復(fù)合材料圓筒切取環(huán)形試樣拉伸性能檢測(cè)方法研究

王寶瑞 韓蓉 李剛 張明睿 李金儒

摘 要 本文對(duì)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料圓筒切取環(huán)形試樣拉伸性能的檢測(cè)方法進(jìn)行了研究，本方法試樣制備和試驗(yàn)操作方便、快捷，可有效檢測(cè)筒體環(huán)向的拉伸強(qiáng)度。本文明確了使用此方法具體的試樣形式、外觀尺寸以及試驗(yàn)夾具的形式。試驗(yàn)制備了多種規(guī)格的環(huán)形試樣，且對(duì)試樣尺寸、U型缺口半徑和加載速率等進(jìn)行了相應(yīng)的驗(yàn)證試驗(yàn)。結(jié)果表明，環(huán)形試樣采用180°對(duì)稱U型缺口形式，縮減面最小寬度應(yīng)≥14mm，U型缺口半徑應(yīng)≥9mm，試驗(yàn)夾具采用劈裂圓盤形式，加載速度在2.5 mm/min～12.5 mm/min之間時(shí)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定，具有較好的可重復(fù)性，且試樣破壞形式正常。

關(guān)鍵詞 復(fù)合材料；環(huán)形試樣；拉伸性能；圓筒

ABSTRACT? In this paper， the testing method of tensile properties of circular specimens cut from fiber reinforced composite cylinders is studied. This method is convenient and fast for sample preparation and test operation. It can effectively test the tensile strength of the ring. This paper defines the sample structure， appearance dimension and fixture structure for using this method. Ring specimens of various specifications were prepared， and corresponding verification tests were carried out on specimen size， u-notch radius and loading rate. The results show that： When the ring sample adopts 180 ° symmetrical U-shaped notch， the minimum width of the reduced surface is greater than 14mm， the radius of the U-shaped notch is greater than 9mm， the test fixture adopts split disc， and the loading speed is between 2.5 mm/min and 12.5 mm/min， the test data is stable， and have good repeatability， and the sample failure form is normal.

KEYWORDS? composite; circular specimens; tensile strength; cylinders

１ 引言

復(fù)合材料科學(xué)是當(dāng)今科學(xué)技術(shù)發(fā)展的四大重要支柱（材料、能源、信息、生物）之一。先進(jìn)材料對(duì)高精尖技術(shù)的發(fā)展有重要作用，其輕質(zhì)、高比模、高比強(qiáng)、抗高低溫、耐腐蝕的優(yōu)良特性在軍工、民用上均受到了青睞[1]。復(fù)合材料不僅在航空工業(yè)的發(fā)展中發(fā)揮著重要作用，還在汽車、生物醫(yī)療、軍工制造、海洋工程技術(shù)、電子硬件等方面具有廣泛的應(yīng)用并取得了改善人類生活的巨大成果[2]。在新材料的研發(fā)過程及工程應(yīng)用中，經(jīng)常要對(duì)不同的組分材料試樣、復(fù)合材料試樣和構(gòu)件試樣進(jìn)行各種形式的材料性能實(shí)驗(yàn)，以獲取所需的材料和結(jié)構(gòu)性能參數(shù)。近年來，國內(nèi)外研究人員除了在材料制備和試驗(yàn)方面做了大量工作外[3，4]，還從不同的側(cè)面提供了大量有用的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為指導(dǎo)材料的設(shè)計(jì)和改進(jìn)制備工藝提供了有力依據(jù)。目前衡量復(fù)合材料界面匹配性的宏觀測(cè)試方法有很多，其中，環(huán)形試樣具有試樣制備方便、節(jié)省材料、測(cè)試操作簡(jiǎn)單、降低測(cè)試成本等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于原材料的擇優(yōu)選擇與成型工藝設(shè)計(jì)，纖維增強(qiáng)塑料制品的性能評(píng)價(jià)為工藝方法和工藝參數(shù)的確定提供依據(jù)，為選材、產(chǎn)品質(zhì)量評(píng)定提供技術(shù)支持，特別是纏繞成型的工藝評(píng)價(jià)與產(chǎn)品質(zhì)量控制方面，為復(fù)合材料正式生產(chǎn)前提供簡(jiǎn)單有效的測(cè)試方法。環(huán)形試樣是一種纏繞成型的復(fù)合材料環(huán)形試驗(yàn)件，其性能優(yōu)劣是衡量樹脂基體與纖維的表面浸潤(rùn)性、界面粘結(jié)性及傳遞應(yīng)力能力的重要指標(biāo)，它的宏觀力學(xué)測(cè)試可以用來同時(shí)表征復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和界面結(jié)合強(qiáng)度。所以，環(huán)形試樣是纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料力學(xué)性能研究的重要手段。

