CWPC2024：上海艾柯檢測科技有限公司常務(wù)副總兼測試中心主任謝偉民發(fā)表《風(fēng)電葉片復(fù)合材料力學(xué)測試及其離散度探討》的演講

大家下午好，我今天的分享主要分為3部分。

1、公司介紹

艾柯檢測總部位于上海市松江區(qū) -  G60科創(chuàng)走廊核心區(qū)域，主要從事復(fù)合材料的加工、力學(xué)檢測和分析，以及技術(shù)咨詢服務(wù)。艾柯檢測致力于成為復(fù)合材料領(lǐng)域領(lǐng)先的專業(yè)第三方檢測機(jī)構(gòu)，以“共同推動(dòng)復(fù)合材料的可持續(xù)發(fā)展”作為企業(yè)的使命。艾柯檢測秉承“科學(xué)準(zhǔn)確、規(guī)范嚴(yán)謹(jǐn)、廉潔公正、優(yōu)質(zhì)高效”的質(zhì)量方針，努力為客戶提供精準(zhǔn)的測試數(shù)據(jù)及檢測報(bào)告。公司于2020年獲得上海市高新技術(shù)企業(yè)認(rèn)定！公司于2021年獲得上海市專精特新企業(yè)認(rèn)定！

（圖示）這是我們實(shí)驗(yàn)室的認(rèn)證情況，主要的復(fù)合材料測試設(shè)備。

（圖示）這是我們檢測能力情況，目前我們艾柯在風(fēng)電領(lǐng)域已經(jīng)基本做到全標(biāo)準(zhǔn)的覆蓋，包括簡單的靜態(tài)力學(xué)測試，包括拉伸、壓縮、剪切、彎曲、斷裂韌性等。疲勞力學(xué)，拉拉、拉壓、壓壓、彎曲等，都可以滿足客戶要求。子結(jié)構(gòu)級(jí)別也在陸續(xù)開展當(dāng)中，目前可以滿足客戶單通道拉壓彎剪的單通道需求。

（圖示）這是主要的客戶群，面對(duì)國內(nèi)外主機(jī)廠商和精分廠商。

2、復(fù)合材料測試-制樣離散度分析

（圖示）尤圖是典型的玻璃纖維直線度，這張圖里纖維本身的材料性質(zhì)決定了有一定的彎曲度。纖維紗束本身自帶的離散屬性。樹脂，樹脂本身的均一度良好，但在快速固化的情況下，會(huì)有一定的應(yīng)力集中，會(huì)導(dǎo)致一定的離散。板材，纖維取向的一致性，在一定面積內(nèi)，保持纖維的一致性。致的纖維含量才能得到穩(wěn)定的測試結(jié)果，潤的均一性無法保證。選取一致的浸潤效果，避免一些缺陷位置，才能得到一致的測試結(jié)果。

（圖示）制樣影響因素：工藝-真空灌注。真空袋壓法，上模是軟模（真空袋），下模是硬模。試板袋膜面隨型，不平整。真空模壓法，上下模都是硬模，試板較平整，厚度和纖維含量可控。

制樣影響因素：后處理，加強(qiáng)片的粘接，為了輸出一致的試樣，需要在粘接過程中保證三維，長度，寬度，厚度的對(duì)稱性，平行度和垂度等。最佳的整體偏差需控制到0.03mm以內(nèi)！

3、復(fù)合材料測試-測試離散度分析

當(dāng)我們做了這么多改進(jìn)和努力之后，我們參加了國外2毫米碳?jí)嚎s測試的比對(duì)，可以看到改進(jìn)之前壓縮成本也就停留在1300和1400，普遍比較低的水平。而經(jīng)過大量的改進(jìn)和優(yōu)化以后，目前已經(jīng)能達(dá)到國外比較好實(shí)驗(yàn)室的水平。以后做到1650左右，而且分析下來我們的穩(wěn)定性比國外甚至更強(qiáng)。

