不同應(yīng)變率和溫度下AFRP力學(xué)性能試驗(yàn)研究*

朱德舉，張曉彤，張懷安，歐云福，徐新華

(1. 湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410082； 2. 南通東泰新能源設(shè)備有限公司， 江蘇 啟東 226200)

不同應(yīng)變率和溫度下AFRP力學(xué)性能試驗(yàn)研究*

朱德舉1?，張曉彤1，張懷安1，歐云福1，徐新華2

(1. 湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410082； 2. 南通東泰新能源設(shè)備有限公司， 江蘇 啟東 226200)

利用MTS液壓伺服高速試驗(yàn)機(jī)測(cè)試芳綸纖維(Kevlar 29)增強(qiáng)復(fù)合材料(AFRP)在不同應(yīng)變率(25, 50, 100和200 s-1)和溫度(-25, 0, 25, 50和100 ℃)條件下的力學(xué)性能.結(jié)果表明，在相同溫度(25 ℃)下，隨著應(yīng)變率的增大，楊氏模量和拉伸強(qiáng)度先增大(25～50 s-1)后減小(50～200 s-1)，而韌性則表現(xiàn)為相反的趨勢(shì).在相同應(yīng)變率(25 s-1)下，溫度的升高會(huì)造成楊氏模量出現(xiàn)波動(dòng)，拉伸強(qiáng)度上升，而韌性則沒有明顯的改變.不同試驗(yàn)條件下AFRP破壞形態(tài)沒有明顯區(qū)別，均為較平整斷裂面.最后，通過Weibull分析，量化了破壞強(qiáng)度在不同應(yīng)變率和溫度下的離散程度.

AFRP；拉伸性能；動(dòng)態(tài)載荷；溫度效應(yīng)；斷裂形態(tài)

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(FRP)是由增強(qiáng)纖維和基體材料經(jīng)過一定復(fù)合工藝制成的高性能材料，以其比強(qiáng)度高，抗沖擊、抗疲勞性能好等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)防建設(shè)、汽車工業(yè)、地鐵隧道、海洋結(jié)構(gòu)等各個(gè)領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用[1].近年來，芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(AFRP)在土木工程基礎(chǔ)設(shè)施的加強(qiáng)、修復(fù)領(lǐng)域嶄露頭角.用于結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)的AFRP材料會(huì)受到不同應(yīng)變率、不同溫度的耦合作用，其力學(xué)性能與靜態(tài)荷載和常溫條件下相比會(huì)發(fā)生顯著的變化[2].因此，研究AFRP材料在不同溫度和應(yīng)變率下的力學(xué)特性，對(duì)其工程應(yīng)用具有重要意義.Rodriguez等[3-4]對(duì)芳綸/聚丙烯、芳綸/聚對(duì)苯二甲酸乙二酯機(jī)織復(fù)合材料在不同應(yīng)變率(10-3，1，103s-1)下的動(dòng)態(tài)拉伸性能進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)材料拉伸應(yīng)力隨應(yīng)變率的增加而增大.Wang等[5]對(duì) Kevlar 49/酚醛樹脂復(fù)合材料在150，400和1 500 s-1三種應(yīng)變率下進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，結(jié)果表明，隨著應(yīng)變率的增大，彈性模量和拉伸強(qiáng)度均有所增加.Tann等[6]對(duì)芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料分別進(jìn)行了-20～25 ℃凍融循環(huán)測(cè)試和180 ℃高溫測(cè)試，得到凍融循環(huán)作用對(duì) AFRP 強(qiáng)度影響不大，而高溫可以造成其強(qiáng)度降低的結(jié)論.

