CWPC2024： 浙江航飞检测技术有限公司实验室主任何成智发表《风电叶片复合材料断裂韧性影响因素研究》的演讲

大家好，我来自浙江航飞，本次演讲的题目是风电叶片复合材料及断裂韧性影响因素研究。

我的分享分为4个方面：

1、企业介绍

浙江航飞成立于2011年12月，是通过中国合格评定国家认可委员会（CNAS）认可和授权，(CMA)中国计量认证，(DNV)认证，具有独立法人资格的第三方专业检测机构。公司专注于复合材料与结构的性能检测、检验，试验件加工、复材制造及相关专业领域的技术开发、技术转让、技术咨询、技术服务。现拥有数十套各类材料和结构检测试验设备及机械加工设备，可按照国标、美标、欧标、国际ISO等标准方法开展材料样件的加工与测试服务，同时还具备各类非标试验的测试方法与技术能力开发。

（图示）这是我们获得的资格证书，我们是浙江省高新技术企业，还是浙江大学本科生教学实习基地。这是常规制样已测设备，还有自主开发的工装。同时我们做了螺栓和螺栓套的疲劳试验，还有500千牛龙门架的实验台，不超过5000千牛，还有低于10米的实验台。

2、断裂韧性测试背景

因为FRP具有高比强度和高比模量广泛应用于制作风机叶片，这些材料在相邻层之间受载荷（交变载荷、压缩等）产生分层，分层容易发生在许多结构上。

定义，断裂韧性是试样或构件中有裂纹或类裂纹缺陷情形下发生以其为起点的不再随着载荷增加而快速断裂，即发生所谓不稳定断裂时，材料显示的阻抗值。我们从裂纹产生到结束，所有牺牲的韧性值都是锻炼韧性，我们研究的是材料已经存在缺陷的情况下，还能承受多大的应力而不至于使裂纹快速扩展到最终发生破坏；关注的是裂纹扩展的这个过程，而不仅仅是发生断裂的这个结果。断裂韧性是表征材料阻止裂纹扩展的能力，是衡量韧性好坏的指标，主要用于质量控制和可靠性评估。开发高性能，高可靠性的产品。没有产生明显宏观塑性的情况下，突然发生的一种破坏；事先没有明显的迹象，所以破坏的危险性很大。

3、断裂韧性测试分析

我们根据裂纹体变形情况将裂纹分为3种模式：

张开型（I型）裂纹：或称拉伸性裂纹，此种为最危险，最重要的一种。类似于叶片在挥舞过程主梁下半部分，大规模都是这种破坏模式。

滑开型（II型）裂纹：或称剪切型裂纹，类似于主梁上半部分。

撕开型（III型）裂纹，类似于叶片的扭转。

（图示）断裂韧性裂纹计算分为：修正梁理论、柔度标定法、修正柔度标定法。

实验测试过程，大家可以轻易看出在测试过程中挤板发生了弯曲的变化，所以需要修正梁把弯曲扭转修正掉。要求厚度是30-50毫米，不超过13um的薄膜。低弯曲模量或者高层间断裂韧性材料，增加铺层数量（增加层压板厚度）或减少分层长度，以避免试样的悬臂部分产生较大挠度。加载块引入载荷，a/h＜10数据处理可能不正确。

断裂韧性静态结果分析，样品的层间性能取决于基体性能，影响因素包括：基体树脂、纤维体积含量、灌注方向等，通过定量研究对比结果的影响。不同体积含量G1C，层合板1纤维含量约57%，层合板2纤维含量约53%。不管是高纤维材料还是零度灌注，都会保证纤维体积含量越高，提高G1C值。不同灌注方向G1C，灌注方向为90°方向，灌注方向为0°方向。

（图示）不同树脂G1C，不同基板厚度G1C，现阶段拉挤板的应用，叶片是用二次粘贴，所以说不管是界面还是效果来说，都对力学性能有非常大的影响。我们现在通过不同因素定量分析，我们选用常用的3款脱模布二次复合：第一种脱模布发生了脆断，第二种也发生了脆断。我们在二次过程中出现了脆断，怎么解决，我们选择了常用的几种材料，双轴200、连续毡、斜纹布、双轴600去做，相当于纤维桥接，纤维中间发生了破裂，基板和纤维之间结合力非常好，倾向于我们需要一种破坏。我们在测试过程中发现了利用双轴600可以更好提高织物的G1C数值，我们就利用双轴200二次灌注。前面出现的3种脱模布，脆断也好，数值偏小也好，经过计算值都达到了1200以上，这种应用可以极大提高G1C值。我们又对常用免脱拉挤板、有脱拉挤板进行测试，免脱拉挤板一定程度上可以减少成本、提高效率，相对G1C值在我们设计过程中是需要考虑的。我们通过分析进一步减少预制裂纹的值，可能由于初始强度过大而直接产生破坏。

我们在前面找到好多种界面破坏，破坏之后我们用一些显微镜对表面进行分析，有4种形态在我们测试过程中对应不同的力值。一种是灌注，表面很光滑，这种更类似于我们做免脱模拉挤板，虽然没有脆断，结合力很小，上面有很浅的纹，这两种都是我们不希望的破坏模式。我们在做的过程中表面会发生一些树脂破坏，相当于这个点发生了脆断，受到力发生树脂间断裂，富树脂引起的。我们最喜欢的是纤维发生桥接，在纤维之间去破坏。

（图示）断裂韧性的疲劳测试，为什么要进行疲劳测试，因为分层敏感性是造成复合材料层压最主要的弱点之一，而且G1C抗裂纹扩展能力，特别是载荷和周期性应力。能量释放率（G）确定分层扩展起始的循环次数（N）。我们计算出了G1C值与循环数的比较，在G1C值需要很大的时候，应力值很小，这个计算的结果。还有断流人性疲劳测试，我们在做G1C疲劳时需要一个柔度值，也就是应力和裂纹比值，和前面做的3种一样，有一些关系。不管是人工记录裂纹值也好，还是通过静态分析记录，还是动态分析，都类似于一条拟合的直线。通过我们分析可以看出来，在裂纹扩展过程中会处于三个阶段：一是低疲劳值；二是裂纹稳定增长，呈线性破坏；三是G1C到达一定的值，裂纹扩展非常不稳定，发生快速失效。

4、总结与展望

不同纤维含量对G1C值的影响，纤维含量越高，静态性能是升高的。在纤维含量较低时，因为层间某部分有富数值导致脆断，集体树脂性能不足以支撑整个样板，也会发生G1C值破坏，这个疲劳值会在树脂多的时候破坏，树脂低的时候也会破坏，更值得我们去关注。我们做了这么多研究，怎么提高G1C值，在完全浸润的情况下尽量让体积含量升高；90度灌注效果更好，90度灌注情况下可以让树脂浸润性保持一致性。还有选一些双轴导流织物，让克重更小，让界面更薄，趋近于让两个界面结合。新研究的导流板可以增加灌注效果，而且本身力学性能非常好，增加G1C值。还有测试过程中基于一些高模量，让形变量更小，也可以让G1C值更真实。其实对于我们测试过程中可以升高温度，这样的话可以让树脂粘度降低，可以让浸润时间更长，可以增加粘接力。包括延长恒温，让浸润时间更长，也可以增加粘接力。

我的报告就到这里，谢谢大家！