復(fù)合材料環(huán)形試樣力學(xué)性能檢測研究

王寶瑞 韓蓉 魏程 張明睿 李金儒

摘 要 本文對纖維增強復(fù)合材料環(huán)形試樣的制備方法、剪切和拉伸性能的檢測方法進(jìn)行了研究。本文闡述了環(huán)纏繞法和圓筒切環(huán)法兩種試樣制備方法；明確了玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維和玄武巖纖維的干燥處理條件、纏繞張力、纏繞速度、固化前存放時間等技術(shù)參數(shù)；驗證了剪切試驗中，試樣外觀尺寸、加載頭直徑、加載速率等對剪切性能的影響；驗證了拉伸試驗中，試樣外觀尺寸、加載速率等對拉伸性能的影響。結(jié)果表明，剪切試驗中，試樣厚度為3mm，寬度為6mm，玻璃纖維試樣長度為21mm～30mm，碳纖維、芳綸纖維試樣長度為18mm～21mm，夾具加載頭直徑為6mm，加載速率為1mm/min～2mm/min；拉伸試驗中，試樣厚度為1.5mm，玻璃纖維增強塑料加載速率為3mm/min～5 mm/min，碳纖維和芳綸纖維增強塑料加載速率為2mm/min～3mm/min時，試驗數(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；試樣制備；剪切性能；拉伸性能

Study on Mechanical Properties of Composite

Ring Specimens

WANG Baorui1， HAN Rong2，WEI Cheng1，ZHANG Mingrui1，LI Jinru1

（1.Harbin FRP Institute Co.， Ltd.， Harbin 150028；

2.Harbin Institute of Petroleum， Harbin 150028）

ABSTRACT In this paper， the preparation method and the testing method of shear and tensile properties of fiber reinforced composite ring specimens were studied. Two specimens preparation methods were described， one was ring winding， the other was cylinder ring cutting. The drying conditions， winding tension， winding speed， storage time before curing and other technical parameters of glass fiber， carbon fiber， aramid fiber and basalt fiber were specified. The influence of specimen size， loading head diameter and loading rate on shear properties was verified. The effects of specimen size and loading rate on tensile properties were verified. The results show that： when the following parameters were reached， the test data was stable， had good repeatability， and the failure forms of the specimens were normal. In the shear test， the thickness of the specimen is 3mm， the width is 6mm， the length of the glass fiber specimen is 21mm～30mm， the length of the carbon fiber and aramid fiber specimen is 18mm～21mm， the diameter of the clamp loading head is 6mm， and the loading rate is 1mm/min～2mm/min. In the tensile test， the thickness of the specimen is 1.5 mm， the loading rate of glass fiber reinforced plastic is 3 mm/min～5 mm/min， and the loading rate of carbon fiber and aramid fiber reinforced plastic is 2 mm/min～3 mm/min.

KEYWORDS composite; circular specimens; specimen preparation; shear property; tensile property

1 引言

目前，衡量復(fù)合材料界面匹配性的宏觀測試方法有很多，其中環(huán)形試樣具有試樣制備方便、節(jié)省材料、測試操作簡單、降低測試成本等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于原材料的擇優(yōu)選擇與成型工藝設(shè)計，纖維增強塑料制品的性能評價、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)量評定提供技術(shù)支持，特別是纏繞成型的工藝評價與產(chǎn)品質(zhì)量控制方面，可在性能優(yōu)異的復(fù)合材料正式生產(chǎn)前提供簡單有效的測試方法［1-2］。

典型的環(huán)形試樣是一種環(huán)向纏繞成型的復(fù)合材料環(huán)形試驗件，其性能優(yōu)劣是衡量樹脂基體與纖維表面浸潤性、界面粘結(jié)性及傳遞應(yīng)力能力的重要指標(biāo)，其宏觀力學(xué)測試可以用來同時表征單向復(fù)合材料的拉伸強度和界面結(jié)合強度。所以，環(huán)形試樣是纖維增強樹脂基復(fù)合材料力學(xué)性能研究的重要手段。本文以科學(xué)技術(shù)和實踐經(jīng)驗的綜合結(jié)果為基礎(chǔ)，從試樣制備、剪切性能、拉伸性能等方面，對其重要參數(shù)進(jìn)行多方面試驗研究。

