CWPC2024： 浙江航飛檢測(cè)技術(shù)有限公司實(shí)驗(yàn)室主任何成智發(fā)表《風(fēng)電葉片復(fù)合材料斷裂韌性影響因素研究》的演講

大家好，我來(lái)自浙江航飛，本次演講的題目是風(fēng)電葉片復(fù)合材料及斷裂韌性影響因素研究。

我的分享分為4個(gè)方面：

1、企業(yè)介紹

浙江航飛成立于2011年12月，是通過(guò)中國(guó)合格評(píng)定國(guó)家認(rèn)可委員會(huì)（CNAS）認(rèn)可和授權(quán)，(CMA)中國(guó)計(jì)量認(rèn)證，(DNV)認(rèn)證，具有獨(dú)立法人資格的第三方專業(yè)檢測(cè)機(jī)構(gòu)。公司專注于復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)的性能檢測(cè)、檢驗(yàn)，試驗(yàn)件加工、復(fù)材制造及相關(guān)專業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)開(kāi)發(fā)、技術(shù)轉(zhuǎn)讓、技術(shù)咨詢、技術(shù)服務(wù)。現(xiàn)擁有數(shù)十套各類材料和結(jié)構(gòu)檢測(cè)試驗(yàn)設(shè)備及機(jī)械加工設(shè)備，可按照國(guó)標(biāo)、美標(biāo)、歐標(biāo)、國(guó)際ISO等標(biāo)準(zhǔn)方法開(kāi)展材料樣件的加工與測(cè)試服務(wù)，同時(shí)還具備各類非標(biāo)試驗(yàn)的測(cè)試方法與技術(shù)能力開(kāi)發(fā)。

（圖示）這是我們獲得的資格證書(shū)，我們是浙江省高新技術(shù)企業(yè)，還是浙江大學(xué)本科生教學(xué)實(shí)習(xí)基地。這是常規(guī)制樣已測(cè)設(shè)備，還有自主開(kāi)發(fā)的工裝。同時(shí)我們做了螺栓和螺栓套的疲勞試驗(yàn)，還有500千牛龍門(mén)架的實(shí)驗(yàn)臺(tái)，不超過(guò)5000千牛，還有低于10米的實(shí)驗(yàn)臺(tái)。

2、斷裂韌性測(cè)試背景

因?yàn)镕RP具有高比強(qiáng)度和高比模量廣泛應(yīng)用于制作風(fēng)機(jī)葉片，這些材料在相鄰層之間受載荷（交變載荷、壓縮等）產(chǎn)生分層，分層容易發(fā)生在許多結(jié)構(gòu)上。

定義，斷裂韌性是試樣或構(gòu)件中有裂紋或類裂紋缺陷情形下發(fā)生以其為起點(diǎn)的不再隨著載荷增加而快速斷裂，即發(fā)生所謂不穩(wěn)定斷裂時(shí)，材料顯示的阻抗值。我們從裂紋產(chǎn)生到結(jié)束，所有犧牲的韌性值都是鍛煉韌性，我們研究的是材料已經(jīng)存在缺陷的情況下，還能承受多大的應(yīng)力而不至于使裂紋快速擴(kuò)展到最終發(fā)生破壞；關(guān)注的是裂紋擴(kuò)展的這個(gè)過(guò)程，而不僅僅是發(fā)生斷裂的這個(gè)結(jié)果。斷裂韌性是表征材料阻止裂紋擴(kuò)展的能力，是衡量韌性好壞的指標(biāo)，主要用于質(zhì)量控制和可靠性評(píng)估。開(kāi)發(fā)高性能，高可靠性的產(chǎn)品。沒(méi)有產(chǎn)生明顯宏觀塑性的情況下，突然發(fā)生的一種破壞；事先沒(méi)有明顯的跡象，所以破壞的危險(xiǎn)性很大。

3、斷裂韌性測(cè)試分析

我們根據(jù)裂紋體變形情況將裂紋分為3種模式：

張開(kāi)型（I型）裂紋：或稱拉伸性裂紋，此種為最危險(xiǎn)，最重要的一種。類似于葉片在揮舞過(guò)程主梁下半部分，大規(guī)模都是這種破壞模式。

滑開(kāi)型（II型）裂紋：或稱剪切型裂紋，類似于主梁上半部分。

撕開(kāi)型（III型）裂紋，類似于葉片的扭轉(zhuǎn)。

（圖示）斷裂韌性裂紋計(jì)算分為：修正梁理論、柔度標(biāo)定法、修正柔度標(biāo)定法。

實(shí)驗(yàn)測(cè)試過(guò)程，大家可以輕易看出在測(cè)試過(guò)程中擠板發(fā)生了彎曲的變化，所以需要修正梁把彎曲扭轉(zhuǎn)修正掉。要求厚度是30-50毫米，不超過(guò)13um的薄膜。低彎曲模量或者高層間斷裂韌性材料，增加鋪層數(shù)量（增加層壓板厚度）或減少分層長(zhǎng)度，以避免試樣的懸臂部分產(chǎn)生較大撓度。加載塊引入載荷，a/h＜10數(shù)據(jù)處理可能不正確。

斷裂韌性靜態(tài)結(jié)果分析，樣品的層間性能取決于基體性能，影響因素包括：基體樹(shù)脂、纖維體積含量、灌注方向等，通過(guò)定量研究對(duì)比結(jié)果的影響。不同體積含量G1C，層合板1纖維含量約57%，層合板2纖維含量約53%。不管是高纖維材料還是零度灌注，都會(huì)保證纖維體積含量越高，提高G1C值。不同灌注方向G1C，灌注方向?yàn)?0°方向，灌注方向?yàn)?°方向。