根據(jù)Reinhardt等[7-9]對(duì)不同種類動(dòng)力荷載作用下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和構(gòu)件應(yīng)變率范圍的分類，沖擊荷載造成的應(yīng)變率在1～100 s-1之間，而爆炸荷載引起的應(yīng)變率大于100 s-1.土木工程結(jié)構(gòu)經(jīng)常遇到各種沖擊和爆炸作用，但AFRP材料在中等應(yīng)變率下(10～200 s-1)的力學(xué)性能卻少有研究，對(duì)于在中等應(yīng)變率和不同溫度耦合作用下的力學(xué)特性的研究更是近乎空白；同時(shí)，Zhu等[10-11]研究發(fā)現(xiàn)，AFRP的主要組成成分——Kevlar 纖維在中等應(yīng)變率下的力學(xué)性能會(huì)發(fā)生明顯的改變，AFRP的應(yīng)變率是否同樣具有明顯的應(yīng)變率效應(yīng)成為亟需研究的問題.本文的任務(wù)是測(cè)試AFRP材料在中等應(yīng)變率和不同溫度作用下的動(dòng)力響應(yīng)和斷裂形態(tài).所獲得的力學(xué)性能可以用于建立應(yīng)變率相關(guān)性和溫度相關(guān)性的材料本構(gòu)模型，為AFRP在極端環(huán)境下的理論研究和實(shí)際應(yīng)用奠定基礎(chǔ).

1 試驗(yàn)測(cè)試

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)選用湖南固特邦土木技術(shù)發(fā)展有限公司研發(fā)的JN-C3P改性環(huán)氧膠黏劑，以單層Kevlar?29 作為增強(qiáng)纖維，纖維束支數(shù)為6.7×6.7束/cm，體密度為1.44 g/cm3，線密度為1.64 ×10-3g/cm，纖維絲直徑為12 μm，每根纖維束的橫截面積為1.14 × 10-3cm2[12].利用真空輔助樹脂灌注成型工藝(VARI)[13]和定制的鋁模具制備含單層Kevlar 纖維的AFRP試樣.

綜合考慮夾具尺寸的限制和盡量包含較多纖維束，以更真實(shí)地反映AFRP的力學(xué)性能，確定試樣寬度為22 mm，約15束Kevlar 29 纖維束，纖維體積分?jǐn)?shù)約為15.5%，標(biāo)距長(zhǎng)度為25 mm.為了將荷載均勻傳遞到試樣的標(biāo)距部分，并防止加載過程中夾具對(duì)試樣產(chǎn)生破壞，在試樣兩端的上下兩側(cè)均用相同的環(huán)氧樹脂膠黏結(jié)40 mm×22 mm×0.3 mm 的鋁片，試樣總長(zhǎng)度為105 mm，如圖1所示.

圖1 待測(cè)試試樣

在試樣的中心區(qū)域任取3處，用精度為0.01 mm的游標(biāo)卡尺測(cè)得試樣厚度，取平均值作為試樣厚度.試樣厚度與寬度的乘積為其橫截面積，用于計(jì)算試樣的拉伸應(yīng)力.

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在美國(guó)亞利桑那州立大學(xué)使用MTS液壓伺服高速試驗(yàn)機(jī)完成，試驗(yàn)儀器如圖2所示.該試驗(yàn)儀器的荷載量程為20 kN，最高加載速率可達(dá)14 m/s[14].通過調(diào)節(jié)閥門，可以控制加載速率，當(dāng)拉伸速率達(dá)到預(yù)定加載速率后，再安裝試件進(jìn)行測(cè)試.所用夾具為由不銹鋼制成的楔形塊狀，可以有效地夾緊試件，避免試件在拉伸測(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，工作溫度范圍為-60～200 ℃，內(nèi)置風(fēng)扇可以使得箱內(nèi)溫度均勻變化.在室溫(25 ℃)條件下，選取0.625，1.25，2.5和5 m/s四種加載速率，加載速率與試樣標(biāo)距長(zhǎng)度的比值為名義應(yīng)變率，則對(duì)應(yīng)得到25，50和100和200 s-1四種名義應(yīng)變率；在名義應(yīng)變率為25 s-1條件下，選取-25，0，25，50，100 ℃五種溫度條件對(duì)試樣進(jìn)行測(cè)試.試驗(yàn)機(jī)內(nèi)置的位移傳感器可以記錄試驗(yàn)過程中試樣的變形，用于應(yīng)變的計(jì)算.每組測(cè)試均選取10個(gè)試樣，以減少隨機(jī)誤差的影響.荷載和位移數(shù)據(jù)采集頻率均設(shè)定為250 Hz.試樣前方的Phantom v7.3 高速相機(jī)可以對(duì)試件的拉伸破壞過程進(jìn)行記錄，采集頻率為20 000幀/秒(fps).

