纤维体积含量对纤维增强复合材料拉伸断裂强度影响.pdf

年 月 纤维体积含量对纤维增强复合 材料拉伸断裂强度影响 高峰 中国纺织大学 如匕 穆 西北纺织学院 摘要 本文通过理论分析和实验 就纤维体积含量与复合材料抗拉强度 的关系进行 了研究 得到 纤维体积含量 的理论下 上界极 限以及许用 的上界极限 并提供了有关参数和影响因素 在复合材料细微力学设计中 纤维体积含 量 是一个很重要 的参数 含量过低 不能充 分发挥复合材料中增强材料的作用 含量过高 由于纤维和基体间不能形成一定厚度的界面过 渡层 无法承担基体对纤维的力传递 也不利于 复合材料抗拉强度的提高 故合理的纤维体积 含量的设计是复合材料强度设计 中的重要一 环 本文以广泛采用的玻璃纤维 环氧树脂复合 材料为例 就纤维体积含量对复合材料抗拉强 度的影响进行了研究 图 轴向拉伸强度与 关系 二 一 理论分析 影响规律呈 直线 纤 维 的断裂伸 长率大于基 体的断裂伸 长率 复合 材料在拉伸 伸长率达到 基体的断裂 伸长率时 强度复合理论 纤维用作为增强材料时 纤维强度高于基体强度 按强度复合理论 复合 材料的抗拉强度随其组分的变化规律有两大 类 六种基本情况 第一类 纤维与基体的力学特性都是线性 的 即应力 应变拉伸图中从起始到断裂都为直 线 按相互关系可分为三种 纤维断裂伸长率与基体断裂伸长率相 同 此种情况下 复合材料的基本理论强度方程 为 尸 尸 一 户 式中 尸 为复合材料抗拉强度 的基本理论值 尸 为纤维的抗拉强度 尸 二 为基 体的抗拉强度 为复合材料中纤维的 体积含量比例份数八一 为复合材料中基体 的体积含量比例份数 可见 复合材料的抗拉强度是两组份各 自 强度之和 其影响规律见图 图中 是 尸了 巧 是 一巧 是二者之 和 即最后的 纤维中拉伸应力只有其达到断裂伸长时应力的 一部分 而基体已达到其断裂应力 过此临界伸 长后 基体断裂不再承受外力 只有纤维承受外 力 因此 这种情况下 复合材料基本理论强度 方程是下列式 中较大的一个 凡 乃 今 巧 尸二 一 厂 了 厂 式 中 衍为纤维的断裂伸长率 为基体 的断裂伸长率 其影响规律如图 所示 图 中 是 尸 今 川 是 尸 一 是 即岔 是 尸声 气 匀 十 一 实线 联的折 线 在临界纤维 一 犷几 一 图 轴向拉伸强度 与 关系 纺织学报第十七卷第一期 体积含量 以下按式 变化 在 以上按 式 变化 临界纤维体积 含量 是 图 中直 线 与 的交点 可按下式得 一 一 了 即 一尸 尸 十尸一尸声 衡 纤维断裂伸长率小于基体的断裂伸长 率 当复合材料拉伸伸长率达到纤维的断裂伸 长 时 纤维 的应力达 到纤维 的拉 伸断裂强 度 基 体的应力没有达到拉伸断裂强度 只占一部份 在此伸长之 后 纤维断裂不再受力 只有基体承 受外力 因此 复合材料基本理论强度方程是式 中大的一个 勺 一 一 律和方程 在实际情况中 随着纤维体积含量 的增加 截面中纤维根数亦将增加 纤维拉 伸的不同时 断裂的特性将增大 纤维排列的整 齐度将下降 这些 都会使复合材料强度降低 另 外 在进行强度测试时 夹口距离为 但 在复合材料中纤维断裂将被基体分割成许多单 元块体 使每段的有效握持长度缩短 引起弱环 定律的影 响规律 使纤维断裂强度明显上升 还 有其他因素 这些 因素将引入有关方程修正后 才能使理 论方程反映实际结果 设修正系数为 则可得 式中 为修正系数 