纤维增强塑料拉挤板材对接/搭接弯曲性能研究

李文斌，王艳丽

(明阳智慧能源集团股份公司，天津 300000)

0 前言

众所周知，纤维增强塑料拉挤板材作为叶片梁帽的主要材料，其力学性能在实际生产过程中起着至关重要的作用[2~10]，但是在实际的叶片生产过程中，梁帽的设计厚度及长度有一定的要求，而拉挤板材的厚度一般为5 mm，长度（考虑到运输与场地等问题）不能正好生产与叶片梁帽长度一致，需要切割成规定的小段就行叶片梁帽的铺设，此时拉挤板材为了满足叶片梁帽的厚度与长度要求，就需要搭接（梁帽厚度方向）与对接（梁帽长度方向）。

考虑到拉挤板材搭接与对接会对叶片梁帽以及成型的叶片弯曲性能有所影响，因此我们需要从不同的拉挤板材搭接方式进行研究分析，应用试验数据进行判断：拉挤板材不同搭接或者对接方式下的弯曲性能。

1 实验设计

（1）首先我们对拉挤板的方向进行了一下确认及标识，我们规定拉挤板材的纱线方向定为纤维方向，垂直于拉挤板材的纱线定为垂直于纤维方向，如图1所示。

（2）本文采用“堆叠式”和“砌墙式”的方式进行拉挤板材对接/搭接，其：“堆叠式”表示为：1组拉挤板材（2块或者3块拉挤板材进行厚度方向重叠在一起）与另一组拉挤板材（2块或者3块拉挤板材进行厚度方向重叠在一起）进行对接，其中产生的不同大小的缝隙，缝隙采用树脂进行灌注填充，如图2和图3所示；“砌墙式”表示为：底面铺设一块拉挤板材，然后在上面铺设2块拉挤板材，上面2块拉挤板材之间留有缝隙，缝隙采用树脂进行填充，如图4和图5所示。

（3）本文设计14种拉挤板材的对接/搭接方式进行试验研究测试，试样形状及制样方式如图6~图9所示，详细方案见表1。

表1 拉挤板材对接/搭接及铺设、制样切割方式

（4）拉挤板材堆叠式及砌墙式试样切割制样说明，如图6~图9所示。

2 实验材料及方法

2.1 实验材料

实验采用玻纤拉挤板材，拉挤板材宽度120 mm，长度1 000 mm。拉挤板材是由浙江澳盛科技有限公司提供；环氧树脂LT5078A/3；LT5078B/3，质量比：100:30，由上海惠柏新材料有限公司提供；织物采用BX200的导流织物，由浙江恒石纤维基业有限公司提供。

2.2 拉挤板材堆叠式及砌墙式的成型方法

成型方法：采用真空灌注平台进行拉挤板材的灌注工作。首先，确定灌注拉挤板材对接/搭接的方式（堆叠式或者砌墙式），为了能够将 树脂在真空条件下顺利的将拉挤板材灌注完成，我们采用铺设BX200的导流织物，铺设顺序：脱模布导流织物+拉挤板材+导流织物+拉挤板材……（根据拉挤板材的对接/拼接方式决定铺设拉挤板材的块数，原则是：一层导流织物一块拉挤板材）+脱模布+有孔隔离膜+导流网；其次，对于缝隙的控制尤为重要，我们选用标准块（比如：1 mm、3 mm、5 mm标准样块）作为控制缝隙大小的依据，对于拉挤板材的对接/拼接，将标准块按放在对接/拼接缝之间，并紧紧的将缝隙之间的拉挤板材与标准块靠紧，防止灌注完成的缝隙偏于理论值过大或过小；最后将需要灌注的拉挤板材真空袋压、保压、树脂混合及脱泡、树胶、预固化、脱模、后固化、试样切割。

特别说明：拉挤板材对接/拼接过程中，产生的缝隙通过灌注过程用树脂填充即可，但是缝隙空腔是指：拉挤板材的缝隙在灌注树脂之前，采用橡皮泥进行填充（橡皮泥在测试过程中不会才生弯曲应力，因此认定可以作为填充空腔的物质），这样树脂在真空灌注过程中，才不会流入橡皮泥的空腔中。

