纖維增強塑料拉擠板材對接/搭接彎曲性能研究

李文斌，王艷麗

(明陽智慧能源集團股份公司，天津 300000)

0 前言

眾所周知，纖維增強塑料拉擠板材作為葉片梁帽的主要材料，其力學性能在實際生產過程中起著至關重要的作用[2~10]，但是在實際的葉片生產過程中，梁帽的設計厚度及長度有一定的要求，而拉擠板材的厚度一般為5 mm，長度（考慮到運輸與場地等問題）不能正好生產與葉片梁帽長度一致，需要切割成規定的小段就行葉片梁帽的鋪設，此時拉擠板材為了滿足葉片梁帽的厚度與長度要求，就需要搭接（梁帽厚度方向）與對接（梁帽長度方向）。

考慮到拉擠板材搭接與對接會對葉片梁帽以及成型的葉片彎曲性能有所影響，因此我們需要從不同的拉擠板材搭接方式進行研究分析，應用試驗數據進行判斷：拉擠板材不同搭接或者對接方式下的彎曲性能。

1 實驗設計

（1）首先我們對拉擠板的方向進行了一下確認及標識，我們規定拉擠板材的紗線方向定為纖維方向，垂直于拉擠板材的紗線定為垂直于纖維方向，如圖1所示。

（2）本文采用“堆疊式”和“砌墻式”的方式進行拉擠板材對接/搭接，其：“堆疊式”表示為：1組拉擠板材（2塊或者3塊拉擠板材進行厚度方向重疊在一起）與另一組拉擠板材（2塊或者3塊拉擠板材進行厚度方向重疊在一起）進行對接，其中產生的不同大小的縫隙，縫隙采用樹脂進行灌注填充，如圖2和圖3所示；“砌墻式”表示為：底面鋪設一塊拉擠板材，然后在上面鋪設2塊拉擠板材，上面2塊拉擠板材之間留有縫隙，縫隙采用樹脂進行填充，如圖4和圖5所示。

（3）本文設計14種拉擠板材的對接/搭接方式進行試驗研究測試，試樣形狀及制樣方式如圖6~圖9所示，詳細方案見表1。

表1 拉擠板材對接/搭接及鋪設、制樣切割方式

（4）拉擠板材堆疊式及砌墻式試樣切割制樣說明，如圖6~圖9所示。

2 實驗材料及方法

2.1 實驗材料

實驗采用玻纖拉擠板材，拉擠板材寬度120 mm，長度1 000 mm。拉擠板材是由浙江澳盛科技有限公司提供；環氧樹脂LT5078A/3；LT5078B/3，質量比：100:30，由上海惠柏新材料有限公司提供；織物采用BX200的導流織物，由浙江恒石纖維基業有限公司提供。

2.2 拉擠板材堆疊式及砌墻式的成型方法

成型方法：采用真空灌注平臺進行拉擠板材的灌注工作。首先，確定灌注拉擠板材對接/搭接的方式（堆疊式或者砌墻式），為了能夠將 樹脂在真空條件下順利的將拉擠板材灌注完成，我們采用鋪設BX200的導流織物，鋪設順序：脫模布導流織物+拉擠板材+導流織物+拉擠板材……（根據拉擠板材的對接/拼接方式決定鋪設拉擠板材的塊數，原則是：一層導流織物一塊拉擠板材）+脫模布+有孔隔離膜+導流網；其次，對于縫隙的控制尤為重要，我們選用標準塊（比如：1 mm、3 mm、5 mm標準樣塊）作為控制縫隙大小的依據，對于拉擠板材的對接/拼接，將標準塊按放在對接/拼接縫之間，并緊緊的將縫隙之間的拉擠板材與標準塊靠緊，防止灌注完成的縫隙偏于理論值過大或過小；最后將需要灌注的拉擠板材真空袋壓、保壓、樹脂混合及脫泡、樹膠、預固化、脫模、后固化、試樣切割。

特別說明：拉擠板材對接/拼接過程中，產生的縫隙通過灌注過程用樹脂填充即可，但是縫隙空腔是指：拉擠板材的縫隙在灌注樹脂之前，采用橡皮泥進行填充（橡皮泥在測試過程中不會才生彎曲應力，因此認定可以作為填充空腔的物質），這樣樹脂在真空灌注過程中，才不會流入橡皮泥的空腔中。