2 試樣制備

纖維纏繞增強塑料環(huán)形試件可因制作方法、工藝條件不同而對其力學(xué)性能產(chǎn)生不同影響。

2.1 制作方法對環(huán)形試樣性能的影響

環(huán)形試樣的制作方法有兩種：一是單環(huán)纏繞法；二是圓筒切環(huán)法。單環(huán)纏繞表面加工的試樣比表面不加工的試樣強度高，離散系數(shù)小。這是因為表面不加工的環(huán)，其表面不平，表面樹脂層厚度不同，尺寸偏差大。表1是環(huán)形試樣外表面加工與不加工的性能比較。

圓筒切環(huán)法比單環(huán)纏繞法復(fù)合強度低，這是因為從圓筒上切取環(huán)時，有的纖維被切斷，而單個繞制的環(huán)是由一束連續(xù)纖維組成［3］，由于試樣的含膠量存在差異，導(dǎo)致其折算強度基本相同。兩種制備方法試驗結(jié)果比較如表2所示。因此，以單環(huán)纏繞并經(jīng)表面加工的制樣方法較為適宜，但圓筒切環(huán)法也有繞制方便、效率高、數(shù)據(jù)穩(wěn)定等優(yōu)點。

2.2 纏繞張力對環(huán)形試樣性能的影響

環(huán)形試樣在制備過程中，纖維張力是一個比較重要的因素。張力大小直接影響環(huán)形試樣的含膠量及其力學(xué)性能。玻璃纖維、碳纖維和芳綸纖維等，由于本身的力學(xué)性能不同，在制作試樣的工藝過程中所施加的張力是不同的。我們分別以玻璃纖維、芳綸纖維、碳纖維和玄武巖纖維做增強材料，采用不同的張力制作環(huán)形試樣，經(jīng)試驗，獲得了不同纖維在纏繞環(huán)形試樣時，所對應(yīng)的最佳張力。

2.2.1 玻璃纖維的纏繞張力

用玻璃纖維作為增強材料，采用6種不同張力纏繞環(huán)形試樣，進(jìn)行拉伸和剪切強度試驗，其結(jié)果如表3所示。纏繞張力太小時，纖維易屈曲，不能共同承載，纖維各層間壓力也小，使環(huán)的強度偏低。而張力太大時，在環(huán)的纏繞過程中，纖維磨損嚴(yán)重，斷紗的幾率增加；同時張力過大，使環(huán)的含膠量降低。建議纏繞張力取纖維斷裂強力的5%～8%。

2.2.2 芳綸纖維的纏繞張力

芳綸纖維的纏繞張力按照玻璃纖維纏繞的最佳張力范圍進(jìn)行試驗，試驗數(shù)據(jù)如表4所示。從數(shù)據(jù)中可以看出，拉伸強度和剪切強度均在纏繞張力為纖維拉斷力的3.6%時最高，離散系數(shù)也相對較小。因此，芳綸纖維的纏繞張力應(yīng)控制在其纖維斷裂強力的3%～4%。

2.2.3 碳纖維的纏繞張力

碳纖維易產(chǎn)生斷絲、起毛現(xiàn)象。纏繞過程施加張力大時，易出現(xiàn)斷紗現(xiàn)象；施加張力如果小于纖維斷裂強力的1.2%時，也無法纏繞。所以，纏繞碳纖維環(huán)形試樣時，施加的張力值只要不使纖維損壞即可。

2.2.4 玄武巖纖維的纏繞張力

玄武巖纖維的性能與高強玻璃纖維相似，按照玻璃纖維纏繞的最佳張力范圍進(jìn)行試驗，試驗數(shù)據(jù)如表5所示，建議纏繞張力取纖維斷裂強力的5%～8%。

