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风电叶片复合材料毛竹增强相的动态热机械分析研究
作者:Admin | 发布时间:2010-08-04 11:06:27 | 点击次数:5487 | 来源:公海710ppcom官网
 
        材料的动态力学行为是指材料在交变应力或交变应变的作用下做出的响应。是研究在较低的应力水平下的材料力学性能变化,所得到的参数是材料的动态模量和阻尼。动态力学分析可以同时研究不同条件下材料弹性和粘性的变化过程,即动态的粘弹性。毛竹是高分子材料,虽刚性较大,但都具有粘弹性,在外界 连续宽阔的温度范围内,它的应力和应变变化可能不是同步的,由于粘性的影响应力与应变存在一个相位差,它的模量是一个复数,其实数 部分为弹性变形存储的能量,即存储模量,其虚数部分是因粘性变形以热的形式损耗的能量,即损耗模量。它们的模量随温度的变化将会产生一定的动态变化。本论文利用先进的动态热机械分析仪对毛竹的不同径高,不同部位的试件在不同的温度下的动态模量性能的变化进 行研究,以了解其动态力学性能变化规律,这对确定风电叶片复合材料毛竹增强相材料的加工和使用条件,评价使用性能具有重要的实用价值。
        1 试验材料和条件
        1.1 试样来源本批次毛竹采自浙江省新昌县,长约 15 m 左右,端头直径 10 cm 以上,表面较光洁,截面较圆,竹龄约 5~6 a 左右。
        1.2 仪器设备
        毛竹单板旋切机,恒温恒湿箱,动态热机械分析仪(DMA Q800)
        1.3 试样预处理
        沿距毛竹端头 1.00 m 、2.00 m 、3.00 m 、4.00 m 处划线下锯,截取 4 段毛竹,每 段 40 cm 长;将毛竹段放入热水池,通入蒸汽 加热 2 h ,目的是使毛竹段软化;将经过充分 软化的毛竹段放入无卡轴旋切机加工,旋出连续 的 0.3 mm 厚竹单板;将经过恒温恒湿处理的竹 单板取出(温度为 20℃、含水率为8 %~10%),按从竹青到竹肉再到竹黄的顺序均匀分布的方式,获取满足动态力学分析仪试验要求的试样(每种试样取 3 个)。
        1.4 试验条件
        按动态热机械分析仪(DMA Q800)的使用要求校准设备,变温范围设定35~200℃,升温速度 设定 3 ℃/ min ,频率设定1 Hz 。先测量竹单板 试样的宽度和厚度,输入仪器中;再将竹单板试样放入动态热机械分析仪样品室的夹具中固定,关闭样品室,然后将竹单板试样的实际长度值数 据输入仪器中,开始试验,动态热机械分析仪的电脑自动采集并处理数据,其中,毛竹端头 1.00m 、2.00 m 、3.00 m 、4.00 m 处竹青、竹肉、竹黄部分的存储模量和损耗模量值大小随温 度变化曲线分别见图 1、图 2、图 3、图 4。
        2 结果与讨论
        2.1 同一高度毛竹竹青竹肉竹黄部分 试样的存储模量和损耗模量随温度变化关系 从图 1~4 可知:相同高度毛竹加工的竹单板试样,在动态热机械分析仪测试过程中,在温度变化开始阶段,竹青部分的试样存储模量值最 高,而竹黄部分的试样存储模量值最低。竹青、竹肉、竹黄部分的存储模量都具有随温度的增 加而降低的趋势;而损耗模量值的大小都具有随温度的增加而增加的趋势。产生这一现象的原因是:毛竹的有机组成主要由纤维素、木素、半纤维素构成,以 6 a 生的毛竹为例,竹青部 分纤维素含量占 43.68 %( 最高) ,木素含量占30.33% ,半纤维素含量占 22.94% ;竹黄部分 纤维素含量占 34.79 % ( 最低) ,木素含量占26.76%,半纤维素含量占21.53%。