圖2 試驗(yàn)裝置

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 應(yīng)變率對(duì)力學(xué)性能的影響

圖3展現(xiàn)的是在室內(nèi)溫度(25 ℃)條件下，試樣在25，50，100和200 s-1應(yīng)變率下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，其中，應(yīng)力為儀器記錄的荷載與試樣橫截面積的比值.由于加載過程中試樣的反作用力降低了加載速率，試樣受到的實(shí)際應(yīng)變率不同于名義應(yīng)變率[11]，如曲線右側(cè)標(biāo)注所示；當(dāng)MTS液壓伺服高速試驗(yàn)機(jī)的加載速率較高時(shí)，會(huì)造成油泵壓力有所降低，因此，加載速率越高，名義應(yīng)變率與實(shí)際應(yīng)變率的差異越大.但總體而言，隨著名義應(yīng)變率的增加，實(shí)際應(yīng)變率也呈現(xiàn)上升趨勢(shì).

由于實(shí)際應(yīng)變率具有一定的離散性，為了便于統(tǒng)計(jì)分析，后續(xù)關(guān)于力學(xué)性能隨應(yīng)變率變化趨勢(shì)的討論將采用名義應(yīng)變率.通過對(duì)不同名義應(yīng)變率下的應(yīng)力應(yīng)變曲線進(jìn)行對(duì)比，可以看出，在名義應(yīng)變率為25 s-1時(shí)，曲線呈現(xiàn)雙峰值，這是因?yàn)椴糠掷w維首先斷裂，應(yīng)力重分布，再次達(dá)到峰值后試樣完全斷裂；而在其他3種較高應(yīng)變率下，應(yīng)力應(yīng)變曲線走勢(shì)基本相同，都是達(dá)到單一峰值后下降.初始階段的非線性區(qū)域，為AFRP內(nèi)部彎曲纖維絲拉直過程[3].對(duì)比50，100和200 s-1三種應(yīng)變率下的應(yīng)力應(yīng)變曲線可以看出，隨著應(yīng)變率的增大，下降段斜率減小，說明AFRP內(nèi)部纖維的斷裂應(yīng)變離散性大，較多的纖維在應(yīng)力達(dá)到峰值后發(fā)生斷裂.取應(yīng)力-應(yīng)變曲線下的面積作為韌性，表征單位體積的變形能.具體計(jì)算公式如式(1).

(1)

式中：UT為韌性；ε為應(yīng)變，εf為最大應(yīng)變；σ為應(yīng)力.

圖3 不同應(yīng)變率下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-strain curves at different strain rates

圖4為AFRP力學(xué)性能隨應(yīng)變率的變化趨勢(shì)圖.從整體上看，楊氏模量與拉伸強(qiáng)度變化趨勢(shì)一致，均是先升高后降低，而韌性則呈現(xiàn)相反的趨勢(shì).具體而言，當(dāng)名義應(yīng)變率由25 s-1增加到50 s-1時(shí)，楊氏模量和拉伸強(qiáng)度分別由(14.4±6.0) GPa，(243.8±38.4) MPa增加到(21.5±6.3) GPa和(293.0±41.1) MPa，增幅分別為49.3%和20.2%；而當(dāng)名義應(yīng)變率由50 s-1增加到200 s-1時(shí)，楊氏模量和拉伸強(qiáng)度呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，分別降低到(9.6±2.1) GPa和(197.6±57.9) MPa，降低幅度為55.3%和32.6%.韌性隨應(yīng)變率的增加表現(xiàn)為先降低后升高的趨勢(shì).當(dāng)名義應(yīng)變率由25 s-1增加到50 s-1時(shí)，材料的韌性由(5.14±2.12) MPa降低約8.9%至(4.68±1.52) MPa；隨著名義應(yīng)變率由50 s-1增加到200 s-1，韌性增加32.9%至(6.22±1.62) MPa.