2.3 纖維處理條件對環(huán)形試樣性能的影響

玻璃纖維和玄武巖纖維對水有一定的吸附能力，但吸濕性較低；芳綸纖維和碳纖維均有很強的吸濕能力，這會影響纖維的浸膠性能，從而影響復(fù)合材料的力學(xué)性能。因此玻璃纖維、玄武巖纖維、芳綸纖維和碳纖維在纏繞環(huán)形試樣前都要對纖維進(jìn)行干燥處理。

2.3.1 玻璃纖維的處理

在制造試件前對纖維要進(jìn)行干燥處理，既要很快地除掉纖維表面的吸附水分，又要使纖維表面的處理劑不能因為加熱而失效。將玻璃纖維放入烘箱，升溫至80℃，用不同時間干燥，所得結(jié)果如表6所示。從表6中可知，只要恒溫3h左右，纖維表面水分就可基本除去。由于紗團(tuán)有大有小，因此將纖維烘干時間增加到8h。玻璃纖維在80℃恒溫12h的數(shù)據(jù)如表7所示，表明恒溫8h對纖維表面處理劑基本無影響。為提高效率，也可以在不影響表面處理劑條件下，采用105℃干燥2h的處理方法，數(shù)據(jù)如表8所示，表明105℃干燥2h對纖維表面處理劑無影響。纖維存放條件為室溫23℃，相對濕度為65%。

2.3.2 玄武巖纖維的處理

由于玄武巖有較低的吸濕性，其吸濕性低于0.1%，吸濕性低于芳綸纖維、巖棉和石棉，和玻璃纖維吸濕性相近，所以借鑒上述玻璃纖維處理方案，在制造試件前對玄武巖纖維進(jìn)行干燥處理，即在80℃±2℃的烘箱中干燥8h。在不影響表面處理劑條件下，可采用105℃±2℃干燥2h。

另外，玻璃纖維、玄武巖纖維即使經(jīng)過干燥處理后，但在環(huán)境濕度較大的情況下，還是會繼續(xù)吸附水分。因此，在制備環(huán)形試樣時，纖維放置環(huán)境的相對濕度不應(yīng)大于55％。

2.3.3 芳綸纖維的處理

芳綸纖維處理方法為：先將整個紗團(tuán)稱重，然后放入烘箱加熱至120℃除水，相隔一定時間快速取出再稱重，直至恒重。纖維的除水時間與纖維多少有關(guān)。芳綸纖維紗團(tuán)的除水曲線如圖1所示。從圖1中知，恒溫1h，大部分水分被除去，恒溫2h后，可基本除去所吸附的水分。纖維較少時，可用105℃干燥2h。

2.3.4 碳纖維的處理

由于碳纖維表面吸附的水分不易去掉，需要在高溫下烘去?？捎梅季]纖維去掉水分的方法，選取120℃恒溫2h，經(jīng)試驗，碳纖維基本上除去了水分。

另外，芳綸纖維、碳纖維即使經(jīng)過干燥處理后，在通常情況下，又會很快吸附水分。因此，應(yīng)將經(jīng)干燥處理的纖維置于恒溫70℃～80℃的烘箱內(nèi)，從烘箱內(nèi)取出的纖維應(yīng)立即浸膠。

2.4 纏繞速度對環(huán)形試樣性能的影響

纏繞速度影響樹脂基體對纖維的浸潤程度及試樣制作的效率。纏繞速度對環(huán)形試樣性能的影響如表9所示。試驗表明，高速纏繞時，雖然效率高，但設(shè)備工作狀態(tài)不穩(wěn)定，纖維浸漬狀況不好，剪切強度明顯降低；低速纏繞則制環(huán)效率太低。適宜的纏繞速度為60r/min左右。在這種纏繞速度下，設(shè)備工作穩(wěn)定，張力易于控制和調(diào)整，效率較高。

2.5 固化前試樣的存放時間

環(huán)形試樣纏繞后，應(yīng)立即固化。固化前的存放時間對拉伸強度、含膠量及層間剪切強度都有影響，具體數(shù)據(jù)如表10所示。隨著存放時間的增加，層間剪切強度明顯下降。

