碳纖維及其線纜的拉伸測試方法

王京力 柳寶琴 原婷婷

(1.中山出入境檢驗檢疫局，中山，528403;2.東華大學紡織面料技術(shù)教育部重點實驗室，上海，201620)

碳纖維復合材料(CFRP)具有質(zhì)量輕、比強度高、比模量高等優(yōu)異性能，被廣泛應用在各領(lǐng)域。由碳纖維制成的線纜和繩索，與傳統(tǒng)的線纜和繩索如鋼絲繩等相比，具有很多優(yōu)越性，可用作大跨度斜拉索橋懸索、艦船用纜繩、登山用繩索等，有望代替自重大的鋼纜，在新型復合材料領(lǐng)域受到了廣泛關(guān)注。然而，碳纖維是一種高強高模的脆性材料，其剪切強力較低，在強伸性能測試時容易損傷纖維，造成測試結(jié)果無效。這是碳纖維復合材料研究中普遍存在的一個問題。

本文針對CFRP線纜試樣的特點，設(shè)計了一種碳纖維復絲及碳纖維線纜拉伸測試用夾具輔助工具，配合萬能試驗機使用。它可防止夾具接觸碳纖維而對其造成損傷，也可防止碳纖維從夾具內(nèi)滑脫，保證碳纖維線纜在距離夾具較遠處斷裂，以提高測試的有效性和可靠性。

1 碳纖維絲束拉伸測試標準和方法

目前國內(nèi)外對碳纖維復絲及其復合材料的拉伸測試標準不一，且多為浸膠法。

GB/T 3362—2005碳纖維復絲拉伸性能測試方法，采用浸膠法進行預處理。日本標準 JISK 7073—1988等國外標準也采用類似方法。但是碳纖維線纜浸膠后，制得的樣品表面不光滑，有膠珠和孔洞，形成缺陷部位，易造成拉伸試驗失敗。

圖1 國外標準中試樣兩端加強片的安裝方法示意圖

另外，浸膠后CFRP線纜頭端在強力儀器的夾口中易碎裂，因此需對此處加強處理。美國標準(ASTM D4018—99)中采用樹脂頭固化加強［見圖1(a)］，日本標準(JIS R7608—2007)采用三層鋁板(中間層帶1.5 mm×40 mm溝槽)固化［見圖1(b)］，英國標準(BS EN ISO 10618—2004)中采用直徑為3 mm的玻璃絲管固化［見圖1(c)］。我國標準(GB/T 3362—2005)中采用紙片或金屬片并用黏結(jié)劑黏貼(見圖2)，其中圖2(a)用于1K、3K 碳纖維復絲，加強片為0.2～0.4 mm 厚的紙片;圖2(b)用于6K、12K碳纖維復絲，加強片為1.0 ～1.5 mm 厚的紙片或金屬片［1］，實際使用中有學者將加強片和樹脂一起固化。

采用以上加強方式測試CFRP線纜強度時，會出現(xiàn)樹脂加強片從夾口滑脫，或者CFRP線纜從紙片或鋁片中抽拔出來，甚至試樣在距離夾口10 mm以內(nèi)處斷裂等現(xiàn)象而導致試驗失敗。

圖2 我國標準中的試樣形狀及尺寸示意圖

2 碳纖維線纜拉伸試驗研究現(xiàn)狀

在國內(nèi)外已發(fā)表的關(guān)于CFRP線纜的拉伸試驗中，試驗者大多為大型工程材料研究機構(gòu)和大型材料制造商。試驗對象通常是線纜與其兩端的錨固裝置組成的錨固系統(tǒng)，試樣線纜錨固部分(即夾持部分)直徑多在80 mm以上。試驗設(shè)備基本上由大型液壓強力機、力傳感器和應變傳感器(引伸儀、應變片、百分表等)組成。

試驗中所使用的錨固系統(tǒng)的錨固可靠程度是試驗成功的關(guān)鍵。目前的CFRP線纜(筋)的錨固系統(tǒng)根據(jù)錨固方法基本上可分為兩類:夾片式錨固系統(tǒng)和黏結(jié)型錨固系統(tǒng)。夾片式錨具的夾片類型有兩片式塑料夾片、兩片式鋁夾片、四片式鋼夾片、兩片式鋼夾片加鋁套筒。黏結(jié)型錨具是用黏結(jié)材料(一般為樹脂類)將CFRP筋和鋼套筒黏結(jié)在一起，鋼套筒外表面有絲扣，張拉后用螺母錨固在墊板上［2］。

