层错结构对玻璃纤维_炭纤维混杂复合材料弯曲性能的影响_王平.pdf

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1、年第期玻 璃 钢/复 合 材 料层错结构对玻璃纤维 炭纤维混杂复合材料弯曲性能的影响王 平,张条兰,罗永康,温月芳(.中国科学院山西煤炭化学研究所炭材料重点实验室,太原.中国科学院研究生院,北京;);.东华大学纺织学院,上海摘要:本文研究 了某一位置的层错数目、多层错时的层错间距、炭纤维与玻璃纤 维层数的 比例等 层错结构 参数对 玻璃纤维(G F)/炭纤维(C F)混杂复合材料 弯曲性能的影响。结果表明:对于一定的 混杂复合 材料,弯曲强度随 着某一位 置层错数目的减少而增加;多层层错时,层错间距需达到某一临界值;炭纤维与外层玻璃纤维层 数存在一个最佳比例。关键词:炭纤维;玻璃纤维;混杂复合

2、材料;层错中图分类号:T B文献标识码:A 文章编号:-()-引 言风力发电机叶片是风力发电的关键设备。随着风机功率的增大,叶片长度增加,叶片重量也随之增加。研究表明,当风机功率超过M W、叶片长度将超过m时,在叶片制造时采用炭纤维已成为降低成本和增强性能的有效 途径公司在尝试制造炭纤维叶片,实 验.原材料玻璃纤维单向布采用宜兴市复兴玻璃纤维有限公司的 F E D J-,面密度为g/m,层厚约为.m m;炭纤维单向布为外购的台塑公司K 炭纤维编织织物,面密度为g/m,层厚约为.m m;树脂采用上纬精细化工有限公司的-A/B F 型环氧树脂。.样品制备表样品铺层结构及弯曲强度T a b l e

3、S t a c k i n gs t r u c t u r e sa n db e n d i n gs t r e n g t h so f s a m p l e s样品样品样品样品样品样品样品样品样品铺层结构/(c)/。N o d e x 和 L M等,。但炭纤维价格昂贵,因此只在叶片的一些重要承重构件中选择性地使用炭纤维取代玻璃纤维,在叶片的某一位置将存在一个玻璃纤维和 炭纤维的过渡区。而混杂 复 合材料的结构及混杂效应受各种因素的影响。研究学者曾提出过一种供选择的玻纤/炭纤过渡方式。玻璃纤 维和炭纤维以层 错的方式进行 过渡,层错间距d/m m(h)(h)(h)(h)(h)(h)(

4、h)弯曲强度/M P a./(G)/(c)c)/(/。然而,炭纤维和玻璃纤维 的失效应变和 刚度并不匹配;同时,层错结构容易导致应力集中和分层发生,从而影响材料的力学性能。国外对玻璃纤维复合材料和炭纤维复合材料的削层结构进行了大量理论和实验研究/(G)G)/(/c/c/cc/G/G/G/G/(c)c)/(/,国内的邵小军等用三维有限元分析模拟了大尺寸试件多削层结构的拉伸和压缩试验,对损伤的萌生和扩展进行了预测错结构尚鲜有报道。参考 M u k h e r j e e 针对单一纤维复合材料的削层结构提出的设计准则/(G)G)/(/(c)c)/(/(G)G)/(/(c)c)/(/。但是对于炭纤维和

5、玻璃纤维混杂复合材料过渡区的层/(G)G)/(/(c)c)/(/(G)G)/(/(c)c)/(/,研究了风电叶片中玻纤/(G)G)/(/炭纤混杂复合材料过渡区层错结构的不同参数对弯曲性能的影响。这些参数包括:某一位置的层错数目,多层层错时的层错间距,炭纤维与外层玻璃纤维层数的比例。注:c为错层的炭纤维层;G为对应错层的玻 璃纤维层;数字下标为同一位置的错层层数;h 为某一位置的层错厚度。为考察某一位置的层错数目,多层错时的层错间距,炭纤维与外层玻璃纤维层数的比例等参数对混杂复合材料弯曲性能的影响,主要研究了以下收稿日期:-本文作者还有杨永岗。作者简介:王平(-),女,硕士,主要从事纤维复合材料

