低温对玻璃复合材料拉伸性影响

低温对玻璃复合材料拉伸性影响

张立强

张立强

深圳市风采新材料科技有限公司

摘要：随着社会的不断发展，人们对玻璃拉伸性度的要求变得越来越高，而温度是其一大重要影响因素。本文以ＡＮＳＹＳｗｏｒｋｂｅｎｃｈ有限元模拟法研究了低温下弹性模具及拉身形随温度变化的规律，且模拟误差较小，模拟结果较为准确，望可以起到参考作用。

关键词：低温；玻璃复合材料；拉伸性

一、玻璃纤维简介及复合材料未来发展

玻璃纤维是一种优异的无机非金属材料，它以种类繁多、机械强度高、绝缘性好的优势得到了广泛应用。玻璃纤维的主要成分是二氧化硅、氧化铝、氧化钙、氧化钠等物质，根据玻璃碱的含量高低可将其分为无碱玻璃、中碱玻璃和高碱玻璃。根据玻璃纤维的长度可分为连续性、定长性等分类。玻璃纤维的生产工艺也较为复杂，常见的有两次成型-坩埚拉丝法，一次成型-池窑拉丝法两类，在生产时对生产的要求较高。在生产完成后接下来要进行玻璃纤维的强度测试，一般的测量方法是GB/T14338-1993合成短纤维卷曲性试验方法，GB/T15232-1994纺织玻璃纤维毡拉伸测试，并且玻璃纤维拉伸断裂强力与断裂伸长的测定方法一般采用GB/7689.5。

玻璃纤维市场广阔，为建筑、交通、电子、电气化工等多种材料提供了原材料，而且还是国防行业不可缺少的原材料。全球玻璃纤维消费最大国主要为美国、日本等发达国家，欧洲的玻璃纤维使用量甚至能达到全球的％35。除此之外，很多符合材料也有很大的发展趋势：首先它们朝着多功能的趋势发展。基于复合现阶段的树脂复合材料，其功能在未来一定会得到更多优化，其功能也将区域完美。例如树脂基的符合材料会在结构性施工中得到多应用，其融合吸波性能也将引来更多关注，同时这项技术还能够保障材料宽频的特性。在功能应用领域，有的复合材料可以应用到天线罩施工中，利用其热量传导的优势实现提高雷达天线罩功率的目的。除此之外，许多复合材料还有耐高温的特性，在建筑应用这种材料可以很好的达到保温的目的。其次许多聚合材料也具有很大的发展空间。例如石墨烯材料，它是目前最具潜力的一种材料，它具有优秀的力学、光学性质与热性能。

二、研究开展前的资料分析

目前大型风力机叶片一般都由玻璃纤维制造，主要原因是其环氧树脂基复合材料有密度孝强度大、耐腐蚀性高等优点。但是随着近几年工业化的推进，全球气候变暖引起极热极冷的异常天气出现的次数不断增多，极端天气对玻璃纤维增强环氧树脂复合材料性能的影响已经开始受到业内人士的重视。在以前，国内对风机片子的研究焦点都集中在叶片性能与疲劳寿命上，未对环境因素进行广泛关注。我国材料学家对玻璃纤维复合材料进行了超低温的性能测试，其结果显示在低温环境下，纤维增强聚合物基复合材料性能的影响因素主要是基体和纤维之间的界面效应。后期又有科学家进行了相关测试，结果现实低温对玻璃纤维复合材料的力学性能有一定影响。PeeyushBhargava则通过实验数据得到了不同温度下叶片材料的大致轻度数据，研究表明：随着温度的升高，材料抗拉伸性、抗压强度能参数都会随之下降，值得注意的是在一定范围内会呈现出近似线性的关系。为此，笔者以玻璃纤维增强环氧树脂合板为研究对象，考虑叶片工作状况，在-40℃到80℃进行了较为精确的测试，然后通过力学试验和ＡＮＳＹＳｗｏｒｋｂｅｎｃｈ软件分析它的拉伸强度和弹性模量，从而得到了可靠数据。

三、试样制备与试验方法

（一）试样制备

在进行研究之前首先要进行试验原料的准备例如Ｅ４４（６１０１）双酚Ａ型环氧树脂，雷克德高分子（天津）有限公司；玻璃纤维分别为０°，ＥＷＲ２０５０型无碱玻纤布，±４５°，ＥＷＲ１０５０型无碱玻纤布，９０°，ＥＷＲ２０５０型无碱玻纤布，泰山玻璃纤维有限公司；ＢｕｔａｎｏｘＭ?５０固化剂（过氧甲基乙基酮，邻苯二甲酸二甲酯溶液）。试样所用的试样托公司采用缠绕及浸料该工艺进行制备，之后再通过切割机按照相关要求进行尺寸切割，保证样品规则、形态标准。由于在风力发电机运转过程中，叶片的各个部分所受载荷大小不同，目前在对叶片进行研究时，大多数研究者将叶片分为主根、主梁、蒙皮及腹板四个部分。

（二）试验方法

在试验开始时要实现将编号1~4的四种试样分别在80℃、40℃、25℃、-40℃、-6℃的环境下进行承受最大力进行测试，在每个温度点测试五个试样，之后要通过数据分析计算多个温度点的拉伸强度与弹性模具试验前要先将每组的试样放入特定温度待两天，在进行相关参数测定。

四、建立有限元模型

（一）材料本构关系

在对复合材料进行热力学分析时，要忽略纤维杨氏模量，因为它受温度影响较校这样在进行试验时只需考虑温度对树脂基基体杨氏模量的影响，材料参数最后通过Ｈａｌｐｉｎ?Ｔｓａｉ获龋之后

（二）模型的建立

为保证模拟结果能够与真实试验大致吻合，需要事先建立一个250?25mm?的矩形版，并对正六面体进行网络划分，这样可以使结果更为清洗。并且最小单元设计为1mm到两毫米，生成1500左右个网络，之后之后通过ＡＣＰ对试件进行铺层，板厚度控制在0.1毫米到0.2毫米之间。

五、结果分析

将叶根、蒙皮、腹板、主梁四种待测物品在上文提到的几个不同中进行测试，通过试验及模拟等方式得到它们在不同温度下拉伸度与弹性模量。并将五个温度点下叶根材料的拉伸强度进行对比，并结合有关统计学知识绘制一个拟合曲线。根据MATLAB的cftool的数据拟合工具可以得到拉伸性与温度的放长，将温度设置为-40℃，主梁材料的拉伸性Y为32896MPA，试验值显示为885Gpa两者大约为偏差459％；；弹性模量为８７０ＧＰａ，试验平均值为８８５ＧＰａ两者的偏差精度为１６９％。通过对拟合曲线的分析可以得到以下结果：铺层的玻璃纤维增强环氧树脂复合材料在温度为－４０～８０℃的条件下，且弹性模量与拉伸强度呈线性关系，随温度降低而升高。对模型试件设置材料参数、铺层角度以及层数，有限元模型能够较为精准地模拟不同温度下的拉伸过程，模拟最大误差仅为８０６％，可以用于模拟试件的低温变形行为。

六、结语

总之，温度对玻璃符合材料有着较大影响，在温度降低的环境下，玻璃复合材料会显示出较强的拉伸性。二十一世纪是我国工业转型关键时期，因此对复合材料各项参数的研究也显得尤为重要。这就要求从事这方面相关研究人员不断总结、分析，争取为我国材料行业的发展贡献出自己的一份力量。

参考文献

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