2.3 试验设备及测试依据

本文拉挤板材搭接弯曲性能研究试验设备主要有：切割机，万能试验机（深圳三思纵横）及配套弯曲工装；

测试依据：按照标准ISO 178:2019-《塑料弯曲性能的测定》进行测试。

3 测试结果及分析

3.1 拉挤板材不同搭接方式弯曲性能测试结果汇总，如表2所示

表2 拉挤板材不同搭接方式弯曲性能测试结果汇总

（1）本文分析需要纯树脂浇注体弯曲性能数据，在我们日常测试过程中，测得纯树脂树脂浇注体弯曲性能为：1.5倍厚度弯曲强度96 MPa，弯曲模量2.8 GPa，弯曲应变≥6%。

（2）本文涉及纯树脂为广州聚合新材料有限公司提供的拉挤树脂，型号：EP4515/HY4515。

3.2 测试分析

从表2中，我们可以直观的分为2部分进行分析，分别是：垂直于纤维方向不同对接/搭接方式和纤维方向不同对接/搭接方式。

3.2.1 垂直于纤维方向不同对接/搭接方式弯曲性能研究分析

（1）垂直于纤维方向堆叠式空腔5 mm缝隙弯曲性能在本文研究的拉挤板材搭接弯曲性能中是最低的，原因分析为：

用图10示意图简易表示试样在测试过程中的状态。

试样的长度方向为垂直于纤维方向，试样测试过程中跨距支撑点以及作用力点都在3层堆叠的拉挤板材上，试样破坏时在空腔部位进行破坏（如图11），因此弯曲性能较低。

（2）垂直于纤维方向砌墙式随着缝隙的增大其各项弯曲性能降低，但差异不大，从表2代号B、C可以看出，原因分析：

用图12示意图简易表示试样在测试过程中的状态。

如图12所示，首先从弯曲强度进行分析：从代号B、C弯曲强度测试数据可以看出，随着缝隙的增大，弯曲强度减小，但差异不大；主要是因为；垂直于纤维方向的拉挤板材受力面积减小，从表2数据中可以看出，垂直于纤维方向砌墙式弯曲强度略低于垂直于纤维方向无缝隙弯曲强度，随着缝隙的增大，缝隙中的树脂增多，缝隙中的纯树脂1.5倍弯曲强度没有垂直与纤维方向堆叠式弯曲强度高，因此随着缝隙的增大，垂直于纤维方向弯曲强度减小，但差异不大；另外从表2可以看出，纯树脂弯曲应变要远远高于垂直于纤维方向砌墙式弯曲应变，在实际的弯曲性能测试过程中，随着弯曲挠度的增加，因垂直于纤维方向弯曲应变要低于纯树脂弯曲应变，因此垂直于纤维方向砌墙式试样破坏部位在垂直纤维方向拉挤板材的部位，如图13所示。

其次，试样在弯曲模量及弯曲应变测试过程中，跨距对弯曲模量及弯曲应变的影响较大，因此我们测试之前需要调整合适的跨距，而垂直于纤维方向砌墙式弯曲性能测试过程中，只是改变树脂的缝隙大小（比如3 mm和5 mm区别），未改变跨距，从代号B、C可以看出弯曲模量及弯曲应变差异很小，因此垂直于纤维方向砌墙式随着缝隙的增大其各项弯曲性能降低，但差异不大。

（3）垂直于纤维方向堆叠式随着缝隙的增大其各项弯曲性能降低，但差异不大，原因分析：

如图13所示，首先从弯曲强度进行分析：从代号D、E、F弯曲强度测试数据可以看出，随着缝隙的增大，弯曲强度减小，但差异不大；主要是因为垂直于纤维方向的拉挤板材受力面积减小，从表2数据中可以看出，垂直于纤维方向堆叠式弯曲强度略低于垂直于纤维方向无缝隙弯曲强度，随着缝隙的增大，缝隙中的树脂增多，缝隙中的纯树脂1.5倍弯曲强度没有垂直与纤维方向堆叠式弯曲强度高，因此随着缝隙的增大，垂直于纤维方向弯曲强度减小，但差异不大；另外从表2可以看出，纯树脂弯曲应变要远远高于垂直于纤维方向堆叠式弯曲应变，在实际的弯曲性能测试过程中，随着弯曲挠度的增加，因垂直于纤维方向弯曲应变要低于纯树脂弯曲应变，因此垂直于纤维方向砌墙式试样破坏部位在垂直纤维方向拉挤板材的部位，如图14所示。