2.1 夾片式錨固系統(tǒng)

夾片式錨具包括一個具有內(nèi)錐孔的錨孔和2～4片夾片，夾片呈半圓形或扇形，內(nèi)表面有的刻有細齒槽、有的則無。這種系統(tǒng)是以鋼筋錨具為基礎(chǔ)開發(fā)的，錨固原理也和鋼筋錨具一樣，都是用楔塊原理來錨固預應力筋，結(jié)構(gòu)如圖3［3］所示。夾片有鋼夾片、塑料夾片、鋁夾片［2］。

圖3 夾片式夾具、錨具

這種錨具通常的失效模式是:在錨固區(qū)由于夾片的夾持力過大，造成CFRP筋本身的局部破壞;也有的是在錨固區(qū)由于剪應力過大，造成CFRP筋剪切失效。尤其對于鋼夾片，CFRP筋的局部破壞更易發(fā)生。

2.2 黏結(jié)型錨固系統(tǒng)

黏結(jié)型錨固系統(tǒng)包括樹脂套管錨具和楔型樹脂錨具。樹脂套管錨具由圓柱形鋼套筒、CFRP筋以及樹脂構(gòu)成(如圖4［2］)，其錨固能力取決于高性能環(huán)氧樹脂與CFRP筋的黏結(jié)性能。目前在樹脂套管錨具黏結(jié)介質(zhì)的應用中，已從樹脂擴展到水泥、膨脹水泥等材料。樹脂套管錨具的主要失效模式是因黏結(jié)強度不足，造成黏結(jié)失效，CFRP筋在錨具中滑移［2］。

楔型樹脂錨具綜合了夾片式錨具和樹脂套管錨具的優(yōu)點，將樹脂套管錨具進行改進而成，其改進措施主要為將樹脂套管錨具的圓柱形鋼套管改成為錐形套管(如圖5［4］)。其主要失效模式也是CFRP筋在錨具中滑移。

圖4 樹脂套管錨具

圖5 楔型樹脂錨具

在CFRP線纜拉伸試驗實例中，最受關(guān)注的是德國 DSI公司對基于 DYWICARB錨固系統(tǒng)的CFRP筋拉伸測試，該錨固系統(tǒng)為楔型樹脂錨具［5］，其外形如圖 6［6］所示。拉伸試驗得到了CFRP筋的應力—應變曲線，最終CFRP筋的斷裂形式是在錨固處斷裂(如圖7［6］所示)。

圖6 德國DSI公司DYWICARB錨固系統(tǒng)

圖7 CFRP筋拉伸斷裂情況

在國內(nèi)，湖南大學對46個試件進行了靜力張拉試驗［7］，試驗加載裝置如圖 8［7］所示。試件一端為試驗錨具，另一端為夾片式錨具或試驗錨具。試驗中用振弦式力傳感器測試張拉力，用百分表來測量CFRP筋的自由端和加載端的滑移量，加載速度為100 MPa/min。該試驗的主要目的是為了檢驗試驗CFRP線纜錨具系統(tǒng)的錨固程度，同時也得到CFRP筋的應力—應變曲線。試驗中僅有6件試樣被拉斷，其余均在錨具內(nèi)滑移或在錨具錨固處斷裂。

圖8 湖南大學所用試驗加載裝置

在江蘇大學所進行的試驗中，試樣是由多根Leadline制得的CFRP拉索，錨具結(jié)構(gòu)為楔型樹脂錨具，采用張拉千斤頂對試樣進行逐級加載直至試樣破壞，用百分表來測試應變［8］。試驗中未對錨具進行直接夾持，試驗裝置類似于圖8 所示。試驗得到CFRP拉索的應力—應變曲線，但各組試樣均在錨具內(nèi)有不同程度的滑移。