以往的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)形試樣是單向的、具有固定外觀尺寸的復(fù)合材料環(huán)，本文研究的檢測(cè)方法是可以由復(fù)合材料圓筒構(gòu)件直接切取，并施以機(jī)械加工獲得。此方法可更為直觀的獲得筒狀構(gòu)件環(huán)向拉伸性能，方法簡(jiǎn)單、便捷。復(fù)合材料構(gòu)件中，筒狀構(gòu)件應(yīng)用較多，諸如深水耐壓筒、通信塔桿、直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)尾軸管、火星車探測(cè)雷達(dá)定向天線壓緊座、水處理管道等，以及薄壁、高剛度、定膨脹系數(shù)、高剪切、耐空間環(huán)境、柱形壓力容器等構(gòu)件，所以，本文研究的測(cè)試方法可廣泛應(yīng)用于纖維纏繞增強(qiáng)塑料筒狀構(gòu)件環(huán)向拉伸性能的檢測(cè)。

2 試驗(yàn)方法

拉伸性能是復(fù)合材料力學(xué)性能中最為基礎(chǔ)，且最為重要的參數(shù)之一。許多結(jié)構(gòu)鋪層的設(shè)計(jì)、優(yōu)化都是以拉伸數(shù)據(jù)作為依據(jù)。本文將分別從試樣形式及外觀尺寸、夾具形式、試驗(yàn)參數(shù)等方面進(jìn)行試驗(yàn)研究。

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)中，試樣制備選用碳纖維和玻璃纖維兩種增強(qiáng)材料，樹脂體系為環(huán)氧樹脂的復(fù)合材料圓筒，可以使用任何適宜的機(jī)械加工方法，從增強(qiáng)熱固性樹脂筒體上切割下完全直徑、完全壁厚的環(huán)形試樣，并加以后續(xù)的機(jī)械加工。加工其縮減面可以是一個(gè)或是兩個(gè)，如果有兩個(gè)縮減面，應(yīng)在相距180°的位置，橫斷面應(yīng)在相對(duì)于試樣寬度的中心位置。試驗(yàn)選用的筒體內(nèi)徑分別為80mm、90mm、100mm、111mm、135mm和145mm，筒體壁厚分別為0.7mm、1.0mm、1.2mm、1.9mm、2.1mm和2.4mm，其中，碳纖維復(fù)合材料圓筒和玻璃纖維復(fù)合材料筒體各3種規(guī)格，每種規(guī)格試樣的鋪層均不相同。本文選用兩個(gè)縮減面形式，試樣形式示意如圖1所示，試樣實(shí)物如圖2所示。

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)儀器選用INSTRON5900系列復(fù)合材料萬能靜力試驗(yàn)機(jī)，載荷傳感器量程內(nèi)精度保證0.5%，數(shù)據(jù)采集頻率最大2.5KHz，速度控制范圍0.00005mm/min～1000mm/min。試驗(yàn)夾具采用劈裂圓盤形式，其拉力圓盤寬度應(yīng)大于試樣寬度，直徑應(yīng)盡可能與試樣內(nèi)徑相近，即與復(fù)合材料圓筒內(nèi)徑相近。試驗(yàn)加工了兩種開口寬度的U型夾具，以及多種直徑的拉力圓盤。試驗(yàn)夾具示意如圖3所示，試驗(yàn)夾具實(shí)物如圖4所示。