6、方面的研究。F R P/C M.N o.层错结构对玻璃纤 维/炭纤维混杂复合材料弯曲性能的影响年月种层错结构,如表和图所示。的弯曲应力-位移曲线上可以看到,曲线上某些位置的弯曲应力有微弱波动,这是由树脂基体产生的裂纹或纤维与基体的界面脱胶引起的。由此可知,玻纤/炭纤混杂复合材料的失效模式以基体失效、界面分层、纤维断裂为主。由于树脂对炭纤维和玻璃纤维的浸润性不同,且玻璃纤维的失效应变大于炭纤维,所以炭纤维层和玻璃纤维层交界处的界面分层在此处显得尤为重要。图玻纤/炭纤混杂复合材料层错结构示意图F i g.S c h e ma t i cd i a g r a m so f G F/C Fh y b

7、 r i dc o mp o s i t e s采用真空辅助树脂传递成型工艺(V A R T M)制成了混杂复合材料层合板。采用万能制样机对复合材料层合板进行切割,制备弯曲测试用小试样。工艺流程如图所示。图混杂复合材料弯曲失效后的显微 照片F i g.Mi c r o s c o p i cp h o t o g r a p ho f h y b r i dc o mp o s i t e sa f t e r b e n d i n gf a i l u r e.某一位置层错数的影响不同层错结构的混杂复合材料弯曲强度如表图混杂复合材料制备 流程图F i g.P r e p a r a t i

8、 o nc h a r t s o f h y b r i dc o m p o s i t e s所示。样品、研究了某一位置层错数目对弯曲性能的影响,结构示意如图所示。样品、在某一位置的层错数目分别为、。图和图分别为样品至样品的应力-位移曲线和弯曲强度与层错数目的关系图。从图可以看出,在某一位置,随着层错数目的增加,弯曲强度急剧下降。层错结构中,因一层或多层纤维的终止,在错层纤维的末端将形成树脂富集 区,同时导 致纤维的弯曲 变形。如图所示,炭纤维层的终止使混杂复合材料存在明显的树脂富集区,同时玻璃纤维因炭纤维层的下错偏离纤维轴向而发生弯曲。树脂富集区和纤维弯曲变形加剧了加载区域的应力集中,

9、影响分层的形成和扩展生长,进一步影响混杂复合材料的力学性能。结合图的混杂复合材 料结构示意图 可以看出,随着某一位置 层错数目的减 少,树脂富 集区减小,纤维变形度降低,应力集中现象也随之减缓,宏观表现为力学性能的增加。.层错间距的影响对于有多层层错结构的复合材料,以一定的层错间距在不同位置错层的层错结构比在某一特定位置层错的结构更受关注。而最小层错间距的选择对达到理想的结构和性能至关重要。M u k h e r j e e 在纤.性能测试弯曲性能测试采用新三 思 C M T万能材料试验机,参考 G B/T-和 G B/T-,采用三点弯曲法对炭纤/玻纤过渡区进行弯曲测试;细观形貌观测采用上海长

10、方光学仪器有限公司的金相显微镜,对混杂复合材料侧面及弯曲失效后的样品放大倍观测细观形貌。结果与讨论复合材料层合板在三点弯曲测试下的受力情况和损伤发展比较复杂。在加载点附近区域既有纵向压力、横向拉力作用,又有剪应力及挤应力作用,这些应力都可能对材料的损伤产生影响。同时,损伤过程还与纤维、基体的性质和含量,界面粘结强度,铺层厚度,铺层方向,试件的几何尺寸,跨度比等因素有关。图所示为混杂复合材料弯曲损伤失效的显微照片。如图所示,纤维层之间、纤维与树脂之间存在明显的分层裂缝。在外载荷的作用下,树脂富集区的存在使基体裂纹过早地产生,裂纹尖端的高应力将促使纤维与界面发生分层。而从图、图、图F R P/C