進(jìn)入離散度探討和分析

對(duì)于力學(xué)測試而言有一個(gè)大的前提，同軸度。艾柯以拉伸測試為例，當(dāng)拉伸測試時(shí)偏軸2度時(shí)，拉伸強(qiáng)度往往下降5%-10%，拉伸模量左右差異會(huì)達(dá)到5%，因?yàn)檫@時(shí)候它的樣品可能是彎的，大家看到這里差異非常大。做好同軸度，寬度方向一般怎么追蹤呢？左邊是傳統(tǒng)L型頂塊，在我們大量應(yīng)用時(shí)發(fā)現(xiàn)這樣的精度和穩(wěn)定性都是不太靠譜的，所以我們艾柯也是基于這樣的痛點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)。發(fā)現(xiàn)對(duì)于復(fù)合材料寬度是可以窮盡的，就那么四五種。實(shí)際應(yīng)用起來，它的精度、可靠性都可以進(jìn)一步提升。

進(jìn)入壓縮測試的探討，整個(gè)復(fù)合材料測試歷史當(dāng)中始終是一個(gè)難點(diǎn)，即使到了2024年這樣的情況，我們測的很多數(shù)據(jù)還是不太理想。從這邊可以看到前輩做了很多努力，壓縮測試標(biāo)準(zhǔn)和夾具非常繁雜。艾柯自主設(shè)計(jì)的改進(jìn)型混合加在夾具，我們可以用同一套夾具對(duì)同一套材料施加定量的加載方式，我們可以很好的測的材料性能。我們使用不同夾具測出碳板壓縮數(shù)據(jù)，可以看到改進(jìn)后的夾具不僅可以獲得最高的強(qiáng)度，而且它的離散性也是比其他夾具要低。

隨著碳拉擠板大幅度應(yīng)用，用戶特別關(guān)注5mm碳板測試。針對(duì)客戶的需求，也是行業(yè)的難點(diǎn)，我們也是自主研發(fā)了這套解決方案。從一個(gè)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)到夾具研發(fā)、最終參數(shù)調(diào)試，我們都是投入大量精力。這是我們參加國外的碳板準(zhǔn)入測試，分了2毫米和5毫米的比對(duì)數(shù)據(jù)，可以看到在正確的加載情況下，5毫米數(shù)據(jù)和2毫米比較接近的，并沒有一個(gè)統(tǒng)計(jì)上的顯著差異。有了這套解決方案以后，創(chuàng)新性是可以的，但客戶更關(guān)心是對(duì)測試而言穩(wěn)定性怎么樣。當(dāng)大量測試30、60個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)，它的穩(wěn)定性是不是能滿足客戶的需求。我們艾柯也是非常關(guān)注穩(wěn)定性，我們也是投入了5個(gè)批次，大概60個(gè)比對(duì)測試。當(dāng)我們把所有統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)放在一起時(shí)，最低的中位數(shù)停留在1530左右，相對(duì)而言2毫米碳?jí)嚎s是小于5的，也是很優(yōu)異的表現(xiàn)。

壓縮測試的重要性及其應(yīng)用：盡可能獲取材料強(qiáng)度/應(yīng)變真值。提高設(shè)計(jì)規(guī)格值，降低葉片成本。碳板常規(guī)質(zhì)量控制手段無非是Tg、彎曲性能，這些測試穩(wěn)定性，靈敏度是不太夠的，可能無法表現(xiàn)出這個(gè)板材的穩(wěn)定性。壓縮測試對(duì)缺陷比較敏感，是質(zhì)量控制的優(yōu)選。當(dāng)我們大量使用壓縮測試做質(zhì)量控制時(shí)，事實(shí)上就能提高質(zhì)控效率，降低質(zhì)控成本。