3 試驗數(shù)據(jù)

3.1 纖維纏繞增強塑料環(huán)形試樣剪切試驗

纖維纏繞增強塑料環(huán)形試樣剪切試驗是將環(huán)形試樣切割成一定長度的弧形試樣，放在試驗機(jī)上采用三點彎曲的方式，使試樣產(chǎn)生層間剪切破壞，通過測量破壞載荷，測定其層間剪切強度［4］。

纖維纏繞增強塑料環(huán)形試樣剪切性能可因厚度、長度、寬度、加載頭直徑、加載速度、跨距等因素而產(chǎn)生不同影響。

3.1.1 試樣厚度的選擇

試樣厚度對剪切強度有一定的影響，本文選擇碳纖維環(huán)形試樣，其寬度為6mm，長度為20mm，跨距為11mm，上壓頭半徑為3mm，分別對1.5mm、2.2mm、3.0mm和4.0mm等不同厚度的環(huán)形試樣進(jìn)行了對比試驗，試驗結(jié)果如表11所示。試樣厚度偏小時，破壞形式大多為上表面壓縮破壞，下表面拉伸破壞，呈現(xiàn)彎曲破壞；試樣厚度偏大時，試樣上表面擠壓破壞。試驗結(jié)果表明，試樣厚度為3mm時比較合適。

3.1.2 試樣長度的選擇

試樣的長度對剪切強度有一定的影響，對不同長度的玻璃纖維、碳纖維和芳綸纖維環(huán)形試樣進(jìn)行了對比試驗。

3.1.2.1 玻璃纖維試樣長度

對于玻璃纖維試樣長度驗證如表12所示。試樣較長時，即跨距變大，試樣容易受彎曲應(yīng)力的影響，測定強度值明顯降低。而試樣較短時，加載頭與支座距離太近，試樣受擠壓和斷紋剪切作用嚴(yán)重，試樣破壞時就不是完全層間剪切破壞，測定的強度值偏高。試驗驗證結(jié)果認(rèn)為，試樣長度定為21mm～30mm較為合理。

3.1.2.2 碳纖維和芳綸纖維試樣長度

對于碳纖維和芳綸纖維試樣長度比較如表13所示。試樣較長時，試樣易發(fā)生彎曲破壞，測定強度值較低。而試樣太短時，試樣不完全是層間剪切破壞。試驗表明，碳纖維和芳綸纖維試樣長度為18mm～21mm時，試樣破壞形式為層間剪切破壞。

3.1.3 試樣寬度的選擇

因為短梁剪切跨度很小，所以試樣寬度不應(yīng)選太大，防止橫向效應(yīng)，保持短梁的單向受力，并參照ASTM標(biāo)準(zhǔn)，選定試樣寬度為厚度的2倍，即6mm。

3.1.4 加載頭直徑的選擇

加載頭直徑對剪切試驗結(jié)果將產(chǎn)生一定的影響。加載頭直徑過小，對試樣造成較大的擠壓力，促使試樣在受壓區(qū)過早破壞。而大直徑的加載頭，又可造成試樣載荷均布化，使測定值增高，如表14所示。在試驗中，當(dāng)加載頭直徑為4mm時，試樣的上表面在壓頭處已有明顯的壓痕，因此選用6mm直徑的加載頭是比較合適的。

3.1.5 試驗速度的選擇

試驗速度對剪切試驗結(jié)果將產(chǎn)生一定的影響。表15是不同試驗速度的剪切強度對比。試驗速度過小，在破壞前易產(chǎn)生蠕變效應(yīng)，使試驗結(jié)果偏小。而試驗速度過大，易產(chǎn)生沖擊應(yīng)力。驗證試驗結(jié)果認(rèn)為試驗速度可在1～2mm/min范圍內(nèi)選擇。

