CFRP在不同應(yīng)變率和溫度下的力學(xué)性能試驗(yàn)研究*

黃　靚，張懷安，肖　巖，朱德舉

(湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙　410082)

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CFRP在不同應(yīng)變率和溫度下的力學(xué)性能試驗(yàn)研究*

黃靚，張懷安，肖巖，朱德舉?

(湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙410082)

摘要：采用真空輔助樹脂灌注成型工藝(VARI)制備了CFRP，利用MTS液壓伺服高速機(jī)對(duì)CFRP試件在4種應(yīng)變率(25,50,100和200 s(-1))和6種溫度(-25,0,25,50,75和100 ℃)下進(jìn)行測(cè)試.試驗(yàn)結(jié)果表明，在相同溫度(室溫25 ℃)下，除200 s(-1)應(yīng)變率下的韌性外，拉伸強(qiáng)度和韌性隨著應(yīng)變率的提高而明顯增大.在相同應(yīng)變率(25 s(-1))下，與室溫相比，隨著溫度的升高或降低，CFRP的拉伸強(qiáng)度和韌性都將降低.試件破壞形態(tài)在不同應(yīng)變率下并沒有明顯區(qū)別，但在不同溫度下有所改變.最后，通過Weibull分析，研究了拉伸強(qiáng)度在不同條件下的變化規(guī)律.

關(guān)鍵詞：碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料；應(yīng)變率；溫度；應(yīng)力應(yīng)變；韌性

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(FRP)具有比強(qiáng)度高，可塑性好，比模量高等優(yōu)點(diǎn)，在眾多FRP中，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)以其優(yōu)良的性能在土木工程中得到廣泛的應(yīng)用[1-2].因?yàn)槎喾N原因，應(yīng)用于結(jié)構(gòu)中的復(fù)合材料難免會(huì)受到?jīng)_擊荷載作用，比如爆炸、地震、汽車撞擊、強(qiáng)風(fēng)荷載等等[3]，伴隨著爆炸和撞擊，常常會(huì)形成高溫環(huán)境.此外，由于工程所在環(huán)境各不相同，導(dǎo)致復(fù)合材料工作的溫度范圍也較大.因此，研究CFRP在動(dòng)載和多種溫度下的力學(xué)性能對(duì)于工程應(yīng)用具有重要意義.

目前，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)于測(cè)試材料動(dòng)態(tài)性能的方法還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn).目前試驗(yàn)研究中主要采用以下方法：霍普金森桿(SHPB)、落錘系統(tǒng)和液壓伺服高速機(jī)[4-5].測(cè)試方法的選擇取決于測(cè)試試件應(yīng)變率所在的區(qū)間.SHPB主要用于測(cè)試材料在高應(yīng)變率下的性能.Amos等[6]研究了CFRP在靜載和應(yīng)變率為400～600 s-1下的力學(xué)性能，結(jié)果顯示隨著應(yīng)變率的增大，材料剛度隨之變大，但對(duì)強(qiáng)度影響不明顯.Naik等[7]測(cè)試了CFRP在140～400 s-1應(yīng)變率范圍內(nèi)的力學(xué)性能.落錘系統(tǒng)和液壓伺服高速機(jī)主要測(cè)試材料在1～200 s-1中應(yīng)變率范圍內(nèi)的力學(xué)性能[8-10].Adams等[11]通過沖擊方法研究碳纖維和玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在靜載到25 s-1應(yīng)變率下的拉伸力學(xué)性能.Shokrieh等[12]研究了玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在應(yīng)變率為0.001～100 s-1的力學(xué)性能.Zhu等[13]測(cè)試了水泥基復(fù)合材料在靜載和中應(yīng)變率下的力學(xué)性能.AI-Zubaidy等[14]測(cè)試了CFRP在靜載到應(yīng)變率為87.4 s-1的力學(xué)性能.但是關(guān)于CFRP在中應(yīng)變率下的力學(xué)性能研究還相對(duì)較少，而且動(dòng)態(tài)測(cè)試比較困難，根據(jù)學(xué)者之前得到的結(jié)論，CFRP的強(qiáng)度在動(dòng)載下有的升高，有的下降[15].因此，有必要進(jìn)行更多的CFRP在中應(yīng)變率下的試驗(yàn)，為工程應(yīng)用提供基礎(chǔ).