11、M.N o.年第期玻 璃 钢/复 合 材 料区及分层起始点重叠,相互影响,使失效应力降低。当层错间距达到一定值时,两个层错位置的应力集中区及分层起始点 互不影响,应力传递区域 增加。因此,两者是独立 的错层,而不影响彼此的 失效应力。当层错间距从m m增加到m m时,弯曲强度大幅增加。当层错间距超过m m 时,随着层错间距的增 大,弯曲 强 度 的 增 加 趋 势 变 平 缓。这 与M u k h e r j e e 研究的层错间距对层间应力和剪切应力的影响相一致。.炭纤维与玻璃纤维层数比例的影响炭纤维的刚度远大于玻璃纤维,而玻璃纤维的维削层结构设计准则中提出层错间距可以低至倍的层错厚度。为了

12、验证这一准则对炭纤/玻纤混杂复合材料层错结构的适用性,样品、研究了多层层错时层错间距对弯曲性能的影响。样品、对应的层错间距分别是m m、m m、m m、m m、m m。图和图分别为其对应的应力-位移曲线和弯曲强度与层错间距的关系曲线。从图中可以看出,当层错间距不够大 时(即样品,层错间距为m m),并不能提高混杂复合材料的弯曲强度。这是由于两个层错位置的应力集中断裂伸长率大于炭纤维。因此,为得到性能优异的混杂复合材料,炭纤维和玻璃 纤维必须合理 匹配。样品、研究了炭纤维与下表面玻璃纤维层数比例对弯曲性能的影响,如图所示。当层数比例为时,弯曲强度最低;而层数比例为时,弯曲强度大幅度增加;当层数比

13、例增加到时,弯曲强度的进一步增加并不明显。图所示为层数比例为的样品的弯曲断裂面显微照片。从图可以看出,外层玻璃纤维断裂面为整齐的脆断;图中样品的应力-位移曲线呈现线性,样品在屈服之F R P/C M.N o.层错结构对玻璃纤 维/炭纤维混杂复合材料弯曲性能的影响年月前发生断裂,在炭纤维的刚性作用下,纤维和基体表现为一次性断裂失效。从图和图可以看出,样品的弯曲强度并没有呈线性增加,样品的纤维失效首先发生在上表面的玻璃纤维层,原因可能是上表面的玻璃纤维层数减少,不足以降低炭纤维层对上表面纤维的刚性作用。因此层错结构中应以降低刚度的方式进行层错设计,以实现应力的平缓传递和降低应力集中。结 论()在满

14、足纤维混杂结构的基础上,对于多层层错结构,在某一位置的层错数目应该尽量降到最小,使层错梯度平缓变化,以降低应力集中及其导致的分层;()不同位置层错时,层错间 距应达到某一最低值,否则将导致更大的应力集中。玻璃纤维和炭纤维混杂复合材料层错时,错层间距可低至倍的层错厚度;()玻璃纤维/炭纤维混杂复合 材料层错结构的设计应相应地降低炭纤维的刚度,以实现炭纤维和玻璃纤维的刚度匹配,防止突然破坏的发生。参考文献 B r n d s t e dP,L i l h o l t H,L y s t r u pA.C o m p o s i t em a t e r i a l s f o r w i n dp

15、 o w e r t u r b i n eb l a d e s J.An n u a l R e v i e wo f M a t e r i a l sR e s e a r c h,():-.G r i f f i nD A.C o s t p e r f o r m a n c e t r a d e o f f s f o r c a r b o nfi b e r s i nw i n d Z .戴春晖,刘钧,曾竟成,边力平.复合 材料风电 叶片的 发展现状及若干问题的对策 J .玻璃钢/复合材料,():-.陈宗来,陈余岳.大型风力机复合材料叶片技术及进 展 J .玻璃钢/复合材

