一種機(jī)織物增強(qiáng)柔性復(fù)合材料拉伸性能加載速度依賴性的試驗(yàn)研究*

汪澤幸 蔣金華 陳南梁

(1.湖南工程學(xué)院紡織服裝學(xué)院，湘潭，411104;2.產(chǎn)業(yè)用紡織品教育部工程研究中心，上海，201620;3.東華大學(xué)紡織學(xué)院，上海，201620)

近年來，織物增強(qiáng)柔性復(fù)合材料在建筑膜結(jié)構(gòu)、柔性充氣結(jié)構(gòu)、柔性儲(chǔ)液罐、輕型輸送帶等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越多。織物增強(qiáng)柔性復(fù)合材料在使用過程中主要依靠外加張力保持外形，且抗拉不抗壓，因此，對(duì)該復(fù)合材料的拉伸性能進(jìn)行研究十分必要。

目前，對(duì)織物增強(qiáng)柔性復(fù)合材料拉伸性能的研究，多對(duì)其在特定加載速度下的力學(xué)性能進(jìn)行測試與分析。在對(duì)聚合物基復(fù)合材料的壓縮瞬時(shí)［1］、拉伸有限元分析［2］時(shí)，通常認(rèn)為聚合物基復(fù)合材料的變形特性與應(yīng)變率無關(guān)。但國內(nèi)外眾多學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，聚合物［3］及其復(fù)合材料［4－10］的力學(xué)性能具有一定的應(yīng)變率依賴性，同時(shí)在不同加載速度下的拉伸曲線也有一定的差別，即認(rèn)為高分子及其復(fù)合材料的拉伸特性具有應(yīng)變率敏感性或應(yīng)變率依賴性。這主要是由于高分子及其復(fù)合材料具有黏彈性，在拉伸過程中強(qiáng)迫高彈性形變過程和斷裂過程都是松弛過程，時(shí)間因素的影響很大，因而作用力的速度也直接影響著強(qiáng)迫高彈形變的發(fā)生和發(fā)展。對(duì)于相同的外力來說，加載速度過快，強(qiáng)迫高彈形變來不及發(fā)生，或者強(qiáng)迫高彈形變得不到充分的發(fā)展，試樣發(fā)生脆性斷裂;加載速度過慢，則線型玻璃態(tài)高聚物會(huì)發(fā)生一部分黏性流動(dòng)。只有在適當(dāng)?shù)募虞d速度下，玻璃態(tài)高聚物的強(qiáng)迫高彈性才能充分地表現(xiàn)出來［9］，因此只有在同一加載速度下測量的結(jié)果才具有可比性。

從現(xiàn)有的文獻(xiàn)來看，對(duì)全塑性材料的應(yīng)變率依賴性的研究較為深入，并對(duì)其應(yīng)變率敏感性指數(shù)進(jìn)行了理論計(jì)算［11］，而對(duì)具有高黏彈性的織物增強(qiáng)柔性復(fù)合材料的加載速度依賴性研究較少。吳明全等［12］對(duì)ETFE薄膜力學(xué)性能對(duì)加載速度的依賴性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，張營營等［13］考察了單向拉伸條件下，PTFE膜結(jié)構(gòu)材料抗拉強(qiáng)度和斷裂應(yīng)變隨著加載速度的變化情況，為膜結(jié)構(gòu)材料力學(xué)特性的深入研究及其工程應(yīng)用提供了基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)。

本文以用于制備輕型輸送帶的機(jī)織物增強(qiáng)柔性復(fù)合材料為研究對(duì)象，對(duì)其在不同加載速度下的抗拉強(qiáng)度、斷裂應(yīng)變、屈服強(qiáng)度及失穩(wěn)應(yīng)變隨加載速度的變化趨勢進(jìn)行了分析。

1 材料選用與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

本文選用的柔性復(fù)合材料以滌綸機(jī)織平紋織物為增強(qiáng)骨架材料，單面涂覆PVC制備而成，其整體結(jié)構(gòu)及增強(qiáng)骨架材料結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。其中，滌綸機(jī)織物以111.11 tex超低收縮聚酯長絲為經(jīng)紗，以直徑為0.3 mm聚酯單絲為緯紗，織物密度為6.7根/cm×3.5根/cm。成品柔性復(fù)合材料的面密度為230 g/mm2，厚度為2.24 mm。

圖1 試驗(yàn)材料的結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 試樣規(guī)格與測試方法

為減少拉伸過程中試樣與夾頭內(nèi)表面間的滑移及試樣在夾頭附近斷裂，除試樣兩端夾持部位采用鋁片保護(hù)外，還采用了非矩形試樣，以進(jìn)一步減少試樣滑移。本文選用的試樣規(guī)格及尺寸見圖2。