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在不同溫度下的力學(xué)性能有所不同，這是因?yàn)闇囟葘?duì)于環(huán)氧樹脂膠體和纖維的力學(xué)性能有影響，而且膠體和纖維的熱膨脹系數(shù)不同也會(huì)產(chǎn)生溫度應(yīng)力從而影響復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度.Im等[16]研究了不同層數(shù)的CFRP板材在高低溫下的沖擊性能.Suvarna等[17]進(jìn)行了CFRP在30～90 ℃的低速?zèng)_擊試驗(yàn)和彎曲試驗(yàn). Hong等[18]測(cè)試了CFRP在-75～75 ℃的沖擊力學(xué)性能.Rio等[15]通過霍普金森桿研究了兩種角度(0°,90°)的CFRP在室溫和低溫下的力學(xué)性能，結(jié)果表明，低溫對(duì)軸向強(qiáng)度的影響不顯著.但是有關(guān)CFRP在高低溫下的動(dòng)態(tài)拉伸力學(xué)性能的研究卻鮮有報(bào)道，因此，有必要進(jìn)行CFRP在高低溫下的試驗(yàn)，更全面地分析CFRP的力學(xué)性能.

本文研究單向碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在應(yīng)變率為25～200 s-1和溫度為-25～100 ℃的力學(xué)性能，通過分析試件強(qiáng)度和韌性的變化研究應(yīng)變率和溫度對(duì)其力學(xué)性能的影響.同時(shí)，試驗(yàn)采用高速相機(jī)記錄試件破壞過程，研究應(yīng)變率和溫度對(duì)試件破壞模式的影響，從而為CFRP的工程應(yīng)用提供理論基礎(chǔ).

1試驗(yàn)測(cè)試

1.1試樣制備

選用湖南固特邦公司生產(chǎn)的JN-C3P改性環(huán)氧膠粘劑和單向碳纖維布，每束碳纖維含碳纖維絲12 k，為了保證單向碳纖維布的整體性，纖維束長度方向每隔5 mm有一條橫向定位白線.使用真空輔助樹脂灌注成型工藝(VARI)制備試件，得到的CFRP中碳纖維體積含量為30.7%.通過定制的鋁模具，可以一次成型50 cm×80 cm×0.55 mm的單層CFRP板材.再根據(jù)試樣大小進(jìn)行剪裁.試樣要包含盡量多的碳纖維束以反映真實(shí)的CFRP力學(xué)性能，但考慮試驗(yàn)儀器夾具大小的限制，因此試樣尺寸設(shè)計(jì)寬度為22 mm，約8束碳纖維束，標(biāo)距長度25 mm，總長105 mm，兩端使用相同的環(huán)氧樹脂粘貼40 cm×22 cm×0.3 mm的鋁片，如圖1(a)所示．防止試件加持處發(fā)生應(yīng)力集中，造成試件端部破壞．在顯微鏡下觀察試樣橫截面，如圖1(b)所示,由圖1(b)可以看出，碳纖維絲都被環(huán)氧樹脂浸透，沒有氣泡存在，所以可以更加真實(shí)地得到CFRP的力學(xué)性能.

圖1　測(cè)試試樣

1.2測(cè)試方法

試驗(yàn)在美國亞利桑那州立大學(xué)的MTS液壓伺服高速機(jī)上完成，試驗(yàn)裝置如圖2所示.

圖2　試驗(yàn)裝置

儀器最大量程為200 kN,加載速度最高可達(dá)14 m/s，通過調(diào)節(jié)閥門，可以控制加載速度.試驗(yàn)前先調(diào)節(jié)閥門，測(cè)試?yán)焖俣葹轭A(yù)定速度后，再安裝試

件，進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試.夾具為不銹鋼制成，通過楔形塊可以有效夾緊試件，避免試件在測(cè)試過程中發(fā)生滑移.環(huán)境箱采用電阻絲加熱和液氮制冷，工作溫度為-60～200 ℃，環(huán)境箱內(nèi)置風(fēng)扇，可使箱內(nèi)溫度均勻變化.本試驗(yàn)選取25,50,100和200 s-14種應(yīng)變率和-25,0,25,50,75和100 ℃ 6種溫度進(jìn)行測(cè)試.同時(shí)使用Phantom高速相機(jī)，采用20 000幀/s的頻率記錄試件破壞過程.

2測(cè)試結(jié)果

2.1應(yīng)變率對(duì)力學(xué)性能的影響

CFRP的應(yīng)變率分別為25,50,100和200 s-1下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示．應(yīng)變率分別為25，50，100 s-1的試驗(yàn)組各重復(fù)8個(gè)試樣，應(yīng)變率為200 s-1的試驗(yàn)組重復(fù)5個(gè)試樣．高應(yīng)變荷載作用下，纖維內(nèi)會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力波以及反射應(yīng)力波，以達(dá)到應(yīng)力平衡狀態(tài).圖3是在荷載施加到試樣的初始時(shí)刻開始記錄，直到試樣拉斷結(jié)束.