為了更加深入地理解AFRP的應(yīng)變率效應(yīng)，表1分別列出了Kevlar 29-AFRP與Kevlar 29 纖維束的應(yīng)變率試驗(yàn)結(jié)果.其中，Kevlar 29 纖維束的應(yīng)變率測(cè)試由本課題組歐云福等人實(shí)施，具體測(cè)試過程和結(jié)果分析將另文闡述.由于AFRP復(fù)合材料的強(qiáng)度計(jì)算采用試樣的橫截面積，其纖維的體積分?jǐn)?shù)為15.5%，說明大部分面積是由承載力較低的膠體填充而成的，并且由于試樣中纖維束拉伸強(qiáng)度的隨機(jī)性、纖維束不能完全同時(shí)破壞等原因，造成AFRP復(fù)合材料的強(qiáng)度比纖維束的強(qiáng)度低.兩者的應(yīng)變率效應(yīng)表現(xiàn)為相反的趨勢(shì)，結(jié)合較高應(yīng)變率下應(yīng)力-應(yīng)變曲線的下降段斜率降低的現(xiàn)象，認(rèn)為拉伸強(qiáng)度的降低趨勢(shì)很可能是由于在較高應(yīng)變率下內(nèi)部纖維的破壞應(yīng)變更為離散，造成 AFRP 整體承載力下降.

應(yīng)變率/s-1(a) 楊氏模量

應(yīng)變率/s-1(b) 拉伸強(qiáng)度

應(yīng)變率/s-1(c) 韌性

材料種類標(biāo)距/mm應(yīng)變率/s-1楊氏模量/GPa拉伸強(qiáng)度/MPa韌性/(MJ·m-3)Kevlar29singleyarn2540123.1±13.22247±10140.5±6.980129.4±19.02439±17743.9±8.6120140.0±15.82465±20138.2±5.9160156.6±14.62691±10338.1±3.1Kevlar29AFRP252514.4±6.0243.8±38.45.14±2.125021.5±6.3293.0±41.14.68±1.5210011.4±2.5249.2±34.66.04±1.412009.6±2.1197.6±57.96.22±1.62

2．2 溫度對(duì)力學(xué)性能的影響

AFRP試樣在25 s-1應(yīng)變率，-25, 0, 50和100 ℃溫度條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖5所示，曲線離散程度較小，試驗(yàn)的重復(fù)性較好.圖6為AFRP力學(xué)性能隨溫度的變化趨勢(shì).總體來說，溫度對(duì)AFRP力學(xué)性能的影響較小.具體而言，楊氏模量隨溫度變化呈現(xiàn)出一定的波動(dòng)，拉伸強(qiáng)度呈現(xiàn)出微小的上升趨勢(shì)，而韌性隨溫度變化幾乎不變.具體而言，當(dāng)溫度從-25 ℃變化到100 ℃時(shí)，楊氏模量分別為(12.7±4.1) GPa，(15.6±3.0) GPa，(14.4±6.0) GPa，(17.4±2.5) GPa和(10.5±3.2) GPa，最大變化幅度為39.7%；拉伸強(qiáng)度分別為(226.0±9.9) MPa，(228.1±33.9) MPa，(243.8±38.4) MPa，(251.5±30.0) MPa和(252.0±24.3) MPa，增長(zhǎng)幅度為11.5%；而韌性分別為(5.12±1.15) MPa，(5.15±0.92) MPa，(5.14±2.12) MPa，(5.32±0.84) MPa和(5.21±1.08) MPa，變化幅度在3.9% 以內(nèi).

