一种碳纤维/玻璃纤维混杂复合材料疲劳性能预测方法

技术领域

本发明涉及复合材料领域，具体涉及一种碳纤维/玻璃纤维混杂复合材料疲劳性能预测方法。

背景技术

碳纤维/玻璃纤维混杂增强复合材料是目前风电叶片上的叶片结构部件的制备材料由原来的铝合金材料逐渐被一种复合材料所替代，这种复合材料是以增强纤维和树脂材料进行复合制备而得到的。这种复合材料制备成的部件的强度和韧性得到了很大的改善，但是现有技术中，对碳玻混纤复合材料的拉伸性能的测试方法不够完善，并不精确，极大的抑制了碳玻混杂材料的发展。

鉴于上述问题，本发明人基于从事此类产品工程应用多年丰富的实务经验及专业知识，并配合学理的运用，积极加以研究创新，以期创设一种碳纤维/玻璃纤维混杂复合材料疲劳性能预测方法，使其更具有实用性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种碳纤维/玻璃纤维混杂复合材料疲劳性能预测方法，通过玻璃纤维和碳纤维静态性能确定混杂材料的上限和下限，预测低周疲，通过混杂定律预测高周疲劳，提高了碳纤维/玻璃纤维混杂增强复合材料性能的预测精度，具有产业价值。

本发明技术方案具体如下：

一种碳纤维/玻璃纤维混杂复合材料疲劳性能预测方法，通过玻璃纤维和碳纤维静态性能确定混杂材料的上限和下限，预测低周疲，通过混杂定律预测高周疲劳，进而准确预测所述碳纤维/玻璃纤维混杂增强复合材料的疲劳性能的范围。

进一步的，一种碳纤维/玻璃纤维混杂复合材料疲劳性能预测方法，在碳纤维/玻璃纤维混杂复合材料的疲劳性能测试中，静态试验由单向复合材料应力-应变的线性关系确定所述，碳纤维/玻璃纤维混杂复合材料的疲劳性能的上限和下限。

由于碳纤维/玻璃纤维混杂增强复合材料的极限强度不符合线性关系，而单向复合材料的拉伸过程中应力-应变处于线性关系，因此本发明采用上下限的方式来确定其范围，混杂定律ROM介于两者之间。

进一步的，一种碳纤维/玻璃纤维混杂复合材料疲劳性能预测方法，在静态试验中，上限由玻璃纤维的极限应变计算，其公式为：σ

下限由碳纤维的极限应变计算，其公式为σ

碳纤维/玻璃纤维混杂增强复合材料的拉伸性能的静态试验的计算公式为，σ

进一步的，一种碳纤维/玻璃纤维混杂复合材料疲劳性能预测方法，在碳纤维/玻璃纤维混杂复合材料的疲劳性能测试中，高周疲劳通过混杂定律预测。

在高周疲劳情况下，混在材料的最大疲劳应力与碳纤维比例呈现很好的线性关系，而低周疲劳情况下，线性关系不再存在，证明公式适用于高周疲劳，而低周疲劳误差较大。

进一步的，一种碳纤维/玻璃纤维混杂复合材料疲劳性能预测方法，高周疲劳(以10

进一步的，一种碳纤维/玻璃纤维混杂复合材料疲劳性能预测方法，碳纤维/玻璃纤维混杂增强复合材料的拉伸性能测试，其公式如下：

通过上述公式，可以用碳纤维和玻璃纤维的疲劳性能来预测混杂材料高周疲劳性能，由于疲劳循环次数越小，材料性能越接近静态性能，这样就可以通过混杂材料的静态性能来限定疲劳循环次数为1的上下限，其中，上下限分别根据玻璃纤维应变极限和碳纤维的应变极限应变求得，这样通过纯碳纤维和纯玻璃纤维静态性能和疲劳性能就可以建立一种预测任意碳纤维-玻璃纤维比例的混杂材料疲劳性能的测试方法。从而结合静态上下限可以准确预测碳纤维/玻璃纤维混杂复合材料的疲劳性能的范围。

进一步的，一种碳纤维/玻璃纤维混杂复合材料疲劳性能预测方法，碳纤维/玻璃纤维混杂增强复合材料的拉伸性能测试的测试样条包括预制平板7和弧形加强片8，预制平板7被夹在两个所述弧形加强片8之间，且预制平板7的中心点没有被弧形加强片8覆盖。

进一步的，一种碳纤维/玻璃纤维混杂复合材料疲劳性能预测方法，当预制平板7是混编材料时，预制平板8采用材料不同的两层对称设置。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