圖3　不同應(yīng)變率下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

在材料動(dòng)態(tài)測(cè)試中，很難達(dá)到類似靜載的應(yīng)力平衡，而是動(dòng)態(tài)的應(yīng)力平衡.使用霍普金森桿進(jìn)行試驗(yàn)時(shí),判斷應(yīng)力動(dòng)態(tài)平衡的準(zhǔn)則是荷載脈沖在試件內(nèi)部反復(fù)傳遞3次以上.美國汽車工程師學(xué)會(huì)(SAE)標(biāo)準(zhǔn)建議至少在試件測(cè)試區(qū)域內(nèi)有10次以上的彈性反射波才能被認(rèn)為是應(yīng)力平衡.根據(jù)文獻(xiàn)[9]可知,試件達(dá)到動(dòng)態(tài)應(yīng)力平衡所需時(shí)間為：

T=2nL/v.

(1)

式中:L為試件長度；v為彈性應(yīng)力波在材料內(nèi)的速度；n為應(yīng)力波的傳遞次數(shù).應(yīng)力波傳輸速度為:

(2)

式中：E為彈性模量；ρ為材料密度.將式(2)代入式(1)，得

(3)

由式(3)可知，T越大，n則會(huì)越大.若T在最小值時(shí)滿足條件，則其余情況均滿足.而T隨著應(yīng)變率的增大而減小，因此選擇CFRP在200 s-1下的試驗(yàn)值進(jìn)行計(jì)算.在200 s-1下應(yīng)力達(dá)到最大值所需時(shí)間為0.4 ms左右，CFRP彈性模量為235 GPa，密度為1.8 g/cm3，計(jì)算得n為68,大于建議值，因此試件內(nèi)部應(yīng)力滿足動(dòng)態(tài)應(yīng)力平衡條件.

因?yàn)槭芰^程中試樣的反作用力會(huì)降低加載速率，使試樣實(shí)際應(yīng)變率低于初始應(yīng)變率[3]，圖3中所標(biāo)識(shí)的是每個(gè)試樣的實(shí)際應(yīng)變率(并非測(cè)試編號(hào))，為了方便對(duì)比分析，文中采用初始應(yīng)變率.部分試件實(shí)際應(yīng)變率明顯過低，予以舍去.每個(gè)試件的尺寸在3個(gè)位置用游標(biāo)卡尺進(jìn)行測(cè)量，取平均值計(jì)算試件截面面積從而計(jì)算試件應(yīng)力值.由圖3可知，應(yīng)變率越大，試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線的離散性越高.應(yīng)變率分別為25 s-1和50 s-1下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線形狀相似，在經(jīng)歷初始線彈性階段后，纖維束逐漸斷裂，引起應(yīng)力在到達(dá)峰值前產(chǎn)生較大波動(dòng)，隨后完全斷裂，應(yīng)力立刻降為零.但在較高應(yīng)變率100 s-1和200 s-1情況下，應(yīng)力-應(yīng)變曲線基本保持線性上升至峰值，應(yīng)力波動(dòng)區(qū)域明顯減小或消失；峰值后應(yīng)力快速下降直至試件徹底破壞.

根據(jù)不同應(yīng)變率下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，可以得到CFRP力學(xué)性能的應(yīng)變率效應(yīng).圖4給出了試件的拉伸強(qiáng)度和韌性與應(yīng)變率的關(guān)系.總體來說，各個(gè)參數(shù)隨著應(yīng)變率的增加而增加.應(yīng)變率為25，50,100,200 s-1對(duì)應(yīng)的拉伸強(qiáng)度分別為874±73,907±71,985±139和1 114±108 MPa,拉伸強(qiáng)度與應(yīng)變率基本呈線性關(guān)系，從25 s-1到200 s-1，拉伸強(qiáng)度增幅達(dá)到27.5%.應(yīng)變率分別為25，50，100和200 s-1所對(duì)應(yīng)的韌性分別為35.79±8.51,41.43±5.7,47.49±13.7和43.74±10.6 MPa，應(yīng)變率由25 s-1到100 s-1其韌性基本呈線性上升，增幅達(dá)到32.7%，但應(yīng)變率從100 s-1到200 s-1其韌性并無增加，反而有7.9%的下降.

