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高强度、高模量碳纤维单向板拉伸性能测试技术李砾( 北京卫星制造厂北京1 0 0 0 8 0 )提要本文介绍使用i N S T R O N 6 0 2 5 电子万能试验机，测量不同厚度高强度、高模量碳纤维单向板拉伸性能，初步探讨不同铺层层数以及应变测量方法、试验加载方式、试样装卡方面对高强度、高模量碳纤维复合材料单向板力学性能测试的影响。关键词碳纤维复合材料拉伸性能应变测量一引言碳纤维及其复合材料具有高比强度、高比模量，此外在抗冲击、抗疲劳性能、减摩耐磨性能、自润滑性能、耐腐蚀以及耐热性等方面都有显著优点，它们即作为结构材料承载负荷，又可作为功能材料发挥作用。目前已应用在航天产品的外层材料、人造卫星、火箭的机架、壳体和天线构架。随着科学技术的发展，人们又相继开发出高强度、高模量M J 系列碳纤维，这类纤维与商韧性热固性树脂复合时可大大改善其破坏韧性，更适于飞机、航天E 行器、导弹等的结构材料，本文对高强度、高模量碳纤维单向板，铺层方向纵向( 0 0 ) ，铺层层数不同( 6 2 0 层) 的试样进行拉伸强度、拉伸模量、泊松比性能测试，初步探讨不同铺层层数、应变测量方法、试验拉伸速度、试样装卡方面对高强度、高模量碳纤维复合材料单向板力学性能测试的影响。二测试方法I 试样制各将厚度为0 1m m 的高强度、高模量碳纤维预浸料贴合成不同厚度的叠层板，按相关固化工艺制备成纵向( 0 0 ) 方向层合板，经机加切割成长度2 3 0 r a m宽度1 5 m m 试样，并分别在试样两端粘贴1 5 m m 厚的铝合金加强片，制作成测试试样。试样见右图。9 9 2 试验设备通过I N S T R O N - - 6 0 2 5 电子万能试验机完成力学性能测试，用1 0 0 K N 载荷传感器进行力值测量。用D H - 3 8 1 5 静态应变测量仪器进行应变测量。最后运用I N S T R O N - - 6 0 2 5电子万能试验机的S e r i e s - I X 软件进行数据处理。3 测试方法3 1 测定高强度、高模量碳纤维单向板弹性性能，由于碳纤维复合材料自身的特点，高强度、高模量碳纤维单向板弹性性能的测试采用电阻应变片方法。应变片选用箔式电阻应变片，规格：5 3 ；电阻：1 2 0 Q ；灵敏系数：2 1 8 。应变片与试样的粘贴用5 0 2 快速胶粘剂。在试样工作段分别粘贴纵、横向应变片，试样正反两面都要粘贴应变片。并与静态应交测量仪器相连接进行应变测量。测定高强度、高模燕碳纤维单向板拉伸模量、泊松比时，拉伸速度为l m m m i n ，采用分级加载，级差为破坏载荷的5 1 0 ，至少要加六级，并记录各级载荷与相应的应变值，将测试数据通过公式计算拉伸模量、泊松比。3 2 测定高强度、高模量碳纤维单向板拉伸性能由于碳纤维复合材料是具有高各向异型的脆性材料，试验装卡要非常认真，要保证良好的对中性。试验采用手动楔型拉伸夹具装卡试样，先将试样的下端夹紧，之后夹紧试样上端，手动夹紧试样时用力要缓慢均匀，避免不正确的试样装卡影响测试结果。测定高强度、高模量碳纤维单向板拉伸强度时，拉伸速度为5 r a m r a i n 。连续加载直至试样破坏，记录试样破坏时的最大载荷值，通过公式计算拉伸强度。3 3 计算：拉伸强度式中：拉伸模量式中：泊松比O 。= 列b h拉伸强度( M p a )试样破坏时的最大载荷值( N )试样宽度( m m )试样厚度( r n m )E 2 P L b h LE t 一拉伸弹性模量( M p a )Z X P 一载荷- 变形曲线上初始宜线段的载荷增量( N )x L 一与P 对应的标距L 内的变形增量( m m )L 一测量标距( m m )式中：L T pL T 。