3.2 纖維纏繞增強塑料環(huán)形試樣拉伸試驗

拉伸試驗采用內(nèi)徑150mm拉力圓盤形式［5］。

3.2.1 試樣厚度的選擇

試樣的厚薄對強度有一定的影響，我們對不同厚度的環(huán)形試樣進(jìn)行了對比試驗，試驗結(jié)果如表16所示。試樣厚度過小，性能不穩(wěn)定，離散系數(shù)較大，性能值也較低。而試樣厚度大于1mm時，一般隨厚度的增加拉伸強度有下降的趨勢。因此，確定拉伸試樣的厚度為1.5mm。

3.2.2 加載速度的選擇

由基本材料理論得知：過高或過低的加載速度會引起材料的蠕變效應(yīng)或速度脆化效應(yīng)，從而影響測定的強度值。加載速度對拉伸強度的影響如表17和表18所示。因此，確定玻璃纖維增強塑料的拉伸加載速度為3mm/min～5 mm/min，碳纖維和芳綸纖維增強塑料為2mm/min～3mm/min。

3.3 試驗數(shù)據(jù)

依據(jù)驗證試驗確定的試驗參數(shù)，選用不同的材料，對可操作性和重復(fù)性進(jìn)行試驗。試驗結(jié)果穩(wěn)定，重復(fù)性較好，破壞形式正常。數(shù)據(jù)如表19和表20所示；試樣及破壞形式如圖2、圖3、圖4和圖5所示。

4 結(jié)語

（1）本文明確了單環(huán)纏繞法和圓筒切環(huán)法兩種制樣方法的差異及優(yōu)劣。

（2）本文明確了玻璃纖維、碳纖維和芳綸纖維等增強材料制備環(huán)形試樣過程中，纏繞張力、預(yù)處理、干燥條件、纏繞速度、固化前存放時間等技術(shù)參數(shù)。

（3）本文驗證了玻璃纖維試樣長度為21mm～30mm、碳纖維和芳綸纖維試樣長度為18mm～21mm，厚度3mm，寬度6mm；加載頭直徑6mm，加載速率在1 mm/min～2mm/min范圍內(nèi)時，試樣破壞形式為明顯中性層界面層間剪切破壞，數(shù)據(jù)準(zhǔn)

確性、重復(fù)性較好。

（4）本文驗證的剪切方法適用范圍較窄，只適用于單向纖維纏繞增強塑料環(huán)形試樣。試樣尺寸較單一，但有利于各種材料性能間的相互比較。

（5）拉伸試樣的厚度為1.5mm，玻璃纖維增強塑料加載速度為3 mm/min～5 mm/min，碳纖維和芳綸纖維增強塑料加載速度為2 mm/min～3mm/min時，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性、重復(fù)性較好。

（6）拉伸試驗劣勢在于試樣外觀尺寸較為固定、單一，局限于夾具形式，拉伸過程中無法避免試樣彎曲形變。

本文研究的纖維纏繞增強塑料環(huán)形試樣力學(xué)性能測試，是一種基于標(biāo)準(zhǔn)外觀尺寸的試樣，易于制備，便于試驗室試驗操作的檢測手段，可方便、快速的滿足材料性能評價、過程控制的需要。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］李金亮，高小茹，李文斌.不同雙馬樹脂制備預(yù)浸料對復(fù)合材料單向板力學(xué)性能的影響［J］.纖維復(fù)合材料，2022，39（02）：20-23.

［2］范燕生，楊曉琳，賀靖，孫超明，王紹凱，顧軼卓，李敏.熱壓成型蜂窩板工藝質(zhì)量與力學(xué)性能研究［J］.纖維復(fù)合材料，2021，38（03）：7-11.

［3］ASTM D2291/D2291M-16 Standard Practice for Fabrication of Ring Test Specimens for Glass-Resin Composites.

［4］ASTM D2344/D2344M-16 Standard Test Method for Short-Beam Strength of Polymer Matrix Composite Materials and Their Laminates.

［5］GB/T1458-2008 纖維纏繞增強塑料環(huán)形試樣力學(xué)性能試驗方法.