如圖9［9］所示，河海大學選用新型楔塊式錨具夾持直徑為9.5 mm的螺紋碳纖維筋，然后粘貼應變片，用導線接到應變儀上，再將夾持好的試件放到電液式萬能試驗機的夾頭里，連續(xù)加載觀察試件的破壞形式［9］。為防止碳纖維筋夾持段被夾頭夾碎而導致試驗失敗，試驗機所用夾頭經(jīng)過了改造。試驗測試了12個試樣，得到5組有效數(shù)據(jù)。

圖9 河海大學所用加載裝置

此外，也有少數(shù)機構(gòu)對小直徑碳纖維索進行拉伸測試。試驗所用設(shè)備多為萬能材料試驗機，試驗結(jié)果可直接顯示在與試驗機所連接的計算機上。例如，山東大學材料學院參照GB 8834—1988《繩索有關(guān)物理和機械性能的測定》的規(guī)定，在Instron 1121型萬能材料試驗機上進行測試，得到了一系列試驗數(shù)據(jù)。

3 一種碳纖維復絲及碳纖維線纜拉伸測試用夾具輔助工具

從上述分析中可以發(fā)現(xiàn)，拉伸測試的主要困難集中表現(xiàn)在碳纖維復合材料在夾持處或錨具中出現(xiàn)滑移或斷裂現(xiàn)象。本文針對CFRP線纜試樣的特點，設(shè)計了一種碳纖維復絲及碳纖維線纜拉伸測試用夾具輔助工具，裝置于萬能試驗機夾口內(nèi)，輔助拉伸測試。

該輔助裝置如圖10所示，包括三個部分:主體A，緊固塊B，螺母C。其中主體部分由夾頭1、連接桿2、有槽夾頭3和螺桿4組成。試樣在2上多圈纏繞，至3處從槽中經(jīng)過，在3和B處繞一圈，并在試樣頭端打結(jié)，用B壓緊，通過C推緊B。

該裝置放入萬能試驗機夾口內(nèi)夾持時，如圖11所示，1和2的平面與夾具接觸，保護2處纏繞的試樣;試樣多圈纏繞、頭端打結(jié)并用C和B加固，能有效防止試樣滑脫。

圖10 夾具輔助工具示意圖

圖11 夾具應用示意圖

該裝置與現(xiàn)有技術(shù)比較，可以省去配膠、浸膠、固化工序，防止碳纖維試樣在夾具內(nèi)受到損傷或從夾具內(nèi)滑脫，而且碳纖維試樣在距夾具10 mm以外處斷裂，所得測試結(jié)果為有效。

根據(jù)碳纖維復絲產(chǎn)品標簽得12K碳纖維復絲參數(shù)，見表1。

表1 12K碳纖維復絲標簽參數(shù)

用夾具輔助工具后測得12K碳纖維復絲的機械性能數(shù)據(jù)見表2。從表2中可以看出，斷裂強度平均值比產(chǎn)品標識值小531.02 MPa，為標識值的80.6%。本測試方法所得的斷裂強度和斷裂伸長率與表1中的產(chǎn)品標簽參數(shù)接近，證明其可靠性，數(shù)值均略偏小證明了本方法測試的穩(wěn)定性。由此可見，本試驗中系統(tǒng)誤差為主要誤差。另外，斷裂伸長率值略高于標識值。

表2 12K碳纖維復絲的力學性能測試數(shù)據(jù)

用夾具輔助工具后測得12K碳纖維三維編織線纜(12K×8股)的力學性能數(shù)據(jù)見表3。由表3可知，編織線纜的斷裂強度只有碳纖維的一半多一點，但斷裂伸長率是碳纖維的5倍多，這些數(shù)據(jù)為碳纖維三維編織線纜的設(shè)計和應用提供了依據(jù)。

表3 三維編織碳纖維線纜(12K×8股)的力學性能

4 結(jié)語

本文設(shè)計的碳纖維及其線纜拉伸試驗輔助裝置提高了錨固的可靠程度，既避免了夾具接觸碳纖維而對其造成損傷，又可防止碳纖維從夾具內(nèi)滑脫，保證了碳纖維線纜在距離夾具較遠處斷裂，提高了測試的有效性，使測試結(jié)果具有可靠性和穩(wěn)定性。

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