本发明通过玻璃纤维和碳纤维静态性能确定混杂材料的上限和下限，预测低周疲，通过混杂定律预测高周疲劳，提高碳纤维/玻璃纤维混杂增强复合材料性能的预测精度。

附图说明

图1是本发明的测试样条结构图；

图2是10

附图标记：

7.预制平板，8.弧形加强片。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

在本发明的描述中，需要说明的是，属于“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或者位置关系为基于附图所示的方位或者位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

一种碳纤维/玻璃纤维混杂复合材料疲劳性能预测方法，通过玻璃纤维和碳纤维静态性能确定混杂材料的上限和下限，预测低周疲，通过混杂定律预测高周疲劳，进而准确预测所述碳纤维/玻璃纤维混杂增强复合材料的疲劳性能的范围。

本实施例中，基体采用来自Hexion的035C/037环氧树脂体系，拉伸模量为3.1GPa，拉伸强度为70MPa。碳玻混杂织物分别为碳纤体积比10.78％(HF1)，15.34％(HF2)，39.26％(HF3)以及60.07％(HF4)。另外，玻纤织物(GF)和碳纤单向带(CUT)被用于对比。所有材料都是由常州市宏发纵横新材料科技股份有限公司提供，其中碳纤采用T700级别，拉伸强度为4500MPa，拉伸模量为245GPa；玻纤采用高模玻纤拉伸强度为2950MPa，拉伸模量91GPa。碳纤和玻纤都是环氧匹配的硅烷上浆剂。

本实施例的碳纤维/玻璃纤维混杂复合材料的疲劳性能测试中，静态试验由单向复合材料拉伸过程中应力-应变的线性关系确定所述碳纤维/玻璃纤维混杂复合材料的疲劳性能的上限和下限。由于碳纤维/玻璃纤维混杂增强复合材料的极限强度不符合线性关系，而单向复合材料的拉伸过程中应力-应变处于线性关系，因此本发明采用上下限的方式来确定其范围，混杂定律ROM介于两者之间。

其中，静态拉伸依据ISO 527-5-2009标准，使用INSTRON 5982设备，配备100kN传感器和液压夹具。测试使用直条形样条，工作段为150mm长。混编织物板材为两层对称铺层，使用物理接触式引伸计测量应变。力加载速度为2mm/min，来保证近似静态的状态，首次破坏点记为破坏强度，每组测试保证至少6根样条。疲劳测试依据ISO 13003-2003疲劳测试标准，样条由预制平板7和弧形加强片8组成。所有测试在材料最终破坏时停止；本实施例中，使用INSTRON8801疲劳实验机。最大最小载荷比R为0.1，测试频率精准控制，并且不允许超过5Hz。由于单向材料存在纵向强度高，横向强度低的特点，在测试过程中经常出现破坏在夹持区域的现象。为了解决这个问题，本实施例中提供了一种测试样条，包括预制平板7和弧形加强片8，预制平板7被夹在两个弧形加强片8之间，且预制平板7的中心点没有被弧形加强片8覆盖。当预制平板7是混编材料时，预制平板7采用材料不同的两层对称设置，这样既能保证测试过程中，夹持区域不会被破坏，也能保证碳纤维和玻璃纤维之间的比例不产生变化，保证了测试的准确度，降低了测试的误差。预制平板7使用真空灌注工艺制作，均使用0°同一方向的铺层([0,stab.]s)，板材在单面玻璃模具上制作，使用真空(-950±25mbar)辅助手段浸润织物。加热台可精准控制升温速率，模具没有强制降温，降温速度少于1.0±0.1℃/min，上模具是一块平板来保证板材表面的平整。灌注前，树脂先脱泡，储存温度为室温。灌注过程中模具温度为35±3℃，灌注完成后一个大气压下开始固化，60℃加热2h，75℃加热6h，升温速率为1.0±0.1℃/min。

本实施例中，模型y＝a×x

式中，E

碳纤维/玻璃纤维混杂增强复合材料的拉伸性能的静态试验的计算公式为，σ

其中，σ是应力；ε是应变；E是模量；V是体积比，下标Upper为上限；Lower为下限，G为玻纤；C为碳纤；HY为混杂材料。本实施例中的碳纤维/玻璃纤维混杂复合材料的疲劳性能测试中，高周疲劳通过混杂定律预测。

碳纤维/玻璃纤维混杂疲劳实验过程中模量出现衰减，随循环次数增加而降低，并且存在一个模量衰减和循环次数呈线性关系的区间。高周疲劳的线性区间占比大，混杂材料的高周疲劳循环次数与碳纤维比例符合线性的混杂定律；而低周疲劳模量衰减的非线性区间比例高，循环次数与碳纤维比例不再符合线性关系，如图2所示。具体而言，在高周疲劳(10

高周疲劳10

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。