2.3 試驗設備及測試依據

本文拉擠板材搭接彎曲性能研究試驗設備主要有：切割機，萬能試驗機（深圳三思縱橫）及配套彎曲工裝；

測試依據：按照標準ISO 178:2019-《塑料彎曲性能的測定》進行測試。

3 測試結果及分析

3.1 拉擠板材不同搭接方式彎曲性能測試結果匯總，如表2所示

表2 拉擠板材不同搭接方式彎曲性能測試結果匯總

（1）本文分析需要純樹脂澆注體彎曲性能數據，在我們日常測試過程中，測得純樹脂樹脂澆注體彎曲性能為：1.5倍厚度彎曲強度96 MPa，彎曲模量2.8 GPa，彎曲應變≥6%。

（2）本文涉及純樹脂為廣州聚合新材料有限公司提供的拉擠樹脂，型號：EP4515/HY4515。

3.2 測試分析

從表2中，我們可以直觀的分為2部分進行分析，分別是：垂直于纖維方向不同對接/搭接方式和纖維方向不同對接/搭接方式。

3.2.1 垂直于纖維方向不同對接/搭接方式彎曲性能研究分析

（1）垂直于纖維方向堆疊式空腔5 mm縫隙彎曲性能在本文研究的拉擠板材搭接彎曲性能中是最低的，原因分析為：

用圖10示意圖簡易表示試樣在測試過程中的狀態。

試樣的長度方向為垂直于纖維方向，試樣測試過程中跨距支撐點以及作用力點都在3層堆疊的拉擠板材上，試樣破壞時在空腔部位進行破壞（如圖11），因此彎曲性能較低。

（2）垂直于纖維方向砌墻式隨著縫隙的增大其各項彎曲性能降低，但差異不大，從表2代號B、C可以看出，原因分析：

用圖12示意圖簡易表示試樣在測試過程中的狀態。

如圖12所示，首先從彎曲強度進行分析：從代號B、C彎曲強度測試數據可以看出，隨著縫隙的增大，彎曲強度減小，但差異不大；主要是因為；垂直于纖維方向的拉擠板材受力面積減小，從表2數據中可以看出，垂直于纖維方向砌墻式彎曲強度略低于垂直于纖維方向無縫隙彎曲強度，隨著縫隙的增大，縫隙中的樹脂增多，縫隙中的純樹脂1.5倍彎曲強度沒有垂直與纖維方向堆疊式彎曲強度高，因此隨著縫隙的增大，垂直于纖維方向彎曲強度減小，但差異不大；另外從表2可以看出，純樹脂彎曲應變要遠遠高于垂直于纖維方向砌墻式彎曲應變，在實際的彎曲性能測試過程中，隨著彎曲撓度的增加，因垂直于纖維方向彎曲應變要低于純樹脂彎曲應變，因此垂直于纖維方向砌墻式試樣破壞部位在垂直纖維方向拉擠板材的部位，如圖13所示。

其次，試樣在彎曲模量及彎曲應變測試過程中，跨距對彎曲模量及彎曲應變的影響較大，因此我們測試之前需要調整合適的跨距，而垂直于纖維方向砌墻式彎曲性能測試過程中，只是改變樹脂的縫隙大小（比如3 mm和5 mm區別），未改變跨距，從代號B、C可以看出彎曲模量及彎曲應變差異很小，因此垂直于纖維方向砌墻式隨著縫隙的增大其各項彎曲性能降低，但差異不大。

（3）垂直于纖維方向堆疊式隨著縫隙的增大其各項彎曲性能降低，但差異不大，原因分析：

如圖13所示，首先從彎曲強度進行分析：從代號D、E、F彎曲強度測試數據可以看出，隨著縫隙的增大，彎曲強度減小，但差異不大；主要是因為垂直于纖維方向的拉擠板材受力面積減小，從表2數據中可以看出，垂直于纖維方向堆疊式彎曲強度略低于垂直于纖維方向無縫隙彎曲強度，隨著縫隙的增大，縫隙中的樹脂增多，縫隙中的純樹脂1.5倍彎曲強度沒有垂直與纖維方向堆疊式彎曲強度高，因此隨著縫隙的增大，垂直于纖維方向彎曲強度減小，但差異不大；另外從表2可以看出，純樹脂彎曲應變要遠遠高于垂直于纖維方向堆疊式彎曲應變，在實際的彎曲性能測試過程中，隨著彎曲撓度的增加，因垂直于纖維方向彎曲應變要低于純樹脂彎曲應變，因此垂直于纖維方向砌墻式試樣破壞部位在垂直纖維方向拉擠板材的部位，如圖14所示。

