复合材料高温强度测试分析及数值模拟

风电机组中使用复合材料的部件，主要是机舱罩和轮毂罩。最近几年，复合材料发展很快，各种新材料新工艺不断的应用于实际工程项目中。国内早期大兆瓦风机，大规模安装起始于07、08年，目前早期的风机也基本运行十年以上了，但是机舱罩，轮毂罩的损坏问题，风机失火迅速燃烧且无法灭火的问题，等等问题也越来越突出，引起了很多风机整机厂商的重视。

复合材料，在存在载荷和无载荷下，其损伤和破坏机理及表现出的现象都不一致，本文通过实验和数值模拟给出了部分研究结论，希望更给更多研究风电机组复合材料的科研人员一点启示。

自树脂基复合材料问世以来，随着科学技术的迅猛发展，以高性能环氧树脂为基体的复合材料越来越受到人们的关注。碳纤维环氧树脂复合材料主要由树脂基体和增强纤维两部分组成，由于其具有高强度、耐高温、韧性较高、可加工性、耐损伤性以及较低的日常维护费等优点，在汽车工业、航空航天、国防等领域得到了广泛的应用 。对复合材料的纵横向有效弹性模量和破坏强度进行测定的试验较多，但是环氧树脂复合材料越来越多地应用于激光防御、高温保护等具有热源的环境中，而环氧树脂复合材料又由多种组分构成，当组分间热膨胀系数差异较大时，即使温度变化较小，也会在基体中产生很大的微观热应力，所以有必要对复合材料在高温下的力学性能进行测试与理论分析。随着计算机技术的不断发展，使用数值模拟的方法计算复合材料的热残余应力场分布情况，不仅可以有效消除试验测试中的各种误差，而且可以在节约大量资金的条件下进行多次数值计算，这对于分析材料的破坏机理和预测失效区域有着重要意义。

本文使用高低温测控系统和电子万能试验机相结合测试了T300/AG80复合材料在不同温度下的拉伸破坏强度和有效弹性模量，使用有限元软件对该过程进行了数值模拟分析，将数值计算结果与试验测试的拉伸破坏强度进行对比，从而进一步分析在不同温度点材料性能变化的原因。

 试验材料和试验方法

试验所用材料为碳纤维压合复合材料，材料中碳纤维牌号为T300，主体树脂为环氧树脂：4,4-二氨基二苯甲烷四缩水甘油胺(AG-80)。试验所用试样为10层压合结构，纵向试件铺层方向为[-45/45/0/90/0]s，横向为[45/-45/90/0/90]s，试件尺寸为140×8×1.5mm。

高温试验是在试验机的基础上安装环境箱测控系统，该系统采用离心式风扇强制箱内空气产生恒定对流，从而使箱内温度稳定上升并保持分布均匀，工作温度范围为-70～+400℃，温度波动度：±2℃。试验过程中使用远程拍摄手段，实现使用像素识别法来计算材料的有效弹性模量，同时避免照片抖动对计算结果带来的影响，记录纵横向试件在不同温度下的破坏形貌便于分析损伤模式和破坏机理。高温实验使用QBT-70-400x高低温测控系统进行温度控制，使用试验机施加载荷。环境箱箱内温度达到设定温度并稳定后，对试件进行加载，采用位移控制加载，加载速度为3mm/min，直至试件破坏。

试验现象与分析

首先在室温下对试件进行了力学性能测试，得到纵向试件平均拉伸破坏强度为904MPa，有效弹性模量95GPa，横向试件分别为459MPa和52GPa，可见T300-AG80复合材料纵向力学性能明显优于横向。纵横向试件破坏形貌如图1、2所示。

纵横向两种试件在不同测试温度下破坏强度虽然不同，但同温下两种试件的破坏形貌却很相似（如图1、2所示）。75ºC低温时，纵横向试件的破坏形式皆为结构劈裂，破坏模式表现为整体结构分为2或3层，有时会有部分纤维铺层断裂。而温度继续升高后，破坏形式则为完全断裂（如图1-b、2-b所示），各铺层都在相近位置破坏，破坏模式主要是纤维横向拉断并伴随有基体和界面破坏开裂。试件上下最表层与试件方向成约45o角断开且断口较直，试件断裂瞬间飞溅出许多基体小块，基体受到严重损坏而出现层层分离现象，这是试件破坏时伴随的剧烈震动而导致材料树脂基体受损分离所致。当温度达到250ºC时，试件破坏表现为结构分离解体，表层及多数纤维铺层并没有断裂，结构内部及边缘出现许多纤维细丝，说明在此温度下，树脂基体已出现轻微的熔融并伴有表层软化热解。而到300ºC时，破坏试件结构内部几乎完全解体，试件中间各层的树脂熔融分解，试件表层软化且严重变形，而纤维由于良好的耐高温分解性能而从树脂基体中分离出来却并未断裂。分析各温度下的试件破坏模式可以看出，材料的破坏模式不仅与环境温度密切相关，温度升高而引起的材料结构内各组分膨胀，进而影响到材料边界局部载荷分布变化，使得材料结构在不同温度环境下呈现出不同的破坏模式。

