PVDF涂層織物拉伸力學(xué)性能試驗(yàn)研究

劉 平 吳 剛 唐柏鑒 周道傳 繆 瑋

(1東南大學(xué)土木工程學(xué)院, 南京 210096)(2江蘇科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院, 鎮(zhèn)江 212005)(3蘇州科技大學(xué)土木工程學(xué)院, 蘇州 215009)

PVDF涂層織物拉伸力學(xué)性能試驗(yàn)研究

劉 平1,2吳 剛1唐柏鑒3周道傳2繆 瑋2

(1東南大學(xué)土木工程學(xué)院, 南京 210096)(2江蘇科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院, 鎮(zhèn)江 212005)(3蘇州科技大學(xué)土木工程學(xué)院, 蘇州 215009)

為獲得膜材的本構(gòu)關(guān)系規(guī)律,以SH-1050P膜材為試驗(yàn)對(duì)象, 采用紗線與拉伸方向夾角α為參數(shù)進(jìn)行單軸拉伸破壞試驗(yàn);然后進(jìn)行多比例位移加載下的雙軸拉伸試驗(yàn),得到完整的單、雙軸試驗(yàn)結(jié)果．假設(shè)膜片應(yīng)變均勻且鋪層與紗線無滑移,對(duì)單軸下膜片彈性模量與夾角α的關(guān)系進(jìn)行了理論推導(dǎo)，并獲得膜材力學(xué)參數(shù)與方向角α的解析公式．同時(shí),假設(shè)膜片在雙軸加載下為正交彈性雙向材料,求解出不同比例加載下的雙軸彈性模量與泊松比．結(jié)果表明,單軸下膜片彈性模量可按2%的應(yīng)變劃分為彈性與塑性2個(gè)階段,其值與2倍夾角的正弦成線性關(guān)系．而雙軸試驗(yàn)情況下,在1∶1等量加載時(shí),雙軸彈性模量與單軸相同;在非等量加載時(shí),雙向加載力離散越大,雙軸彈性模量離散性也越大．

膜材;雙軸試驗(yàn);力學(xué)性能;正交各向異性

與一般建筑材料不同,膜材具有非線性、各向異性及黏彈性等特征,而且離散性較大,不容易得出可供工程應(yīng)用的一般性力學(xué)參數(shù)[1-2]．膜材的力學(xué)特性是膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析的基礎(chǔ),一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)．因此,開展膜材力學(xué)性能方面的研究,尤其是其彈性模量與泊松比參數(shù)的確定,具有重要的意義．國(guó)內(nèi)外對(duì)建筑膜材開展了各類力學(xué)試驗(yàn)與分析．Minami等[3]假設(shè)膜材處于平面應(yīng)力狀態(tài),通過5種比例的雙軸試驗(yàn),由最小二乘法求解出力學(xué)常數(shù)．Gosling等[1-2]指出,膜材細(xì)觀結(jié)構(gòu)中存在經(jīng)緯紗的卷曲及相互摩擦等作用,膜材不滿足正交互補(bǔ)定律,不能用單軸拉伸試驗(yàn)預(yù)測(cè)膜材雙軸拉伸彈性常數(shù)．

衛(wèi)東等[4]測(cè)試了PVDF/PES膜材的強(qiáng)度、徐變、彈性模量,并與國(guó)外雙軸試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比．謝順利等[5]對(duì)厚度增強(qiáng)復(fù)合材料進(jìn)行研究,通過采用Z-pinned復(fù)合材料方法分析了膜材的力學(xué)特性．蔣曉梅等[6]通過對(duì)織物表面涂層的沉積過程進(jìn)行模擬,來定性分析膜材力學(xué)參數(shù)的規(guī)律．陳建穩(wěn)等[7]則對(duì)膜材的力學(xué)特性進(jìn)行了全面評(píng)估,從試驗(yàn)方法到微觀力學(xué)機(jī)理等給出了大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)并進(jìn)行了理論推導(dǎo),并結(jié)合正交異性彈性板理論給出了一些計(jì)算彈性模量的簡(jiǎn)化公式．

上述文獻(xiàn)主要對(duì)膜材的解耦彈性常數(shù)進(jìn)行了計(jì)算分析,也有些涉及耦合彈性模量[8-9]．但是均沒對(duì)經(jīng)緯向方向的變化與彈性模量的規(guī)律進(jìn)行分析,同時(shí)也假定在彈性參數(shù)與應(yīng)力比無關(guān)的條件下進(jìn)行分析．為深入分析膜材力學(xué)性能及合理利用計(jì)算所得常數(shù),有必要對(duì)不同經(jīng)緯向的彈性模量的計(jì)算理論及變化規(guī)律開展研究．本文對(duì)建筑常用膜材PVDF進(jìn)行了單軸及雙軸試驗(yàn),得出其力學(xué)參數(shù);假定膜材為復(fù)合纖維材料,纖維與基質(zhì)無滑移,對(duì)膜材不同角度下的彈性模量進(jìn)行理論推導(dǎo)并得出了解析公式．理論公式與試驗(yàn)結(jié)果符合良好,能夠較好地解釋試驗(yàn)現(xiàn)象．