一2T 8L泊松比与P 相对应的纵向( L 向) 应变与P 相对应的横向( T 向) 应变1 0 0 =三测试结果与分析1 测试结果试样规格：2 5 0 m m X1 5 m m X 0 “2 0 m m铺层方向：纵向( 0 0 )加强片规格：6 0 m m 1 5 m m x1 5 m m 倒角7 0测试数据如一I - ：层数1 1 =67891 01 l1 32 0O t M p a )1 4 6 31 7 3 71 6 3 41 6 0 91 7 7 21 6 0 61 6 1 41 3 l OE t ( G p a )3 6 73 7 l3 6 43 5 23 7 13 3 63 4 33 3 7UL T0 2 8O 2 6O 3 00 3 lO 2 90 3 40 2 60 3 02 分析2 1 从测试结果看，试样层数6 层、2 0 层，拉伸强度数据偏低，因为碳纤维复合材料在静载下受均匀应力时，对尺寸效应较敏感。对于较厚试样，其拉伸强度的减小，由于试样横截面积增人会使出现缺陷的可能性增加，较薄试样的强度降低则是由于表面损伤和转化成连续介质的条件遭到破坏所致( 层片数量不够) 。只有当单层片超过6 片以上铺叠成试样时，力学性能才趋于稳定。由于碳纤维复合材料是脆性材料，对应力集中较敏感，进行拉伸试验时，厚度较厚时，样端部要受较大的夹持力，试样因应力集中而断于夹持部分或标距外的过渡区。层数2 0 层试样破坏形式多为根部断裂和加强片脱落，不能真实反映材料的性能，这就要对加强片的材料以及粘贴加强片所用胶粘剂重新进行研究。2 2 由于碳纤维复合材料自身的特点，决定了试样变形一般比较小，必须用精度高、放大倍数大的仪器来测量。常用的应变测量方法很多其中电阻应变片与机械引伸计是比较常用的测量方法，它们各用特点。电阻应变片测量，就是将电阻应变片粘贴在试样上构成桥路，把试样上被测点的应变转化为应变片的电阻变化，并通过静态应变仪测出这一电阻变化量，从而得到应变。此方法适用于不同材料不同厚度的试样，而且测量精度高，是最常用的一种方法，但是应变片粘贴质量和胶层厚度对测试结果影响较大，另外，应变片本身也是一种消耗品。引伸计测量原理，即把应变片贴于弹簧片上，当弹簧片变形时，应变片的电信号发生变化，电信号的变化与试样的变形量成正比，从而测量试样应变。其特点是操作方便，可以重复使用，并能对应变连续进行记录。必须注意测试前需进行引伸计标定。不足之处，对碳纤维单向板这样的脆性材料进行测变形时有时引伸计易从试样上滑脱，对于厚度小于1 m m 的碳纤维单向板，由于引伸计自身重量的原因，使应变测量的误差加大。2 3 由丁：碳纤维复合材料的高各向异型特点，试验装卡要非常认真，要保证良好的对中性，当试验机的加载轴与试样的几何中心不一致时，在受力过程中，由于缺乏自身形变机制附加弯曲应力很大，使整个标距段的应变分布不均匀，致使试样提早破坏，另外，试样在试验机夹头中试样装得有些歪斜时常会引起滑动，影响测量结果。2 4 在同一根试样上测试拉伸强度、拉伸模量、泊松比，加载方式及加载速度要有所区别。测试碳纤维单向板拉伸模量、泊松比性能时，要保证试样标距段内有均匀的应力状态。加载方式选择为分级加载，拉伸速度控制为l m m m i n 。测试碳纤维单向板拉伸强度性能时，要减小试样任一部位应力集中的影响，保证试样在标距段内破坏，加载方式选择为连续加载，拉伸速度控制为5 r a m r a i n ，直至试样破坏。四结束语“本文通过对高强度、高模量碳纤维单向板不同铺层层数的试样进行拉伸强度、拉伸模量、泊松比性能测试，为今后新型高强度、高模量碳纤维复合材料的力学性能测试提供了有价值的参考。