圖2 試樣外形及尺寸示意圖

因選用的機(jī)織物增強(qiáng)柔性復(fù)合材料用于制備輕型輸送帶，在使用過程中主要承受縱向(經(jīng)紗方向)拉伸載荷作用，故僅對(duì)縱向試樣進(jìn)行測試與分析。所有拉伸試驗(yàn)均在WDW－20型萬能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，受到拉斷試驗(yàn)時(shí)間和試驗(yàn)機(jī)所能允許的加載速度因素的影響，加載速度分別選用5、50、100、150、200 和 300 mm/min，即對(duì)應(yīng)的名義應(yīng)變速率分別為 2.5、25、50、75、100 和 150%/min。由載荷傳感器記錄加載載荷，位移傳感器記錄試樣對(duì)應(yīng)的位移，并基于拉伸曲線獲得拉伸性能指標(biāo)，對(duì)拉伸性能指標(biāo)隨加載速度的變化趨勢進(jìn)行分析。

所有試驗(yàn)均在室溫下進(jìn)行。

2 拉伸性能指標(biāo)

2.1 抗拉強(qiáng)度與斷裂伸長率

機(jī)織物增強(qiáng)柔性復(fù)合材料在外加載荷作用下拉伸至斷裂時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的變形，當(dāng)外加載荷達(dá)到最大值時(shí)發(fā)生斷裂。其表現(xiàn)為拉伸應(yīng)力—應(yīng)變曲線無下降階段，最大抗拉強(qiáng)度Sb對(duì)應(yīng)的應(yīng)變?yōu)閿嗔褢?yīng)變?chǔ)舃，如圖3所示。由于拉伸過程中很難測得試樣寬度和厚度的變化，因此本文不考慮拉伸過程中試樣寬度的縮小，仍然采用拉伸前試樣的寬度來計(jì)算應(yīng)力。在彈性階段，織物增強(qiáng)柔性復(fù)合材料的應(yīng)變量較小，試樣寬度變化較小;而在斷裂前，試樣延伸率較大，此時(shí)試樣寬度變化相對(duì)較大，因此本文得到的織物增強(qiáng)柔性復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度小于實(shí)際應(yīng)力。

圖3 拉伸性能指標(biāo)確定示意圖

2.2 拉伸彈性模量

織物增強(qiáng)柔性復(fù)合材料的拉伸彈性模量E采用拉伸曲線初始近似直線段的斜率來表示，見圖3。

2.3 屈服強(qiáng)度與失穩(wěn)應(yīng)變

織物增強(qiáng)柔性復(fù)合材料無明顯的屈服極限，在拉伸曲線上表現(xiàn)為無明顯的屈服點(diǎn)。對(duì)于這類材料通常采用殘余變形法來確定其屈服強(qiáng)度，本文采用以產(chǎn)生0.5%塑性應(yīng)變時(shí)的應(yīng)力作為屈服強(qiáng)度，如圖3所示。該屈服強(qiáng)度通常稱為條件屈服強(qiáng)度SY，對(duì)應(yīng)的應(yīng)變稱為失穩(wěn)應(yīng)變?chǔ)臲，見圖3。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 拉伸響應(yīng)曲線

圖4為6種加載速度下的應(yīng)力—應(yīng)變曲線(1～5為測試號(hào))。從圖中可以看出，不同加載速度下的應(yīng)力—應(yīng)變曲線形狀具有很好的相似性，表明機(jī)織物增強(qiáng)柔性復(fù)合材料在不同加載速度下具有相同的變形和破壞機(jī)理。在斷裂前，均經(jīng)歷較大的變形過程，且無明顯的下降階段;在小應(yīng)變條件下，同等加載速度下的拉伸曲線間分散性較小。隨著加載應(yīng)變的增加，拉伸曲線之間的分散性逐漸顯現(xiàn)。

3.2 抗拉強(qiáng)度及斷裂伸長率與名義應(yīng)變率的關(guān)系

由圖5可見，隨著加載速度的提高，機(jī)織物增強(qiáng)柔性復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度增加，而斷裂伸長率有所降低，在性能上表現(xiàn)為脆性增加。隨著加載速度的提高，材料性能的分散性也有所增加。

圖4 不同加載速度下的拉伸曲線

從圖5中可以發(fā)現(xiàn)，抗拉強(qiáng)度(Su)和斷裂伸長率(εu)與名義應(yīng)變率()的對(duì)數(shù)間具有很好的線性關(guān)系，這個(gè)關(guān)系可用式(1)和式(2)來描述:

從擬合直線的斜率絕對(duì)值來看，加載速度對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響程度較大，而對(duì)斷裂伸長率的影響程度相對(duì)較小。

3.3 拉伸彈性模量與名義應(yīng)變率的關(guān)系

圖6表明，機(jī)織物增強(qiáng)柔性復(fù)合材料的拉伸彈性模量E隨名義應(yīng)變率的增加而增加，同時(shí)彈性模量間的離散程度增加。當(dāng)名義應(yīng)變率)從2.5%/min增加到150%/min時(shí)，拉伸彈性模量增加了55.45%，且拉伸彈性模量的CV值從0.67%增加到6.23%。

圖5 抗拉強(qiáng)度及斷裂伸長率與名義應(yīng)變率之間的變化關(guān)系

圖6 拉伸模量與名義應(yīng)變率之間的變化關(guān)系

彈性模量E隨名義應(yīng)變率的變化趨勢可用式(3)來表示:

3.4 屈服強(qiáng)度及失穩(wěn)應(yīng)變與名義應(yīng)變率的關(guān)系

圖7表明，隨著名義應(yīng)變率ε·nom的增加，屈服強(qiáng)度和失穩(wěn)應(yīng)變均呈現(xiàn)增加的趨勢，其中屈服強(qiáng)度的增加程度相對(duì)較大。當(dāng)名義應(yīng)變率ε·nom從2.5%/min增加到150%/min時(shí)，屈服強(qiáng)度增加了55.66%，而失穩(wěn)應(yīng)變增加了17.86%。

屈服強(qiáng)度和失穩(wěn)應(yīng)變隨名義應(yīng)變率的變化趨勢可用式(4)和式(5)來表示:

從擬合直線斜率的角度而言，加載速度對(duì)屈服強(qiáng)度的影響程度較大，而對(duì)失穩(wěn)應(yīng)變的影響程度相對(duì)較小。

圖7 屈服強(qiáng)度及失穩(wěn)應(yīng)變與名義應(yīng)變率之間的變化關(guān)系

4 結(jié)語

本文以用于制備輕型輸送帶的機(jī)織物增強(qiáng)柔性復(fù)合材料為研究對(duì)象，對(duì)其在不同加載速度下的拉伸性能指標(biāo)進(jìn)行了測試，并對(duì)抗拉強(qiáng)度、斷裂伸長率、拉伸彈性模量、屈服強(qiáng)度與失穩(wěn)應(yīng)變隨加載速度(名義應(yīng)變率)的變化趨勢進(jìn)行了分析和討論。試驗(yàn)和分析結(jié)果表明，機(jī)織物增強(qiáng)柔性復(fù)合材料具有明顯的加載速度依賴性或應(yīng)變率相關(guān)性;在不同加載速度下，機(jī)織物增強(qiáng)柔性復(fù)合材料的應(yīng)力—應(yīng)變曲線變化趨勢具有很好的相似性，表明在不同加載速度下這種復(fù)合材料的變形機(jī)理相似，且抗拉強(qiáng)度、拉伸彈性模量、屈服強(qiáng)度和失穩(wěn)應(yīng)變均隨著加載速度的提高而增加，而斷裂伸長率有所下降。

受試驗(yàn)設(shè)備等因素的影響，本文采用的加載速度范圍為5～300 mm/min，加載速度范圍較窄。為進(jìn)一步研究織物增強(qiáng)柔性復(fù)合材料在較寬加載速度范圍內(nèi)抗拉性能的變化趨勢，有必要對(duì)其加載速度敏感性做進(jìn)一步研究，并對(duì)不同加載速度下織物增強(qiáng)柔性復(fù)合材料的本構(gòu)方程、加載速度敏感性的量化等做深入的試驗(yàn)研究和理論分析。

［1］ HAMOUDA A M S，HASHMI M S J.Testing of composite materials at high rates of strain:Advances and challenges［J］.Journal of Materials Processing Technology，1998，77:327－336.

［2］ 龍海如.緯編針織物增強(qiáng)復(fù)合材料力學(xué)性能研究［D］.上海:東華大學(xué)，2002.

［3］ BROWN R.Handbook of polymer testing:Short term mechanical tests［M］.United Kingdom:Rapra Technology Limited，2002.

［4］ HSIAO H M，DANIEL I M.Strain rate behavior of composite materials［J］.Composites Part B，1998，29(5):521－533.

［5］ SHIM V P W，LIM C T，F(xiàn)OO K J.Dynamic mechanical properties of fabric armour［J］.International Journal of Impact Engineering，2001，25(1):1－15.

［6］ AKIL ?，YILDIRIM U G，DEN M，et al.Effect of strain rate on the compression behavior of a woven fabric s2－glass fiber reinforced vinyl ester composite［J］.Polymer Testing，2003，22(8):883－887.

［7］ JADHAV A.High strain rate properties of polymer matrix composites［D］.India:University of Pune，2003.

［8］ TATSUOKA F I M，DI B H，KUWANO R.Time dependent shear deformation characteristics of geomaterials and their simulation［J］.Journal of the Japanese Geotechnical Society of Soils and Foundations，2002，42(2):103－129.

［9］ 宋孝浜，王春霞.纖維增強(qiáng)復(fù)合材料應(yīng)變率效應(yīng)研究進(jìn)展［J］.廣西紡織科技，2006，35(4):31－34.

［10］王正浩，趙桂平，馬君峰，等.碳/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料應(yīng)變率效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究［J］.復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2007，24(2):114－119.

［11］宋玉泉，程永春，王習(xí)文.拉伸變形應(yīng)變硬化指數(shù)的實(shí)驗(yàn)測量及其精細(xì)分析［J］.中國科學(xué):E輯，2001，31(3):193－203.

［12］吳明全，慕仝，劉建明.拉伸速度對(duì)ETFE薄膜力學(xué)性能的影響［J］.建筑科學(xué)材料，2008，11(5):574－579.

［13］張營營，張其林，周傳志.PTFE膜材料的單向拉伸性能［J］.建筑材料學(xué)報(bào)，2010，13(4):535－539.