1 試驗(yàn)概況

單軸拉伸試驗(yàn)方法與傳統(tǒng)的拉伸試驗(yàn)方法相同,而雙軸拉伸試驗(yàn)則在上海交通大學(xué)臨近空間中心拉伸實(shí)驗(yàn)室自制的多功能薄膜試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行(見圖1),加載速度為10 mm/min．試驗(yàn)環(huán)境如下:溫度為(25±2)℃、濕度為(65±2)%．本次試驗(yàn)采用的膜布為建筑上常用的PVDF材料[10-11],型號(hào)為SH-1050P,其出廠標(biāo)定參數(shù)見表1．測(cè)定此類膜材的彈性模量時(shí),試驗(yàn)應(yīng)力控制在實(shí)際工況的應(yīng)力范圍內(nèi),因此經(jīng)、緯向最大拉力設(shè)定為30 kN．

圖1 雙軸拉伸試驗(yàn)機(jī)械

基布類型紗線強(qiáng)度/(N·dtex-1)經(jīng)緯紗線密度/(yarn·cm-1)基布克重/(g·m-3)總密度/(g·m-3)經(jīng)緯拉伸強(qiáng)度/(N·(5cm)-1)經(jīng)緯撕裂強(qiáng)度/N剝離強(qiáng)度/(N·cm-1)高強(qiáng)滌綸絲110012,1227010504200,4500550,500>120/5

單向試件為長(zhǎng)帶型,寬度B=50 mm,膜帶中間自由有效長(zhǎng)度L0=200 mm,厚度0.6 mm．膜材長(zhǎng)度L0方向的(見圖2(a))稱為經(jīng)向(0°)，與長(zhǎng)度方向垂直的寬度B方向稱為緯向(90°)．本次試驗(yàn)在0～90°之間每15°取一種試件,共7種試驗(yàn)工況;根據(jù)德國(guó)膜材測(cè)試規(guī)范規(guī)定,每組試件最少取3個(gè)．雙向試件為十字形切縫試樣,核心區(qū)域尺寸為16 cm×16 cm,懸臂長(zhǎng)16 cm．試樣按照膜材的經(jīng)緯向?qū)ΨQ取樣,且試樣核心區(qū)域的臂寬以及懸臂的臂長(zhǎng)均不小于16 cm．沿懸臂方向間隔3.2 cm做均勻切縫處理,試樣過渡圓弧半徑5～15 mm．夾持長(zhǎng)度為10 cm,試件的裁剪應(yīng)盡量沿著膜材兩相鄰紗線的中間進(jìn)行,避免紗線散失．試件示意圖如圖2(b)所示,其中經(jīng)緯向應(yīng)力比為1∶1,1∶2,2∶1;每組試件3個(gè),共9個(gè)．

(a) 單軸試樣

(b) 雙軸試樣(單位:cm)

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 單軸加載

單軸情況下,分別對(duì)繞經(jīng)向0,15,30,45,60,75,90°七種情況進(jìn)行試驗(yàn),以分析拉伸方向與紗線之間夾角對(duì)膜材料力學(xué)性能的影響．圖3分別給出了0,30,60,90°情況下的加載力-位移試驗(yàn)結(jié)果．

(a) 0°單軸拉伸試驗(yàn)(b) 30°單軸拉伸試驗(yàn)

(c) 60°單軸拉伸試驗(yàn)(d) 90°單軸拉伸試驗(yàn)

從圖3可看出,膜材基本上呈現(xiàn)雙線性彈性特征．在變形4 mm(應(yīng)變0.02)內(nèi)曲線斜率(彈性模量Ee)較大;4 mm之后出現(xiàn)一段較長(zhǎng)的塑性段,曲線斜率(塑性模量Ep)較?。畣屋S情況下試驗(yàn)結(jié)果見表2,其中彈性模量及破壞荷載為試驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值,均方差最大為0.03,說明試驗(yàn)結(jié)果離散性較?。?/p>

表2 單軸試驗(yàn)結(jié)果

2.2 雙軸加載

雙軸加載情況下,針對(duì)典型的經(jīng)緯向應(yīng)力比1∶1,1∶2,2∶1三種條件進(jìn)行了加載試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示．除1∶1應(yīng)力比外,1∶2,2∶1兩種條件下數(shù)據(jù)波動(dòng)非常劇烈,表明膜材料的離散性較強(qiáng)．雙軸試驗(yàn)應(yīng)變值是考慮泊松比影響的總應(yīng)變,要得出單軸情況下的彈性模型,需要將經(jīng)、緯向數(shù)據(jù)耦合考慮來求解膜材的力學(xué)參數(shù)[12-13]．