其次，試樣在彎曲模量及彎曲應變測試過程中，跨距對彎曲模量及彎曲應變的影響較大，因此我們測試之前需要調整合適的跨距，而垂直于纖維方向砌墻式彎曲性能測試過程中，只是改變樹脂的縫隙大小（比如3 mm和5 mm區別），未改變跨距，從代號D、E、F可以看出彎曲模量及彎曲應變差異很小，因此垂直于纖維方向砌墻式隨著縫隙的增大其各項彎曲性能降低，但差異不大。

3.2.2 纖維方向不同對接/搭接方式彎曲性能研究分析

（1）纖維方向堆疊式彎曲性能隨著縫隙的增大彎曲強度降低，模量降低，應變增大，差異較大，原因分析：

用圖15堆疊式左視圖進行簡易表示。

如圖15所示，試樣的彎曲測試過程中，縫隙中的樹脂只會承載純樹脂彎曲性能的作用，上文已給出純樹脂彎曲強度112 MPa，彎曲模量2.8 GPa，彎曲應變≥6%，而從表2可以看出纖維方向無縫隙拉擠板材測試彎曲強度1 342.32 MPa，彎曲模量60.68 GPa，彎曲應變2.34%，綜合兩者對比，纖維方向堆疊式彎曲性能測試，主要是纖維方向拉擠板材承受主要彎曲性能，而縫隙中純樹脂對纖維方向堆疊式彎曲性能測試貢獻相對較小；因此，隨著縫隙的增大，拉擠板材所承載的受力面積逐減小，因此彎曲強度性能也隨之降低，彎曲模量性能也隨之降低，彎曲應變性能逐漸增大；如果縫隙為空腔，將失去純樹脂彎曲性能的貢獻，所以纖維方向堆疊式空腔5 mm縫隙性能較低。

（2）纖維方向砌墻式彎曲性能隨著縫隙的增大彎曲性能降低，差異較大，原因分析：

用圖16示意圖簡易表示試樣在測試過程中的狀態。

如圖16所示，拉擠板材搭接縫隙的構成是成“┻”狀，試樣在彎曲測試過程中，下端無縫隙纖維方向拉擠板材在測試過程中，承載著一定的作用，因此此種方式鋪設制樣的彎曲性能在本文研究的拉擠板材對接/搭接過程中，性能最優，但是隨著縫隙的增大，其彎曲強度降低，模量降低，應變增大，原因和上文條款一致，即：縫隙中純樹脂的彎曲性能對試樣的彎曲測試性能貢獻相對較小，主要是由于縫隙的增大，纖維方向拉擠拉擠板材所承載的受力面積減小，因此：纖維方向砌墻式彎曲性能隨著縫隙的增大彎曲強度降低，彎曲模量降低，彎曲應變增大。

4 結論

（1）從上述14種拉擠板材不同搭接方式彎曲性能測試可以看出，纖維方向堆疊式/砌墻式彎曲性能優于垂直纖維方向堆疊式/砌墻式彎曲性能。

（2）垂直于纖維方向堆疊式/砌墻式彎曲性能隨著縫隙的變大，彎曲性能逐漸降低，但差異不大，主要原因為：垂直于纖維方向拉擠板材隨著縫隙的增大，其拉擠板材受力面積減小，所以強度減小，但略低于垂直于纖維方向無縫隙拉擠板材的彎曲強度；另外垂直于纖維方向拉擠板材的彎曲應變遠遠沒有純樹脂的彎曲應變大，所以在實際測試彎曲過程中，隨著彎曲撓度的增大，垂直于纖維方向拉擠板材進行破壞。

在未改跨距的條件下，只改變樹脂縫隙，所以彎曲模量及彎曲應變的差異不大。

（3）纖維方向堆疊式/砌墻式彎曲性能隨著縫隙的變大，彎曲強度逐漸降低，彎曲模量逐漸降低，彎曲應變增大；差異較大，主要與纖維方向拉擠拉擠板材所承載面積有關。

（4）在實際生產過程中，無論是拉擠板材纖維方向搭接/拼接，還是垂直于纖維方向搭接/拼接其彎曲性能相對無縫隙對接的拉擠板材彎曲性能會或多或少損失一些，因此我們在實際過程中最好采用無縫隙對接方式進行拉擠板材的鋪設。