由于環(huán)氧樹脂膠體具有低溫變脆、高溫軟化的性質(zhì)，受溫度影響較大；而Kevlar 29 纖維具有良好的熱穩(wěn)定性.根據(jù)AFRP力學(xué)性能隨溫度變化不明顯的試驗(yàn)結(jié)果可以推斷，Kevlar纖維是AFRP材料承擔(dān)應(yīng)力的主要部分.楊氏模量隨溫度變化產(chǎn)生一定的波動(dòng)，有可能是由于環(huán)氧樹脂膠體與Kevlar 29 纖維熱膨脹系數(shù)不同，兩者之間存在殘余應(yīng)力和相互作用[15]；同時(shí)，由于所用膠結(jié)材料到達(dá)其玻璃化溫度，100 ℃時(shí)AFRP的彈性模量有明顯的下降.

圖5 不同溫度下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

T/℃(a) 楊氏模量

T/℃(b) 拉伸強(qiáng)度

T/℃(c) 韌性圖6 溫度對(duì)材料力學(xué)性能的影響Fig.6 Temperature effect on mechanical properties

2．3 Weibull 分析

由于試樣制作所采用的纖維織物不可避免地存在少量褶皺，造成纖維的平行程度不一致，使試樣在拉伸過程中出現(xiàn)偏心受力, 以及纖維材料存在的缺陷，都會(huì)造成AFRP試樣強(qiáng)度出現(xiàn)離散性.采用二參數(shù)Weibull概率統(tǒng)計(jì)分布[16]對(duì)拉伸強(qiáng)度進(jìn)行處理，以表征強(qiáng)度的分散程度.

二參數(shù)Weibull分布的基本形式如下：

(1)

式中：σt為拉伸強(qiáng)度;σ0為尺度參數(shù);m為形狀參數(shù).

累積概率密度由式(2)得到：

(2)

式中：N為有效測(cè)試數(shù)量；i為當(dāng)前測(cè)試編號(hào).

將式(2)代入式(1)并兩邊取對(duì)數(shù)可得回歸方程：

Yi=mXi-mlnσ0.

(3)

式中：

(4)

Xi=lnσt.

(5)

若概率圖可以回歸成一條直線，并且相關(guān)系數(shù)接近1，則說明符合Weibull二參數(shù)分布；反之，不符合.由回歸曲線的斜率和橫截距可確定m和σ0.

得到的AFRP試樣在不同應(yīng)變率和不同溫度下的累計(jì)破壞概率圖如圖7所示.表2為Weibull參數(shù)計(jì)算結(jié)果.由圖7(a)可以看出，當(dāng)應(yīng)變率由25 s-1增加到50 s-1時(shí)，曲線向高強(qiáng)度方向移動(dòng)；而當(dāng)應(yīng)變率由50 s-1增加到200 s-1時(shí)，曲線轉(zhuǎn)為向低強(qiáng)度方向移動(dòng)，與圖4結(jié)論一致.隨著溫度的升高，圖7(b)中的曲線逐漸向高強(qiáng)度方向發(fā)生少量移動(dòng)，與圖6結(jié)論一致.

表2 AFRP在不同應(yīng)變率和溫度下拉伸強(qiáng)度Weibull參數(shù)

σt/MPa(a) 不同應(yīng)變率

σt/MPa(b) 不同溫度圖7 拉伸強(qiáng)度-累計(jì)斷裂概率曲線Fig.7 Cumulative failure probability of tensile strength

2.4 應(yīng)變率和溫度對(duì)破壞形態(tài)的影響

高速相機(jī)記錄的AFRP在不同應(yīng)變率下的破壞過程如圖8所示，最終破壞形態(tài)如圖9所示.

(a) 25 s-1

(b) 50 s-1

(c) 100 s-1

(d) 200 s-1

可看出，AFRP破壞形態(tài)與應(yīng)變率無關(guān)，受力方向上纖維和環(huán)氧樹脂膠體幾乎在同一位置拉斷，纖維拔出長(zhǎng)度較短，形成較平整的斷裂面[3, 15].由于內(nèi)部纖維不可能完全平行，以及纖維束強(qiáng)度有一定的隨機(jī)性[10]，試樣斷裂面并非完全平整.由AFRP試樣在不同溫度下的拉伸破壞斷裂圖(圖10)可看出，隨著溫度的改變，破壞形態(tài)并沒有明顯的差異，斷裂面比較整齊.綜上可知，不同應(yīng)變率和溫度對(duì)AFRP力學(xué)性能有影響，而對(duì)其斷裂形態(tài)基本上沒有影響.