2.3 性能檢測(cè)及結(jié)果

試驗(yàn)中，首先測(cè)量試樣縮減面的最小寬度和厚度，精度精確到0.01mm；將試樣安裝至試驗(yàn)夾具內(nèi)，試樣縮減面中心處對(duì)準(zhǔn)拉力盤的縫隙處，如圖5所示，試樣與拉力圓盤的接觸表面要加以潤(rùn)滑；啟動(dòng)試驗(yàn)機(jī)均勻、連續(xù)地對(duì)試樣施加載荷，直到破壞，記錄破壞載荷及破壞形式，最后，按照公式（1）進(jìn)行計(jì)算。

復(fù)合材料試樣存在非均勻性和泊松效應(yīng)，試樣的外觀尺寸對(duì)強(qiáng)度有一定的影響。首先，對(duì)試樣縮減面的最小寬度進(jìn)行試驗(yàn)確定。試驗(yàn)選用內(nèi)徑111mm，壁厚2.4mm的碳纖維復(fù)合材料圓筒，切取并制備了U型缺口半徑為9mm，縮減面最小寬度分別為5mm、10mm、14mm和20mm四種規(guī)格的試件，我們對(duì)不同寬度的環(huán)形試樣進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，每組5件試樣，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。數(shù)據(jù)分析可以看出，試樣縮減面最小寬度過小，未能覆蓋一個(gè)完整的纏繞單元，且邊界效應(yīng)明顯，性能不穩(wěn)定，離散系數(shù)較大，性能值也較低。而試樣縮減面最小寬度大于14mm時(shí)，拉伸強(qiáng)度較為穩(wěn)定，破壞形式正常。因此，確定拉伸試樣的寬度為大于14mm較為適宜。

其次，對(duì)試樣U型缺口的半徑進(jìn)行試驗(yàn)確定。由于試驗(yàn)的拉力盤夾具采用的是兩個(gè)劈裂圓盤形式，在對(duì)環(huán)形試樣施加拉伸加載時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一定的應(yīng)力集中，U型缺口試樣的弧面變化，可使應(yīng)力梯度變化，約束了試樣的失效行為，使試樣在縮頸位置破壞，有效減小應(yīng)力集中度。試驗(yàn)選用內(nèi)徑111mm，壁厚2.4mm的碳纖維復(fù)合材料筒，切取并制備了縮減面最小寬度為14mm，U型缺口半徑分別為2mm、5mm、9mm和15mm四種規(guī)格的試件，我們對(duì)不同寬度的環(huán)形試樣進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，每組5件試樣，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。數(shù)據(jù)分析可以看出，試樣U型缺口半徑過小，應(yīng)力集中度較大，性能值較低。而試樣U型缺口半徑大于9mm時(shí)，拉伸強(qiáng)度較為穩(wěn)定，破壞形式正常。因此，確定拉伸試樣的U型缺口半徑大于9mm較為適宜。

復(fù)合材料試樣在不同速率載荷作用下，會(huì)呈現(xiàn)出不同的力學(xué)承載能力，不同的加載速率，會(huì)導(dǎo)致不同失效模式和破壞形式，確定試驗(yàn)的有效加載速率范圍，對(duì)評(píng)估出材料的實(shí)際力學(xué)性能尤為重要。試驗(yàn)選用內(nèi)徑111mm，壁厚2.4mm，U型缺口半徑為14mm的碳纖維復(fù)合材料筒制備環(huán)形試樣，對(duì)同批次試件進(jìn)行分別為1mm/min、2.5mm/min、8mm/min、12.5mm/min和15mm/min五種加載速率作用下的拉伸力學(xué)性能試驗(yàn)。結(jié)果表明，隨加載速率的增加，試件抗拉強(qiáng)度增大；加載速率高低影響復(fù)合材料內(nèi)部損傷的擴(kuò)展行為，在較低的加載速度下，引起蠕變效應(yīng)，內(nèi)部損傷較長(zhǎng)的時(shí)間進(jìn)行充分?jǐn)U展，從而使復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的完整性降低，表現(xiàn)為破壞時(shí)的部分結(jié)構(gòu)承載；在適當(dāng)?shù)募虞d速率下，內(nèi)部損傷擴(kuò)展均勻，保持了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的相對(duì)承載能力，表現(xiàn)出了較高的承載能力；而過高的加載速率，引起脆化效應(yīng)，導(dǎo)致承載能力一定程度下降。不同加載速度對(duì)拉伸強(qiáng)度的影響數(shù)據(jù)如表3所示。從數(shù)據(jù)可以看出，數(shù)據(jù)呈現(xiàn)正拋物分布，拉伸加載速度2.5 mm/min～12.5 mm/min之間，材料性能較為穩(wěn)定，區(qū)間外呈衰減趨勢(shì)。