圖4　應(yīng)變率對(duì)材料力學(xué)性能的影響

2.2溫度對(duì)力學(xué)性能的影響

CFRP在6種不同溫度(-25，0，25，50，75和100 ℃)下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖5所示，所有溫度試驗(yàn)均在25 s-1應(yīng)變率下進(jìn)行，每種溫度測(cè)試了8個(gè)試樣，由圖5可知，試驗(yàn)重復(fù)率較好.圖6給出了CFRP拉伸強(qiáng)度和韌性與溫度的關(guān)系.在溫度分別為-25，0，25，50和75 ℃下其拉伸強(qiáng)度分別為846±61，832±27，874±73，861±65和850±91 MPa，增減幅度在5%以內(nèi)，可見在此溫度范圍內(nèi)對(duì)CFRP的強(qiáng)度影響不顯著，但升溫至100 ℃時(shí)，拉伸強(qiáng)度降低為651±78 MPa，較之常溫(25 ℃)下降幅度為25.5%，這是因?yàn)榄h(huán)氧樹脂膠體達(dá)到玻璃化溫度，軟化后剛度和強(qiáng)度下降顯著.相比拉伸強(qiáng)度，韌性對(duì)溫度較為敏感，相比常溫下的韌性，升溫或降溫都會(huì)造成韌性的下降.在溫度分別為-25，0，25，50，75和100 ℃下其韌性分別為25.35±5.63，31.1±7.07，35.79±8.51，25.95±5.13，27.31±9.01和21.62±5.22 MPa，與常溫相比，分別下降了29.2%,13.1%,27.5%,23.7%和39.6%.韌性隨溫度下降而下降是因?yàn)镃FRP在低溫下變脆，變形能力降低，從而承擔(dān)能量的能力減弱.對(duì)于溫度升高的情況，在溫度未達(dá)到100 ℃之前，韌性下降的幅度基本維持不變，到100 ℃時(shí)，幅度增大較多.這是因?yàn)镃FRP試件受熱軟化，在高溫下最大應(yīng)變相比常溫減小32%左右，但強(qiáng)度變化幅度不大，因而韌性降低幅度相似，但在100 ℃下強(qiáng)度降低幅度較大，同時(shí)應(yīng)變減小，所以韌性降低較多.

圖5　不同溫度下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.3應(yīng)變率和溫度對(duì)破壞形態(tài)的影響

圖7給出了CFRP試件在不同應(yīng)變率下的破壞形態(tài)圖.由圖7可知，試件破壞并沒有一個(gè)整體的斷裂截面，每根纖維束的斷面并不相同，但同一根纖維束斷裂在同一截面.纖維束斷面多在纖維布的定位白線處，這是因?yàn)樵嚰捎肰ARI工藝成型，試件整體厚度一致，但由于定位白線的存在，導(dǎo)致該處的膠體較其余地方偏薄，形成一個(gè)相對(duì)薄弱的地方，導(dǎo)致斷裂容易在該處發(fā)生.定位白線處的膠體在測(cè)試后可以觀察到有輕微的剝離現(xiàn)象，可以說明在測(cè)試過程中，應(yīng)力容易在此處集中.試件斷裂面并未呈現(xiàn)出纖維拉斷的特性，因?yàn)槊扛w維絲都在環(huán)氧樹脂膠體內(nèi)均勻分布，因此斷裂時(shí)更多呈現(xiàn)膠體斷裂特性，斷裂面比較平整.圖8是使用高速相機(jī)記錄的試件在4種應(yīng)變率下的破壞過程，從中可以看出，破壞過程并沒有顯著區(qū)別.因?yàn)樵嚰?、安裝試件偏差和儀器偏差等諸多因素，試件所有纖維束很難同時(shí)斷裂，試件破壞時(shí)，CFRP可能會(huì)分裂為幾根纖維束后再分別斷裂.觀察破壞后試件圖，4種應(yīng)變率的破壞形態(tài)也基本相似，這與AI-Zubaidy等[14]的發(fā)現(xiàn)一致.

圖6　溫度對(duì)材料力學(xué)性能的影響

圖9給出了試件在6種溫度下的破壞形態(tài)圖，從圖中可以看出，試件破壞截面基本在試件中間.和不同應(yīng)變率下破壞形態(tài)相似，破壞面不是同一個(gè)截面，而是由不同纖維束破壞截面組成，但這種現(xiàn)象隨著溫度的升高而減弱，在100 ℃情況下，破壞面基本為一個(gè)整體，纖維束的散落現(xiàn)象基本消失.這是因?yàn)槟z體軟化，使得試件的脆性降低.同樣地，隨著溫度升高，在定位白線處的膠體輕微剝離現(xiàn)象也隨之減弱，在100 ℃的情況下已經(jīng)基本消失.