16、料,():-.G r i f f i nD A.B l a d e s y s t e md e s i g nst u d i e s v o l u m eI:c o m p o s i t ete c h-n o l o g i e s f o r l a r g e w i n d t u r b i n e b l a d e s R.S A N D-,:-.邓宗才,李建辉.混杂 F R P 复合 材料混 杂效 应的 研究 与进展 J.玻璃钢/复合材料,():-.G r i f f i nD A,A s h w i l l T D.A l t e r n a t i v e c o

17、m o p o s i t em a t e r i a l s f o r m e g a-w a t t-s c a l e w i n d t u r b i n e b l a d e s:d e s i g nc o n s i d e r a t i o n s a n d r e c o m m e n-d e dte s t i n g C.s t A I A AA e r o s p a c e S c i e n c e s M e e t i n g a n d E x h i b-i t,:-.G r i f f i nD A.B l a d es y s t e m

18、d e s i g ns t u d i e sv o l u m eI I:p r e l i m i n a r yb l a d e d e s i g n s a n d r e c o m m e n d e d t e s t m a t r i x R .S A N D-,:-.H o t t i n g A D,V i z z i n i A J,L e e S W.E f f e c t o f p l y-d r o pc o n f i g u r a t i o no nd e l a m i n a t i o ns t r e n g t ho f t a p e

19、r e dc o m p o s i t e s t r u c t u r e s J.A I A AJ o u r n a l,():-.C a i r n s D S,a n d e l l J M,S c o t t M E,M a c c a g n a n o J Z.D e s i g nc o n s i d-e r a t i o n s f o r p l y d r o p s i nc o m p o s i t e w i n dtu r b i n e b l a d e s C.t hA I A AA e r o s p a c eS c i e n c e s

20、M e e t i n g a n dE x h i b i t.R e n o,N V,:-.S c o t t M E.E f f e c t s o f p l y d r o p s o n t h e f a t i g u e r e s i s t a n c e o f c o m p o s i t em a t e r i a l a n ds t r u c t u r e s D.B o z e m a n:M o n t a n aS t a t e U n i v e r s i t y.S h i mD-J,L a g a c e P A.M e c h a n

21、i s m s a n ds t r u c t u r a l p a r a m e t e r s a f-f e c t i n g t h ein t e r l a m i n a r s t r e s s f i e l dinl a m i n a t e s w i t hp l yd r o p-o f f J .J o u r n a l o f C o m p o s i t e M a t e r i a l s,():-.F R P/C M.N o.年第期玻 璃 钢/复 合 材 料 S t e e v e s C A,F l e c kN A.C o m p r

22、e s s i v es t r e n g t ho f c o m p o s i t ela m i-n a t e sw i t ht e r m i n a t e di n t e r n a lp l i e s J.C o m p o s i t e s:P a r tA,():-.K i mH S,R h e e S Y,C h o M.S i m p l e a n de f f i c i e n t i n t e r l a m i n a r s t r e s sa n a l y s i s o f c o m p o s i t e l a m i n a t

23、 e s w i t hin t e r n a l p l y-d r o p J .C o m p o s-i t e S t r u c t u r e s,():-.V i d y a s h a n k a rB R,M u r t yA V K.A n a l y s i so f l a m i n a t e sw i t hp l yd r o p s J .C o m p o s S c i e n c e T e c h n o l o g y,():-.邵小军,岳珠峰,刘永寿.对称削层复合材料结构的有限元分析 J .强度与环境,():-,.邵小军,岳珠峰,王毅,张庆茂.