單軸情況下可以認(rèn)為其本構(gòu)關(guān)系呈雙線性彈性關(guān)系．但是這種規(guī)律在雙軸試驗(yàn)中表現(xiàn)并不明顯．通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合分析可看出,均方差值比較小,可以滿足工程需要．因此,可以認(rèn)為此型號(hào)膜材為彈性材料．為了簡(jiǎn)單起見,采用平面內(nèi)正交各向異性彈性本構(gòu)模型[14-15]進(jìn)行分析,各項(xiàng)彈性參數(shù)見表3．

表3為雙軸試驗(yàn)各項(xiàng)結(jié)果不作修正及修正后的數(shù)值．不修正計(jì)算結(jié)果即不考慮泊松比影響的計(jì)算結(jié)果;修正后數(shù)值即考慮了經(jīng)、緯向數(shù)據(jù)耦合影響的結(jié)果．從修正后結(jié)果來看,1∶1應(yīng)力比情況下與單軸試驗(yàn)結(jié)果相接近,其他加載比例下,彈性模量與單軸試驗(yàn)結(jié)果相差較大,且應(yīng)力較大時(shí)彈性模量也較大;泊松比結(jié)果離散性較弱,平均值在0.11附近．這種較為明顯的差異是由于經(jīng)、緯向紗線與涂層的復(fù)雜相互作用引起的．

(a) 緯向1∶1加載(b) 經(jīng)向1∶1加載

(c) 緯向1∶2加載 (d) 經(jīng)向1∶2加載

(e) 緯向2∶1加載 (f) 經(jīng)向2∶1加載

應(yīng)力比1∶11∶22∶1緯向彈性模量/MPa204/160116/98197/232經(jīng)向彈性模量/MPa295/183109/88-56/87泊松比無/0.11無/0.09無/0.13

3 理論分析

根據(jù)膜片的生產(chǎn)過程可知,膜片單元如圖5(a)所示．其中紗線呈正交布置而鋪層則覆蓋紗線．圖5(b)為紗線之間的一片單元受力示意圖．假設(shè)膜片單元應(yīng)變均勻且紗線與鋪層之間無滑移．設(shè)紗線經(jīng)、緯向在膜片的折合彈性模量為E1,E2;與拉伸方向的夾角分別為θ1,θ2,經(jīng)、緯向正交,有θ1+θ2=π/2．膜片拉伸向截面面積為A．設(shè)膜片在拉伸方向應(yīng)變?yōu)棣?則紗線應(yīng)變?yōu)棣舠=εcos(θi),其中,i=1,2．

根據(jù)膜片結(jié)構(gòu)知,紗線受力為形變產(chǎn)生的應(yīng)力與鋪層對(duì)紗線的剪應(yīng)力之和．形變?cè)诶旆较虍a(chǎn)生的拉力為:E1εcos2(θ1)+E2εsin2(θ1)．設(shè)經(jīng)線方向?qū)︿亴赢a(chǎn)生的剪應(yīng)力為T1,由剪應(yīng)力互等定理知,鋪層緯向方向的剪應(yīng)力T2=T1(見圖5(b))．則剪應(yīng)力在紗線上拉伸方向產(chǎn)生的力可表示為Esεcos(θ1)sin(θ1),Es為由膜片尺寸、紗線間距、膜片剪切模量決定的常數(shù),并且方向與形變產(chǎn)生的力相反．由經(jīng)、緯向紗線相互作用知,紗線在拉伸向的合力為

(a) 膜片簡(jiǎn)化(b) 膜片單元分析

F=E1εcos2(θ1)+E2εsin2(θ1)-
2Esεsin(θ1)cos(θ1)

則紗線在拉伸方向的折合模量為

E′=E1cos2(θ1)+E2sin2(θ1)-Essin(2θ1)

(1)

本文選取的膜材經(jīng)、緯向紗線分布相同,因此E1=E2,夾角為α．式(1)可簡(jiǎn)化為

E′=E1-Essin(2α)

再加上鋪層的彈性模量,則膜材在拉伸方向的模量為

E=Eb-Essin(2α)

(2)

式中,Eb為鋪層模量與紗線折合模量之和;Es需要試驗(yàn)確定．從式(2)可看出,彈性模量與2α成正弦關(guān)系,α=45°時(shí)彈性模量最?。陔p軸拉伸時(shí),由于1∶1經(jīng)、緯向應(yīng)變相等,應(yīng)變夾角為45°,因此試驗(yàn)結(jié)果最均勻,沒有波動(dòng);而當(dāng)經(jīng)、緯向拉伸為其他比例時(shí),角度不斷變化,因此試驗(yàn)結(jié)果波動(dòng)較大(見圖4)．此外,由于本文膜材鋪層模量與紗線模量未知,因此Eb,Es均需要試驗(yàn)確定;而且由于紗線模量大、屈服應(yīng)變小,因此其在試驗(yàn)中首先屈服,而此時(shí)鋪層仍處于彈性段,所以膜材呈兩段線性關(guān)系．方便起見,本文仍稱第二階段為塑性段．