在较低温度区域内,毛竹竹青部分的刚性较竹 肉和竹黄部份大[5] ,这可以理解为竹青部分的 纤维素(或维管束)含量较竹肉和竹黄部分多, 纤维素是由大量葡萄糖基所构成的直链大分子 化合物,它形成毛竹的结晶区和非结晶区;半纤 维素主要是由两种或两种以上的糖基构成的线 形并带有侧联和直链的多聚糖;木素则是具有 芳香族特性的,非结晶性的,具有 3 度空间结构的高聚物[6] 。当加热到玻璃转化点温度时,毛 竹的非结晶区会发生由玻璃质状态向橡胶态转 化。对毛竹中的纤维素、半纤维素和木素的玻 璃转化点的研究可知,半纤维素和木素的转 化范围在 160℃~200℃之间,但由于水分的存在,它们的转化点温度可以显著降低,可降至50℃~128℃之间,而纤维素主要为结晶物质,性能稳定,其玻璃转化点在 231 ℃~ 244 ℃之 间。随温度的提高,分子链结构产生变形或位移,使其动态模量发生改变。由上述可知,一般在动态粘弹性的测试中,纤维素的主转变发 生在 240℃左右,而木素和半纤维素等非结晶物 质的主转变发生在 200℃以下[8]。也就是说在较 低温度下,毛竹组成中的纤维素,半纤维素以 及木素的分子链大部分仍处于静止状态,较少产生运动,因而分子间的摩擦产生的热量较小,所以损耗能量也较低。但由于温度的上升,提供给分子运动的能量,特别是使非结晶的 分子部分链段以及一些支链产生运动,从热动力学的角度,发热总是使材料的存储模量降低,内 部损耗模量增大。
        2.2 不同高度毛竹竹青试样的存储模量和损耗模量随温度变化关系
        从图 1~4 可知:不同高度毛竹加工的竹单 板试样,在动态热机械分析仪测试过程中,在温 度变化开始阶段,1.00 m 处竹青部分的试样存储模量值最高,而 4.00 m 处竹青部分的试样存 储模量值最低;不同高度毛竹竹青部分的存储 模量都具有随温度的增加而降低的趋势,而不同高度毛竹竹青部分的损耗模量值的大小都具 有随着温度的增加而增加的趋势;同样,在同一 温度下,不同高度毛竹竹青部分的存储模量都具有随着毛竹高度的增加而降低的趋势。产生这一现象的原因是:毛竹竹青部分有机组成中最主要的成分纤维素,随着毛竹高度的增加有 逐渐下降的趋势。以中国浙江临安 6 a 生的毛竹 为例,基部(离地 1.2 m)竹青部分纤维素含量占42.89%(最高),中部(秆高 1/2 处)竹青部 分纤维素含量占42.35%,梢部(秆高 2/3 处) 竹青部分纤维素含量占 41.22%(最低)。基部竹青部分的纤维素含量较中部或梢部竹青部分 的纤维素高是产生这种结果的主要原因。
        3 小 结
        (1) 同一高度毛竹加工的竹单板试样,在动态热机械分析仪测试过程中,在温度变化开始阶段,竹青部分的试样存储模量值最高,而竹 黄部分的试样存储模量值最低。竹青、竹肉、竹黄部分的存储模量都具有随温度的增加而降低 的趋势;而损耗模量值的大小都具有随温度的增加而增加的趋势。
        (2) 不同高度毛竹加工的竹单板试样,在动态热机械分析仪测试过程中,在温度变化开始阶段,1.00 m 处竹青部分的试样存储模量值 最高,而4.00 m 处竹青部分的试样存储模量 值最低。在同一温度下,不同高度毛竹竹青部分的存储模量都具有随着毛竹高度的增加而降低 的趋势。
        (3) 一般5~6 a生的成熟毛竹的竹青部分的 低温存储模量位于 1010Pa(10GPa)数量级左右,一般能满足做为风力发电叶片复合材料中增强相材料的使用,它们的损耗模量位于108Pa 数量 级左右。这也从一个侧面说明如果要增大风力发电叶片复合材料的模量,就要尽可能增加加 入的风电叶片复合材料增强相的存储模量,这 也就是我们在实际生产过程中要尽可能保留竹 青(维管束或纤维细胞)含量的真正原因。
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