gfrp层合板厚板vimp制备工艺与力学性能尺寸效应研究-study on vimp preparation process and mechanical properties and size effect of gfrp laminated plate thick plate.docx

摘要工程复合材料构件正在逐渐由小型化向大型化转变。近年来典型巨型玻璃纤维 增强聚合物基复合材料（GFRP）工程构件——风力发电机叶片的研发和生产发展 迅速，所用层合板部件的厚度和尺寸不断增大。本文在相关课题的支撑下对大尺寸 GFRP 厚板构件的真空灌注模塑成型（VIMP）工艺和性能表征方面的特殊性展开 研究，包括大尺寸 GFRP 厚板构件 VIMP 工艺树脂灌注过程、GFRP 厚板 VIMP 工 艺固化过程温度分布和固化度分布、VIMP 工艺成型 GFRP 层合板和含孔层合板的 静态力学性能厚度尺寸效应等。首先，对大尺寸 GFRP 厚板构件的 VIMP 工艺树脂灌注过程展开研究。VIMP 工艺灌注过程主要的控制参数是温度和流道布设。本文选择 Huntsman1564/3486 和 惠利 LT5078A/5078B-2 两种具有代表性的 VIMP 工艺用环氧树脂体系，分析结果 表明二者均属于添加活性稀释剂改性的低粘度双酚 A 环氧/混胺反应体系，固化反 应级数分别为 0.905 和 0.88 。 基于等温 粘 度 - 时 间 数 据 建 立 两 种 树 脂 体 系 的 Dual-Arrhenius 流变模型和工程粘度模型，用于描述树脂体系流变行为，并联立两 种模型对树脂体系 VIMP 工艺窗口进行了预报，确定最佳灌注温度为 35℃。随后， 研究了 GFRP 大型工程构件常用的三种玻璃纤维增强织物：[0] UD 织物、[0/45/-45] 三轴向织物和[0/45/90/-45]四轴向织物的渗流特性和 VIMP 工艺用导流介质对流动 行为的影响，根据结果确定了流道布设原则。对典型大尺寸厚板工程构件——40m 长某型风机叶片叶根段和大梁的 VIMP 灌注工艺实践进行了指导，构件浸渍情况良 好。其次，对 GFRP 厚板的 VIMP 工艺树脂固化过程温度分布和固化度分布展开研 究。采用外推法确定了环氧树脂体系的固化特征温度，考察了最佳固化温度下厚板 厚度方向温度分布。结果表明厚度的增加导致厚度方向温度差异和峰值温度增大， 为避免过高峰值温度，厚板固化应分为预固化和固化两段进行。为研究温度差异对 固化度分布的影响，本文提出了时间离散分步计算法，将一般基于等温条件建立的 固化度模型应用范围扩展到非等温条件。建立了本文研究用环氧树脂树脂的两种等 温条件下的固化度模型：Kamal 模型和根据本文实验数据进行了修正的 Olivier 模 型。采用时间离散分步计算法，计算了动态升温条件下的固化度-时间关系，计算 值和实验值符合良好；固化起始阶段 Kamal 模型预测精度更高，固化反应后期尤其 是最终固化度到达时间的预测，修正的 Olivier 模型精度更高。对典型厚板构件——85mm 厚某型风机叶片叶根段小型试件厚度方向的固化度分布进行了计算。结果 表明厚板预固化阶段依靠自身放热已达到较高固化度，温度差异导致的固化度差异可通过最佳固化温度下短时固化的方式消除，固化时间可根据计算结果确定。再次，从纤维含量、拉伸性能、短梁剪切性能、弯曲性能四个方面，对 VIMP工艺成型多轴向织物增强 GFRP 层合板的厚度尺寸效应进行了实验研究和总结。结 果显示纤维体积分数在厚度方向上均匀分布；当厚度大于 10mm 时，纤维体积分数 不随织物铺层数目的增加而变化，[0]、[0/45/-45]和[0/45/90/-45]织物增强层合板的 纤维体积分数分别稳定在 57%、57%和 54.5%。力学性能实验结果显示模量与试样 尺寸基本无关，强度随试样厚度和尺寸的增大而下降，可应用 Weibull 概率模型描 述强度尺寸效应，模型与实验值符合良好。[0]、[0/45/-45]和[0/45/90/-45]织物增强 层合板拉伸强度尺寸效应 Weibull 模量分别为 39.2、37.6 和 25.3；短梁剪切强度尺 寸效应 Weibull 模量分别为 39.7、38.3 和 27.6；弯曲强度尺寸效应 Weibull 模量分 别为 35.4、28.0 和 21.3。本文实验获得的强度尺寸效应 Weibull 模型可为大尺寸 GFRP 复合材料构件的工程设计提供有效的参考。最后，对 VIMP 工艺成型多轴向织物增强 GFRP 含孔层合板准静态拉伸强度厚 度尺寸效应进行了研究。 采用有限元方法分析了 铺层数和厚度的增加对[0] 和 [0/45/-45]织物增强含孔层合板拉伸应力场的影响，结果显示其对拉伸应力场基本形 态影响不大；[0]织物增强含孔层合板铺层数增加对孔周最大拉应力值和孔周应力集 中因子的影响很小；而[0/45/-45]织物增强含孔层合板孔周最大拉应力值和孔周应力 集中因子则随铺层数的增加而上升，上升趋势符合 Boltzmann 公式。实验研究了含 孔层合板的拉伸强度厚度