其次，试样在弯曲模量及弯曲应变测试过程中，跨距对弯曲模量及弯曲应变的影响较大，因此我们测试之前需要调整合适的跨距，而垂直于纤维方向砌墙式弯曲性能测试过程中，只是改变树脂的缝隙大小（比如3 mm和5 mm区别），未改变跨距，从代号D、E、F可以看出弯曲模量及弯曲应变差异很小，因此垂直于纤维方向砌墙式随着缝隙的增大其各项弯曲性能降低，但差异不大。

3.2.2 纤维方向不同对接/搭接方式弯曲性能研究分析

（1）纤维方向堆叠式弯曲性能随着缝隙的增大弯曲强度降低，模量降低，应变增大，差异较大，原因分析：

用图15堆叠式左视图进行简易表示。

如图15所示，试样的弯曲测试过程中，缝隙中的树脂只会承载纯树脂弯曲性能的作用，上文已给出纯树脂弯曲强度112 MPa，弯曲模量2.8 GPa，弯曲应变≥6%，而从表2可以看出纤维方向无缝隙拉挤板材测试弯曲强度1 342.32 MPa，弯曲模量60.68 GPa，弯曲应变2.34%，综合两者对比，纤维方向堆叠式弯曲性能测试，主要是纤维方向拉挤板材承受主要弯曲性能，而缝隙中纯树脂对纤维方向堆叠式弯曲性能测试贡献相对较小；因此，随着缝隙的增大，拉挤板材所承载的受力面积逐减小，因此弯曲强度性能也随之降低，弯曲模量性能也随之降低，弯曲应变性能逐渐增大；如果缝隙为空腔，将失去纯树脂弯曲性能的贡献，所以纤维方向堆叠式空腔5 mm缝隙性能较低。

（2）纤维方向砌墙式弯曲性能随着缝隙的增大弯曲性能降低，差异较大，原因分析：

用图16示意图简易表示试样在测试过程中的状态。

如图16所示，拉挤板材搭接缝隙的构成是成“┻”状，试样在弯曲测试过程中，下端无缝隙纤维方向拉挤板材在测试过程中，承载着一定的作用，因此此种方式铺设制样的弯曲性能在本文研究的拉挤板材对接/搭接过程中，性能最优，但是随着缝隙的增大，其弯曲强度降低，模量降低，应变增大，原因和上文条款一致，即：缝隙中纯树脂的弯曲性能对试样的弯曲测试性能贡献相对较小，主要是由于缝隙的增大，纤维方向拉挤拉挤板材所承载的受力面积减小，因此：纤维方向砌墙式弯曲性能随着缝隙的增大弯曲强度降低，弯曲模量降低，弯曲应变增大。

4 结论

（1）从上述14种拉挤板材不同搭接方式弯曲性能测试可以看出，纤维方向堆叠式/砌墙式弯曲性能优于垂直纤维方向堆叠式/砌墙式弯曲性能。

（2）垂直于纤维方向堆叠式/砌墙式弯曲性能随着缝隙的变大，弯曲性能逐渐降低，但差异不大，主要原因为：垂直于纤维方向拉挤板材随着缝隙的增大，其拉挤板材受力面积减小，所以强度减小，但略低于垂直于纤维方向无缝隙拉挤板材的弯曲强度；另外垂直于纤维方向拉挤板材的弯曲应变远远没有纯树脂的弯曲应变大，所以在实际测试弯曲过程中，随着弯曲挠度的增大，垂直于纤维方向拉挤板材进行破坏。

在未改跨距的条件下，只改变树脂缝隙，所以弯曲模量及弯曲应变的差异不大。

（3）纤维方向堆叠式/砌墙式弯曲性能随着缝隙的变大，弯曲强度逐渐降低，弯曲模量逐渐降低，弯曲应变增大；差异较大，主要与纤维方向拉挤拉挤板材所承载面积有关。

（4）在实际生产过程中，无论是拉挤板材纤维方向搭接/拼接，还是垂直于纤维方向搭接/拼接其弯曲性能相对无缝隙对接的拉挤板材弯曲性能会或多或少损失一些，因此我们在实际过程中最好采用无缝隙对接方式进行拉挤板材的铺设。