圖7　試件在不同應(yīng)變率下的破壞形態(tài)

圖8　試件在不同應(yīng)變率下的破壞過程

3Weibull 分析

因?yàn)樘祭w維表面缺陷分布的不確定性，其強(qiáng)度不可避免地呈現(xiàn)離散性，因此用平均強(qiáng)度來表征其力學(xué)性能.用二參數(shù)Weibull分析處理其數(shù)據(jù)是比較理想的方法.二參數(shù)Weibull分布的基本形式如下：

(4)

(5)

式中：N為試件測(cè)試總數(shù)；i為試件在拉伸應(yīng)力σ下破壞的個(gè)數(shù).

圖9　試件在不同溫度下的破壞形態(tài)

圖10給出了拉伸強(qiáng)度在不同應(yīng)變率和溫度下的累積破壞概率圖.由圖10(a)可知，隨著應(yīng)變率的增加，曲線向高強(qiáng)度方向移動(dòng)，而且移動(dòng)幅度與應(yīng)變率近似成線性關(guān)系，說明CFRP的強(qiáng)度隨應(yīng)變率的增加而近似線性增加，這也可從圖4(a)中驗(yàn)證.由圖10(b)可以明顯看出，升溫測(cè)試的擬合曲線只有一條離其他曲線較遠(yuǎn)，另外5條曲線位置接近.由此可知，溫度升高到100 ℃后對(duì)CFRP強(qiáng)度的影響才比較明顯，其他溫度下的影響并不顯著.此外，值得注意的是，100 ℃下的強(qiáng)度分布范圍明顯增加，這是因?yàn)榄h(huán)氧樹脂軟化后，試件破壞模式發(fā)生改變，并不集中發(fā)生在試件定位白線薄弱處，所以強(qiáng)度分布范圍增加.

圖10　累積破壞概率曲線

4結(jié)論

本文進(jìn)行了CFRP在4種應(yīng)變率和6種溫度下動(dòng)態(tài)拉伸測(cè)試，針對(duì)其力學(xué)性能和破壞形態(tài)進(jìn)行了分析，主要結(jié)論如下：

1)隨著應(yīng)變率的提高，除200 s-1下的韌性，CFRP的拉伸強(qiáng)度和韌性均有明顯增加.拉伸強(qiáng)度在該應(yīng)變率范圍內(nèi)基本呈線性增加，相比25 s-1下的力學(xué)性能，強(qiáng)度增加幅度最大為27.5%，韌性增加幅度最大為32.7%；

2)與常溫下力學(xué)性能相比，升溫和降溫均造成力學(xué)性能的下降.相對(duì)拉伸強(qiáng)度，韌性隨溫度的變化更顯著.而拉伸強(qiáng)度只有溫度到達(dá)100 ℃后才有明顯下降；

3)不同應(yīng)變率下的破壞形態(tài)并無顯著區(qū)別，在不同溫度下，隨著溫度的升高，破壞模式趨向于一個(gè)整體的斷裂面.

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Experimental Study of Mechanical Properties of CFRP under Different Strain Rates and Temperatures

HUANG Liang, ZHANG Huai-an, XIAO Yan, ZHU De-ju?

(College of Civil Engineering, Hunan Univ, Changsha, Hunan410082, China)

Abstract:In this work, carbon fiber reinforced plastic(CFRP) were fabricated using vacuum assisted resin infusion (VARI). Specimens were tested under four strain rates (25, 50, 100 and 200 s(-1)) and six temperatures (-25, 0, 25, 50, 75 and 100 ℃) by means of a servo-hydraulic high rate testing system. The results show that tensile strength and toughness increase with the increasing strain rate under the same temperature (room temperature 25 ℃) except the toughness under 200 s(-1). At the same strain rate of 25 s(-1), on the other hand, the tensile strength and toughness at the room temperature are higher than those under other temperatures. The failure patterns of CFRPs were nearly similar under four investigated strain rates, but different under six temperatures. Moreover, Weibull analysis was carried out to quantify the change of tensile strength under different conditions.

Key words:CFRP; strain rate; temperature; stress-strain; toughness

中圖分類號(hào)：TB332

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：黃靚(1974-)，男，湖南株洲人，湖南大學(xué)副教授，博士?通訊聯(lián)系人，E-mail:dzhu@hnu.edu.cn

基金項(xiàng)目：國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2012CB026200)；湖南省科技計(jì)劃重點(diǎn)資助項(xiàng)目(2014WK2026)；湖南省杰出青年基金資助項(xiàng)目(2015JJ1004)；湖南大學(xué)交叉學(xué)科研究項(xiàng)目

*收稿日期：2015-02-06

文章編號(hào)：1674-2974(2016)03-0090-08