根據(jù)式(2),試驗(yàn)結(jié)果采用最小二乘法回歸分析,可得

Ee=158+139sin(2α),Ep=74+56sin(2α)

曲線對(duì)于45°成對(duì)稱分布．回歸結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見圖6,由圖可見,理論預(yù)測(cè)規(guī)律與試驗(yàn)結(jié)果符合良好．但60°試驗(yàn)結(jié)果中Ee誤差較大,根據(jù)已知的紡織理論,可以認(rèn)為:雖然紗線正交且材質(zhì)、經(jīng)緯向單位數(shù)量相同,但是由于膜材成型時(shí),先在經(jīng)向紗線拉直再穿織緯向紗線,因此膜材在2個(gè)方向變形時(shí),經(jīng)、緯向紗線的相互影響并不相等(與紡織工藝有關(guān))．一般而言,經(jīng)向紗線對(duì)緯向紗線作用力較強(qiáng),而緯向紗線對(duì)于經(jīng)向紗線作用力較弱．因此在60°時(shí),緯向紗線變形為主,相互作用力較弱．而在進(jìn)行理論分析時(shí)并沒有考慮這種差異,因此產(chǎn)生了較大誤差．

(a) 彈性模量

(b) 塑性模量

4 結(jié)論

1) 在單軸荷載作用下可認(rèn)為膜材符合雙線性彈性模型,其中彈性段應(yīng)變區(qū)間為0～0.02．

2) 雙向應(yīng)力情況下,膜材可看作正交各向異性彈性材料．膜材的彈性模量與應(yīng)力比相關(guān)，而泊松比與應(yīng)力比無關(guān);雙向應(yīng)力相同(應(yīng)力比1∶1)的情況下,其彈性模量與單軸一致．

3) 推導(dǎo)出膜材單向拉伸下彈性模量與鋪層及紗線的折合模量成正比,與2倍夾角的正弦成正比,理論公式為E=Eb-Essin(2α)．

致謝本文實(shí)驗(yàn)均在上海交通大學(xué)臨近空間結(jié)構(gòu)中心陳務(wù)軍教授實(shí)驗(yàn)室完成．對(duì)于陳務(wù)軍教授、高成軍博士的指導(dǎo)與幫助,在此表示真誠(chéng)感謝．

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ExperimentalstudyonmechanicalpropertiesofPVDFtextile

Liu Ping1,2Wu Gang1Tang Baijian3Zhou Daochuan2Miao Wei2

(1School of Civil Engineering, Southeast University,Nanjing 210096, China) (2School of Civil Engineering and Architecture, Jiangsu University of Science and Technology,Zhenjiang 212005, China) (3School of Civil Engineering, Suzhou University of Science and Technology, Suzhou 215009, China)

To obtain the constitutive model of membrane, the uniaxial tensile failure experiments of SH-1050P textile were carried out using the angle of yarn and tensile direction as the parameters. Besides, the biaxial tensile test under biaxial loading with multiple loading ratio was also conducted to obtain the complete uniaxial/biaxial test data. The analytical formula about the relationship between the elastic modulus and the angle was derived based on the assumption that the strains of all the membranes are uniform and there is no slippage between ply and yarn, which can explain the experimental phenomena well. Meanwhile, the biaxial elastic modulus and Poisson’s ratio under different proportional loading were obtained with the assumption of the membrane being a biaxial orthogonal elastic model under biaxial loading. The results show that the elastic modulus of the uniaxial test can be divided into the elasticity and plasticity stages according to the ultimate elastic strain of 2%. Both two elastic modulus values are proportional to 2 times of angle. As for the bi-axial test, the elastic modulus is the same as that of the uniaxial test when the loading ratio is 1∶1, and the discreteness of elastic modulus increases with the discreteness of the loading ratio.

membrane; bi-axial test; mechanical property; orthotropic

10.3969/j.issn.1001-0505.2017.06.018

TU599

A

1001-0505(2017)06-1195-06

2017-04-10.

劉平(1983—)，男，博士，講師，liupinghaiyan@163.com.

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51508238)、江蘇省博士后科研基金資助項(xiàng)目(1601014B).

劉平,吳剛,唐柏鑒,等.PVDF涂層織物拉伸力學(xué)性能試驗(yàn)研究[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2017,47(6):1195-1200.

10.3969/j.issn.1001-0505.2017.06.018.