一1 0 2 高强度、高模量碳纤维单向板拉伸性能测试技术高强度、高模量碳纤维单向板拉伸性能测试技术作者：李砾作者单位：北京卫星制造厂(北京) 相似文献(10条)相似文献(10条)1.期刊论文 李丽 高强度、高模量碳纤维复合材料拉伸性能测试方法的研究 -理化检验-物理分册2004,40(7) 利用INSTRON-6025电子万能试验机,对高强度、高模量碳纤维复合材料单向板进行了拉伸性能测试.结果表明,不同试样尺寸、不同铺层层数和试验加载方式、试样装卡对高强度、高模量碳纤维复合材料单向板拉伸性能测试结果有影响;试样尺寸的改变、铺层层数的不同对拉伸强度性能有影响.2.学位论文 李默宇 碳纤维湿法缠绕用高模高韧环氧树脂基体 2008 通过湿法缠绕成型将高性能的碳纤维用于制造容器，在增加容器强度的同时，能有效降低容器的重量，提高容器特性值(PV/W)。但实际应用发现普通的低模量、低韧性的树脂基体往往不能很好的发挥高性能碳纤维应有的强度。所以开发适用于高性能碳纤维复合材料湿法缠绕成型的高模量、高韧性树脂基体非常重要。 本论文首先自制了不同类型的改性胺固化剂T、T和T，分析固化剂对环氧树脂基体性能的影响。经改性胺固化TDE-85环氧树脂基体表现为韧性体系，而酸酐固化则为脆性。TDE-85/改性胺T树脂体系的弯曲模量超过3600MPa，断裂延伸率达到4.6，由DMTA得到的Tg在170以上，实现了高模量、高韧性和耐热性能优异的兼顾。进一步分析固化剂对复合材料性能的影响。树脂基体为韧性体系时，其弹性的模量对复合材料的性能影响较大，高模量有利于发挥碳纤维的力学性能。与模量较低的树脂基体相比，TDE-85/改性胺T制备的T700碳纤维复合材料拉伸性能提高36、T800碳纤维复合材料拉伸性能提高28。DMTA分析则表明，T700碳纤维与树脂的界面结合优于T800碳纤维；同种碳纤维制备的复合材料，TDE-85/改性胺T3与碳纤维的界面性能最佳。 使用DSC研究树脂固化体系的动力学，TDE-85/改性胺T体系的固化反应呈两阶段反应，固化反应活化能为52.54.kJmol，适用期超过8h，适合湿法缠绕成型工艺。 调整环氧基团和胺上活泼氢之间的配比()，分析交联程度对树脂基体性能的影响。当在0.65-0.85或1.15-1.35之间时，树脂基体的模量和断裂延伸率都出现极大值，而Tg则在=1时达到最大。=0.75时TDE-85/改性胺T树脂基体的弯曲模量大于3900MPa，断裂延伸率超过6，制备的T800碳纤维复合材料NOL环拉伸性能超过2800MPa,T700碳纤维复合材料NOL环拉伸性能超过2500MPa，充分发挥了碳纤维的高强度特性。复合材料的破坏形貌分析显示，树脂基体和碳纤维界面性能优异；AFM则证明了树脂基体与碳纤维上胶剂发生交联反应，形成界面过渡层。3.学位论文 郭慧玲 高性能碳纤维复合材料的性能适配研究 2001 该论文对高性能碳纤维与树脂基本的性能适配进行了研究.首先对T800、T700、AS4三种高性能碳纤维进行了表面状态的表征与分析,其中包括使用SEM、原子力显微镜(AFM)对纤维表面进行的化学状态表征与分析以及X射线光电子能谱仪(XPS)对纤维表面进行的化学状态表征与分析.在此基础上对这三种碳纤维与三种树脂基体的九种复合材料体系的层间剪切强度、横向拉伸性能、界面剪切强度弯曲性能、I型层间断裂韧性五种性能进行了适配研究.论文还研究了固化工艺对层间剪性能和横向弯曲性能的影响,并且还初步讨论了横向弯曲性能表征复合材料性能的意义以及AFM用于界面性能分析.4.期刊论文 梅启林.王福玲.黄志雄.王继辉.魏涛.MEI Qi-lin.WANG Fu-ling.HUANG Zhi-xiong.WANG Ji-hui.WEITao 纳米碳纤维复合材料的制备及其力学性能研究 -武汉理工大学学报2007,29(8) 采用浓酸(浓硫酸/浓硝酸)氧化法对纳米碳纤维进行表面处理,在水热和超声分散条件下,制备了纳米碳纤维/环氧树脂复合材料.