根據(jù)上述驗(yàn)證試驗(yàn)確定的試樣尺寸及試驗(yàn)參照數(shù)，選用不同的材料，不同規(guī)格的試樣，對(duì)方法的可操作性和重復(fù)性進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明，試驗(yàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定，重復(fù)性較好，破壞形式正常。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示，破壞形式如圖6所示。

3 結(jié)語

（1）復(fù)合材料圓筒切取環(huán)形試樣拉伸方法，可以檢測(cè)出筒體實(shí)際的環(huán)向拉伸強(qiáng)度，方法簡(jiǎn)便、高效，具有較好的操作性，結(jié)果具有較好的可重復(fù)性；

（2）試驗(yàn)證明，試樣縮減面的最小寬度應(yīng)≥14mm，寬度較小會(huì)導(dǎo)致邊界效應(yīng)明顯，數(shù)據(jù)離散增大；

（3）環(huán)形試樣的拉伸強(qiáng)度與過渡段U型缺口半徑密切相關(guān)。U型缺口半徑≥9mm時(shí)，過渡段圓弧半徑較大，應(yīng)力集中度降低，拉伸強(qiáng)度也相對(duì)較高；

（4）環(huán)形試樣的拉伸強(qiáng)度與加載速率密切相關(guān)。加載速率在2.5 mm/min～12.5 mm/min之間時(shí)，可發(fā)揮出材料的實(shí)際性能，拉伸強(qiáng)度較大，超出速率區(qū)間，則強(qiáng)度略有降低；

（5）通過自動(dòng)校直劈裂圓盤測(cè)試裝置對(duì)被測(cè)試樣加載。測(cè)試獲得的是表觀拉伸強(qiáng)度，與實(shí)際的拉伸強(qiáng)度仍存在較小的誤差，因?yàn)樵跍y(cè)試中，圓盤測(cè)試裝置的裂口與裂口之間產(chǎn)生了彎矩[5]。在兩圓盤分離時(shí)，環(huán)形試樣在圓盤兩部分間的外形變化引起了這一力矩。所以，試驗(yàn)中設(shè)置測(cè)試裝置外徑與環(huán)形試樣內(nèi)徑相近，可使彎矩對(duì)試驗(yàn)的影響減至最小。

（6）U型缺口試樣也有一定的應(yīng)力集中度，但對(duì)于復(fù)合材料筒體構(gòu)件環(huán)向拉伸強(qiáng)度來說，此方法較其它試樣方法更為適用，數(shù)據(jù)更符合實(shí)際工況，試樣制備更為簡(jiǎn)便。對(duì)于壁厚較大或內(nèi)徑較大的構(gòu)件，此方法可能仍存在一定的局限性，不適用于實(shí)驗(yàn)室操作。

（7）劈裂圓盤拉伸試驗(yàn)在接近試驗(yàn)狀態(tài)下使用時(shí)，為復(fù)合材料筒體環(huán)形拉伸強(qiáng)度提供了合理、準(zhǔn)確的信息。為研究與發(fā)展、工程設(shè)計(jì)、質(zhì)量控制、根據(jù)規(guī)范驗(yàn)收或拒收以及特殊用途提供數(shù)據(jù)支撐。

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