试验结果与讨论

由图3可见，T300/AG80复合材料的力学性能随着温度的升高呈下降趋势，而且试件的纵向破坏强度比横向的要强许多，相差超过50%，与常温下纵横向试件性能对比相符合。随着温度的不断增大，纵向及横向试件的拉伸破坏强度迅速下降，值的注意的是在温度75ºC时，两条曲线皆有一个下折点，这是因为该温度下试件的破坏模式为结构劈裂，试件中有大量的纤维没有断裂而未起到承受破坏载荷的作用。材料的纵横向破坏强度在温度大于225ºC时都出现了明显下降趋势，到300ºC时，材料结构在未加载的情况下便失效破坏，这是由于环氧树脂基体分解造成的。环氧树脂通常以不同原料配比和反应条件被制成低分子量粘稠液体或较高分子量的固体，其软化点随分子量的增大而升高。在290ºC以前的低温段，低分子挥发物较少，而290ºC到330ºC的树脂结构破坏温度段，失重量会达到20%以上。AG80环氧树脂的使用温度为175ºC，所以纵向试件在125 ºC至225 ºC温度环境中，力学性能相对稳定，下降趋势也较为平缓，温度达到225 ºC时，树脂基体开始出现软化而使得材料力学性能急剧下降，并伴随部分基体分解。横向试件由于本身力学性能较差，225 ºC时承受的载荷已经很小。

数值模拟

由于所使用T300/AG80材料使用最新制备工艺，所以材料的力学性能得到较大提升，数值建模时对其力学性能设定使用试验测定的纵横向有效弹性模量 (如表1所示)，而制备工艺对纤维及环氧树脂热物理性能的影响较小，所以热物理性能参数，包括比热容、纵向和横向热膨胀系数，以航天工业总公司检测中心提供的测试值为准[12]。需要说明的是，在高温试验时，由于树脂基体的分解温度较低，虽然碳纤维未受到严重损伤，但是复合材料的弹性模量和拉伸强度显著降低，温度高于250oC时无法测得有效弹性模量，这些都在表1中反映出来。

使用有限元软件ABAQUS进行数值建模，考虑到材料的纵向和横向弹性模量、比热容的随温度变化及材料的纵向和横向热胀系数值相差较大等情况。参数超过温度设定部分，以所设定最高温度参数进行计算。未考虑材料在不同温度下破坏模式的不同。数值建模模型为10层复合材料结构，铺角方向与纵向试件相同为[-45/45/0/90/0]s，所建模型使用单元为S8RT，共14130个节点,4970个单元。

由图4-a和图4-b可以看出，纵向和横向试件破坏强度的数值模拟值随着温度的升高而稳定下降，与试验结果相符。试验测试值曲线上下波动较大，而数值模拟值曲线则相对平稳下降，两条曲线在部分温度点有一定的偏差，如75ºC、225ºC等温度点，这主要是数值建模时没有考虑试件在不同温度下的不同破坏断裂模式而造成的。温度较高时，复合换热（热对流和热辐射）会使热能损失较低温时增大，也会对试验结果造成一定的影响。数值模拟所设定的有效弹性模量为试验测试所得，从而排除了有效弹性模的变化对于材料破坏强度的影响，试验测试值和数值模拟值仍有一定的误差，排除建模精确度原因外，可以看出虽然温度升高所带来的环氧树脂软化分解是材料试件力学性能下降的主要原因，但不同温度下试件破坏模式的差异对材料力学性能的影响也很大。

结论

 纵横向试件在不同测试温度下的破坏形貌相似，说明温度是影响材料断裂破坏形貌的主要原因，而材料抗拉破坏强度的高低与碳纤维断裂方式密切相关。 常温及高温环境下，T300/AG80复合材料纵向的拉伸破坏强度和有效弹性模量都比横向优良许多。AG80环氧树脂225 ºC时开始出现软化分解，为保证材料使用时具有较高的力学及抗热物理性能，该复合材料应在200ºC以下使用。 温度升高所带来的环氧树脂软化分解是试件力学性能下降的主要原因，但受温度影响的试件破坏模式差异对材料性能的影响也很大。破坏模式在低温下表现为完全或部分结构劈裂，在高温下表现为结构热融解体，试件破坏强度受破坏模式影响较大。在125 ºC至225 ºC温度环境中，材料力学性能相对稳定，下降趋势较为平缓，破坏模式多为结构断裂，破坏强度相对稳定。

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