（圖示）不同樹(shù)脂G1C，不同基板厚度G1C，現(xiàn)階段拉擠板的應(yīng)用，葉片是用二次粘貼，所以說(shuō)不管是界面還是效果來(lái)說(shuō)，都對(duì)力學(xué)性能有非常大的影響。我們現(xiàn)在通過(guò)不同因素定量分析，我們選用常用的3款脫模布二次復(fù)合：第一種脫模布發(fā)生了脆斷，第二種也發(fā)生了脆斷。我們?cè)诙芜^(guò)程中出現(xiàn)了脆斷，怎么解決，我們選擇了常用的幾種材料，雙軸200、連續(xù)氈、斜紋布、雙軸600去做，相當(dāng)于纖維橋接，纖維中間發(fā)生了破裂，基板和纖維之間結(jié)合力非常好，傾向于我們需要一種破壞。我們?cè)跍y(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了利用雙軸600可以更好提高織物的G1C數(shù)值，我們就利用雙軸200二次灌注。前面出現(xiàn)的3種脫模布，脆斷也好，數(shù)值偏小也好，經(jīng)過(guò)計(jì)算值都達(dá)到了1200以上，這種應(yīng)用可以極大提高G1C值。我們又對(duì)常用免脫拉擠板、有脫拉擠板進(jìn)行測(cè)試，免脫拉擠板一定程度上可以減少成本、提高效率，相對(duì)G1C值在我們?cè)O(shè)計(jì)過(guò)程中是需要考慮的。我們通過(guò)分析進(jìn)一步減少預(yù)制裂紋的值，可能由于初始強(qiáng)度過(guò)大而直接產(chǎn)生破壞。

我們?cè)谇懊嬲业胶枚喾N界面破壞，破壞之后我們用一些顯微鏡對(duì)表面進(jìn)行分析，有4種形態(tài)在我們測(cè)試過(guò)程中對(duì)應(yīng)不同的力值。一種是灌注，表面很光滑，這種更類似于我們做免脫模拉擠板，雖然沒(méi)有脆斷，結(jié)合力很小，上面有很淺的紋，這兩種都是我們不希望的破壞模式。我們?cè)谧龅倪^(guò)程中表面會(huì)發(fā)生一些樹(shù)脂破壞，相當(dāng)于這個(gè)點(diǎn)發(fā)生了脆斷，受到力發(fā)生樹(shù)脂間斷裂，富樹(shù)脂引起的。我們最喜歡的是纖維發(fā)生橋接，在纖維之間去破壞。

（圖示）斷裂韌性的疲勞測(cè)試，為什么要進(jìn)行疲勞測(cè)試，因?yàn)榉謱用舾行允窃斐蓮?fù)合材料層壓最主要的弱點(diǎn)之一，而且G1C抗裂紋擴(kuò)展能力，特別是載荷和周期性應(yīng)力。能量釋放率（G）確定分層擴(kuò)展起始的循環(huán)次數(shù)（N）。我們計(jì)算出了G1C值與循環(huán)數(shù)的比較，在G1C值需要很大的時(shí)候，應(yīng)力值很小，這個(gè)計(jì)算的結(jié)果。還有斷流人性疲勞測(cè)試，我們?cè)谧鯣1C疲勞時(shí)需要一個(gè)柔度值，也就是應(yīng)力和裂紋比值，和前面做的3種一樣，有一些關(guān)系。不管是人工記錄裂紋值也好，還是通過(guò)靜態(tài)分析記錄，還是動(dòng)態(tài)分析，都類似于一條擬合的直線。通過(guò)我們分析可以看出來(lái)，在裂紋擴(kuò)展過(guò)程中會(huì)處于三個(gè)階段：一是低疲勞值；二是裂紋穩(wěn)定增長(zhǎng)，呈線性破壞；三是G1C到達(dá)一定的值，裂紋擴(kuò)展非常不穩(wěn)定，發(fā)生快速失效。

4、總結(jié)與展望

不同纖維含量對(duì)G1C值的影響，纖維含量越高，靜態(tài)性能是升高的。在纖維含量較低時(shí)，因?yàn)閷娱g某部分有富數(shù)值導(dǎo)致脆斷，集體樹(shù)脂性能不足以支撐整個(gè)樣板，也會(huì)發(fā)生G1C值破壞，這個(gè)疲勞值會(huì)在樹(shù)脂多的時(shí)候破壞，樹(shù)脂低的時(shí)候也會(huì)破壞，更值得我們?nèi)リP(guān)注。我們做了這么多研究，怎么提高G1C值，在完全浸潤(rùn)的情況下盡量讓體積含量升高；90度灌注效果更好，90度灌注情況下可以讓樹(shù)脂浸潤(rùn)性保持一致性。還有選一些雙軸導(dǎo)流織物，讓克重更小，讓界面更薄，趨近于讓兩個(gè)界面結(jié)合。新研究的導(dǎo)流板可以增加灌注效果，而且本身力學(xué)性能非常好，增加G1C值。還有測(cè)試過(guò)程中基于一些高模量，讓形變量更小，也可以讓G1C值更真實(shí)。其實(shí)對(duì)于我們測(cè)試過(guò)程中可以升高溫度，這樣的話可以讓樹(shù)脂粘度降低，可以讓浸潤(rùn)時(shí)間更長(zhǎng)，可以增加粘接力。包括延長(zhǎng)恒溫，讓浸潤(rùn)時(shí)間更長(zhǎng)，也可以增加粘接力。

我的報(bào)告就到這里，謝謝大家！