红外光谱测试结果表明,酸化处理在纳米碳纤维表面引入了羟基和羧基等能参与环氧树脂固化反应的官能团.处理后纳米碳纤维的分散性有了明显的改善和提高.SEM和复合材料拉伸性能测试结果也显示了酸化处理能有效改善纤维与树脂的界面结合状况,提高复合材料的拉伸性能.当酸化处理纳米碳纤维的质量分数为0.1%时,复合材料的拉伸强度达到最大值,是纯树脂的1.8倍,是同含量未处理纳米碳纤维材料的1.6倍.5.期刊论文 刘玲.路明坤.张博明.王殿富.郑岩.张春清 孔隙率对碳纤维复合材料超声衰减系数和力学性能的影响 -复合材料学报2004,21(5) 复合材料的工艺过程对最终产品的力学性能具有决定性影响,但其机理十分复杂.通过设置一系列固化压力历程以产生不同水平的孔隙率,采用超声C扫描、显微镜分析和酸解法对孔隙的分布、形状、尺寸和体积含量进行了定性和定量表征.讨论了孔隙率对层压板层间剪切性能、弯曲性能和拉伸性能的影响规律,获得了性能下降的临界孔隙率值.结果表明:孔隙率对性能的影响只受孔隙含量、分布、尺寸和形状等的影响,而与产生方式没有直接联系.本文作者的研究将工艺参数、孔隙率和性能有机地联系起来,体现了复合材料设计、制备与性能一体化的特点.6.会议论文 田宏伟.郭伟国 纤维增强复合材料动态拉伸试验研究 2008 为了研究直接拉伸式Hopkinson杆测试纤维增强复合材料动态拉伸性能的有效性，本文选用四种强度刚度差异较大的纤维增强复合材料在直接拉伸式Hopkinson杆上进行了动态拉伸性能试验，在试验过程中，试样是通过高强环氧胶以夹层的形式和杆子粘接连接，试样的应变分别是通过试样上粘贴的塑性应变计和通过杆上应变按一维应力波理论获得，比较发现对于高弹性小变形的两种碳纤维复合材料，按照Hopkinson杆一维应力波理论计算的应变比试样上直接所测的值偏差超过150；但对于低模量的GFRP和KFRP层合板，两者偏差小于40。结果说明，为测试纤维增强复合材料动态拉伸性能，直接采用传统的Hopkinson杆一维应力波理论得出的试样应变值并不准确。为了校准测试的偏差，找出了两者应变值的关系：然后利用ABAQUS有限元模拟方法对粘接咬层、试样过渡段引起的误差进行了分析，并利用计算结果对按照Hopkinson杆一维应力波理论计算的应变进行了修正，得到和试样上应变值较一致的结果。7.期刊论文 万红.胡凯为.穆景阳.白书欣.WAN Hong.HU Kai-wei.MU Jing-yang.BAI Shu-xin 树脂基复合材料在连续激光作用下的损伤 -强激光与粒子束2008,20(1) 采用热压工艺制备了碳纤维布和高硅氧纤维布增强的环氧树脂和酚醛树脂基复合材料,研究了不同功率密度连续激光辐照下,复合材料的破坏形式及其组织结构与力学性能的变化.结果表明:当激光辐照功率密度大于0.1 kW/cm2后,树脂基体产生燃烧,碳纤维没有明显的损伤,而玻璃纤维布开始熔融,复合材料的拉伸性能降低30%40%;当功率密度达到1 kW/cm2以后,除基体燃烧外,碳纤维复合材料产生明显的鼓泡分层,表层碳纤维有少量破断,而高硅氧纤维产生明显的熔融烧损,复合材料的拉伸性能降低80%以上.采用有限元计算方法,对碳纤维增强环氧树脂复合材料在连续激光辐照下的温度场进行了研究,计算结果与实验中复合材料的损伤行为相吻合.8.期刊论文 陈颖.牛翠兵.CHEN Yin.NIU Cui-bing 碳/玻璃混杂纤维复合材料力学性能及其加固混凝土梁抗弯性能研究 -玻璃钢/复合材料2010,(4) 混杂纤维复合材料可以优化单一FRP(Fiber Reinforced Plastic)复合材料的性能,是未来FRP复合材料发展