24、复合材料大 斜削结构压缩试验和损伤模拟研究 J .航空材料学报,():-.邵小军,岳珠峰,王毅,张庆茂.复合材料斜 削结构试验和损伤模拟研究 J .材料科学与工程学报,():-.M u k h e r j e e A,V a r u g h e s eB.D e s i g ng u i d e l i n e sfo r p l yd r o p-o f f i nl a m i n a t e d c o m p o s i t es t r u c t u r e s J .C o m p o s i t e sP a r t B:e n g i n e e r-i n g,():-.陈

25、心爽,陶建新,薛元德.单向复合材料梁三点弯曲时损伤机理分析及其数 值模 拟 J .玻璃 钢/复合 材料,():-,.E F F E C T SO FP L YD R O P SO NB E N D I N GS T R E N G T HOFG L A S S-F I B E R/C A R B O N-F I B E RH Y B R I DCO MP O S I T E SWA N GP i n g,Z H A N GT i a o-l a n,L U OY o n g-k a n g,WE NY u e-f a n g(.K e y L a b o r a t o r y o f C a

26、 r b o nM a te r i a ls,I n s t it u t eo f C o a l C h e m i s t r y,C h i n e s eA c a d e m y o f S c i e n c e s,T a i y u a n,C h i n a;.G r a d u a t e S c h o o l o f C h i n e s e A c a d e m y o f S c i e n c e s,B e ij i n g,C h i n a;.C o l le g eo f T e x t il e s,D o n g h u a U n i v e

27、 r s i t y,S h a n g h a i,C h i n a)A b s t r a c t:T h e e ff e c t s o f im p o r t a n t p a r a m e t e r s i n c l u d i n g n u m b e r s o f t h e p l i e s d r o p-o f f a t a s t a t io n,d i s ta n c e b e-t w e e ns u c c e s s i v ed r o p-o f f s,r a ti oo f C Fp l i e sa n dG Fp li e

28、s b e l o wt h eC Fp l i e so nb e n d i n gs tr e n g t ho f g l a s s-f i b e r(G F)/c a r b o n-f ib e r(C F)h y b r i dc o m p o s i t e s w e r e s t u d i e d.T h er e s u lt s h o w s t h a t,f o r ad e f i n it eh y b r i dc o m p o s i te,t h eb e n d i n g s t r e n g t hin c r e a s e s a

29、 s t h e n u m b e r s o f t h e p l ie s d r o p-o ff a t a s ta t i o nr e d u c e.T h e d i s t a n c e b e t w e e ns u c c e s-s i v ed r o p-o f f s m u s t b e u ptoac r i t i c a l v a l u ew h e nal a r g en u m b e r o f p l ie s a r et ob ed r o p p e da t d i f f e r e n t s t a ti o n s

30、.T h e r e i s a no p t i m a l r a t i o b e t w e e nC Fp l i e s a n dG Fp l ie s b e l o wt h e C Fp l i e s.K e yw o r d s:c a r b o n-f i b e r;g l a s s-f ib e r;h y b r i dc o m p o s i t e s;p l y d r o p,(上接第页)f o ll o w e dth e s t d i m e n s io n a l n u c l e a t i o nf e a t u r e s.T

31、 h ec u r er e a c t io nh e a t a n dth e c u r ek i n e t icp a r a m e t e r s in d ic a te dt h a t t h ec u r e r e a c t i o nc o u r s e w a s n o t c h a n g e d,a n dt h es e d i m e n t a s an e wc o m p o s i t i o nf o r U P Rs y s t e md i d n t i n fl u-e n c et h e U P Rc u r e r e a c ti o n.T h e c u r e t e m p e r a t u r ep a r a m e t e r s o f U P R/s e d i m e n t s y s t e mc a n a l s o b ed e f i n e db yth eD S Cc u r v e s.K e yw o r d s:u n s a t u r a t e dp o l y e s t e r r e s i n;s e d i m e n t;c u r in g r e a c t i o n;k i n e t i c;D S CF R P/C M.N o.