壞為主。

纖維的方向角度對GFRP材料損傷演化特性的影響引起了極限強度和彈模的變化。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，當基體承載達到一定程度，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。當纖維角度大于某個角度，試件的力學性能變化十分明顯，表明存在某一臨界角。當纖維角度大于該臨界角時，試件的壓縮失效機制發生轉變，但纖維角度在大于臨界角的某一范圍內變化時，試件的壓縮失效機制相類似。由此可見纖維方位角對纖維復合材料破壞模式起控制作用。

3結論

縱向壓縮條件下，GFRP材料破壞以在纖維上破壞為主，表現為層與層開裂和纖維脫粘現象；橫向壓縮條件下，GFRP材料破壞以發生在基體上為主，表現為試件內部薄弱處裂縫擴展或分枝；GFRP材料的細觀破壞機理宏觀上引起了極限強度和彈模的變化。

基金項目：青島工學院2017年度董事長基金資助項目“巖石峰后參數演化特性及損傷本構模型研究”（2017KY009）

參考文獻

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作者簡介

胡翠平（1983—），女，漢族，山東青島人，講師，碩士，研究方向：工程力學

（作者單位：青島工學院）