（圖示）這是兩家廠商碳板拉擠板質(zhì)控圖，左圖有兩個(gè)值是離群值，從樣本輸入到數(shù)據(jù)輸出判定整個(gè)流程沒有問題，就很容易得到這個(gè)板批次穩(wěn)定性是有問題的，需要材料廠商做一個(gè)工藝上的改進(jìn)。相對(duì)而言右圖可以看到30個(gè)數(shù)據(jù)，它的穩(wěn)定性是能夠在一個(gè)統(tǒng)計(jì)可接受的范圍內(nèi)，最終它的離散只有3.2%，非常優(yōu)異的表現(xiàn)，那也就意味著碳拉擠板通過工藝的不斷改進(jìn)能達(dá)成質(zhì)量比較穩(wěn)定可靠的狀態(tài)。

現(xiàn)在測試實(shí)驗(yàn)室也非常多，每家實(shí)驗(yàn)室壓縮數(shù)據(jù)差異也挺大的，這時(shí)候就要知道壓縮理論值在哪里，增強(qiáng)材料事實(shí)上是屬于無機(jī)材料，這樣的性能主要體現(xiàn)在化學(xué)進(jìn)展變化上。大部分增強(qiáng)纖維屬于無機(jī)材料，性能主要體現(xiàn)在其分子結(jié)構(gòu)的化學(xué)鍵角變化。普遍的，具有共價(jià)鍵或離子鍵的無機(jī)材料在壓縮時(shí)的極限強(qiáng)度比在拉伸時(shí)高得多；考慮到分子結(jié)構(gòu)的差異，壓縮強(qiáng)度理論上應(yīng)接近于或超越拉伸強(qiáng)度。

實(shí)際上實(shí)際壓縮應(yīng)用過程中還有兩個(gè)問題：宏觀上，事實(shí)上我們收到客戶的來樣，它的角度可能不是90度，粗糙度也是不能符合標(biāo)準(zhǔn)的。我們認(rèn)為的纖維排布是沒有任何問題，非常完美的，事實(shí)上它有角度問題、缺陷問題，還有一些曲度問題，這些方方面面變量都是最終影響壓縮數(shù)據(jù)的。

剪切測試，7078是在所有標(biāo)準(zhǔn)里的最優(yōu)解。我們應(yīng)用這套夾具測試時(shí)需要通過12個(gè)螺絲提供側(cè)向加載力，由于精度不太夠，使用時(shí)不能滿足最終需求。艾柯也是基于這樣的難點(diǎn)自主研發(fā)這套剪切夾具，能達(dá)到幾個(gè)目的：一是可視化的壓力，壓力是直接加載，并不是通過螺絲轉(zhuǎn)換得到剪切力；二是快速的追蹤；三是大大提升實(shí)驗(yàn)室測試7078的效率。這里的比對(duì)圖可以看到，改進(jìn)之后測試弱方向性能稍微提高一下，它的離散性也大大下降了。艾柯不僅關(guān)注數(shù)據(jù)的可靠性、穩(wěn)定性，也關(guān)注它的破壞模式，我們艾柯認(rèn)為只有完美的破壞模式才能正確表達(dá)出材料的真實(shí)性能。左圖是7078測試創(chuàng)傷度時(shí)的破壞度，很多位置不在可接觸的范圍內(nèi)。改進(jìn)后6個(gè)式樣破壞模式非常統(tǒng)一，我們認(rèn)為這套夾具對(duì)于7078這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來說也是一個(gè)最優(yōu)解。

小結(jié)：測試方案上艾柯會(huì)根據(jù)材料特性和數(shù)據(jù)分析給出最優(yōu)解；在數(shù)據(jù)可靠性我們會(huì)定期進(jìn)行關(guān)鍵參數(shù)比對(duì)。我們參加國外某主機(jī)廠商組織的實(shí)驗(yàn)室比對(duì)結(jié)果，艾柯檢測實(shí)驗(yàn)室代號(hào)：2，可以看到結(jié)果非常優(yōu)異。

我的報(bào)告就到這里，謝謝大家！