(a) 25 s-1

(b) 50 s-1

(c) 100 s-1

(d) 200 s-1

(a) -25 ℃

(b) 0 ℃

(c) 25 ℃

(d) 50 ℃

(e) 100 ℃

3 結(jié) 論

本研究采用Kevlar 29纖維和環(huán)氧樹脂膠體制備AFRP試樣，對(duì)其進(jìn)行4種應(yīng)變率(25，50，100，200 s-1)和5種溫度條件(-25，0，25，50，100 ℃)下的動(dòng)態(tài)拉伸測(cè)試，并針對(duì)其力學(xué)性能和破壞形態(tài)進(jìn)行了分析，得到如下主要結(jié)論：

1)在應(yīng)變率為25～50 s-1時(shí)，AFRP楊氏模量和拉伸強(qiáng)度隨著應(yīng)變率的增大而增大；大于50 s-1時(shí)，則隨著應(yīng)變率的增加而減小.韌性隨應(yīng)變率的變化趨勢(shì)與之相反.

2)在溫度為-25～100 ℃時(shí)，溫度的升高會(huì)造成AFRP的楊氏模量出現(xiàn)最大變化幅度為39.7%的波動(dòng)，拉伸強(qiáng)度增長(zhǎng)1.5%.而溫度對(duì)韌性的影響較小，最大變化范圍只有3.9%.

3)在不同應(yīng)變率和不同溫度下，AFRP的斷裂形態(tài)基本相同，都是較平整的斷裂面.

致謝：感謝美國(guó)亞利桑那州立大學(xué)Barzin Mobasher教授、姚一鳴博士對(duì)試驗(yàn)的順利進(jìn)行給予的幫助和支持.

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Experimental Study of the Mechanical Properties of AFRP under Different Strain Rates and Temperatures

ZHU Deju1?, ZHANG Xiaotong1, ZHANG Huaian, OU Yunfu1, XU Xinhua2

(1. College of Civil Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China; 2. Nantong Dawntine New Energy Equipment Co, Ltd, Qidong 226200, China)

Aramid fiber (Kevlar 29) reinforced polymers (AFRP) samples were tested by utilizing a MTS servo-hydraulic high rate testing machine in order to investigate their mechanical properties at different strain rates (25, 50, 100, and 200 s-1) and temperatures (-25, 0, 25, 50, and 100 ℃). The results show that at the same temperature (25 ℃), Young's modulus and tensile strength increase with the increase of strain rate firstly (25 to 50 s-1), and then decrease under the greater strain rate (50 to 200 s-1), while the opposite occurs for toughness. When strain rate is constant at 25 s-1, Young's modulus shows a trend of fluctuation under elevated temperatures, while the tensile strength and toughness show no substantial temperature effect. The failure patterns of AFRP samples were similar at the investigated strain rates and temperatures, and the fracture surfaces were relatively straight. Moreover, Weibull statistics were used to quantify the degree of variability in failure strength at different strain rates and temperatures.

AFRP; tensile behavior; dynamic loading; temperature effect; failure patterns

1674-2974(2017)07-0187-07

10.16339/j.cnki.hdxbzkb.2017.07.024

2016-06-16

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)項(xiàng)目(2012CB026200), Major State Basic Research Development Program of China (973 Program) (2012CB026200)；湖南省科技計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(2014WK2026), Key Projects of Hunan Science and Technology Program (2014WK2026)

朱德舉(1978-)，男，山東濟(jì)寧人，湖南大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師?通訊聯(lián)系人，E-mail:dzhu@hnu.edu.cn

TU532.3

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