是 的函数 为复合材 料 的理论强度 为复合材料基本理论 洲川 川 其影响 规律见图 图中 是 是 一 是 一 是 一 图 中实线为规 由 忘 州力 强度 由此形成 的理论曲线对 应 于图 如 图 所 示 图 中虚线为基本 理论曲线 纤 维 体积含量的理 图 基本理论 曲线 图 轴向拉伸强度与 关系 蝙 律变化 其关键临界纤维体积 含量为 在 成 时 按式 变化 在 时 按式 变化 是 直线窿 和 的变点 可按式 求 得 论极限 设纤维为均匀的圆截面 并采用最紧密 的六 方密堆积形式 如图 所示 这时 纤维体 积 含量从理 论上讲应是最大的 即 一 耐 了万 一 一 即 一尸 一 行 尸乍 一 一 纤维 和 或 基体的拉伸图不是直线 即力学性能不是线性的 这时仍基本按上 述各 式 但需引入非线性因素 变换量 给于表达 这 时相应于图 的直线将形成 曲线 将另文 介绍 考虑实际情况的复合材料强度理论规 另外 当纤维之间 由一定厚度 的基体隔 开 并 仍为 六方密堆积 时 参 见 图 设厚度为 图 密堆积结构示意图 加 舀 一 了万 一 占 了了 占 6 1996 年 2 月 从式 9 可见 纤 维基体厚度 台为 一 定值 时 随着纤 维直径的减 小 V f m 二 将 降低 因此 纤维增强复 合材料理论 上按六方密 合材料中玻璃纤维的断裂强度P 将为 P 一P a I 一 n一 6 口 农 l 不同纤维体积含量的拉伸性能 室温 2 0 沂 一 碌 盛 强浸 MPa 断裂伸长 而 八 j月了 J月了 叮 丹了 叮 尸 O Q自 b八j内匕 1 1 1 1 电 1 U U 9曰 任匕 d门匕叮沙叮沙 叮 h 口 口 工 O自 八 00 图6 有界面层密堆积示意图 0 000 0 045 0 090 0 134 0 180 0 336 0 515 0 617 1 000 70 0 66 9 128 3 171 5 245 0 405 0 504 0 488 0 1326 6 堆积形式的最大纤维体积含量为9 0 6 9 在 此情况下 基体为分散相而 不成为稳定 的复合 体 要成 为 稳定的复合材料 纤维体积含 量的许 用极限值将降低 按式 8 决定 并可依此解得 连续相的最小厚度a 式中 为 夹 P 200m m 厂 一 l 卜 O 万 忆d 二 实验及结果 6一 s环暇树皿甘 口 距强 度 MPa P t 为折算 sm m 的 强 度 MPa 为 夹 图 7 玻璃纱与环氧树脂 的应力应变曲线 口 2 0 Om m 口距强度的标准差 M P a a 为常 数 按Ge n e ianko教授的数据为3 2353 常数b为 0 2756 算得 P 的变量系数 为n 6 2 Pt 1326 62MPa 三 分析 1 纤维体积含量对拉伸强度影 响 见图 8 l l l l l l l l l l I I I I I l l l l l l l l l l 1 1 1 1 1 I I I I I c l 龙 否 5 0 03 0 0 4 0 0 2 0 0 1 实验材料 甲8拌 4 4 2中碱玻璃纱 陕西 玻璃纤维总厂 生产 61 8 环氧树脂 化学 工业部 晨光化工研究院生产 固化剂 三乙烯四胺 2 复合材料的制备 用摇纱器将玻璃纱均 匀地绕在铁板上 以改变单位宽度内纱的根数 获得 不同纤维体积含量的复合材料 V f N n T P f X10 一5 1 0 式中 N 为玻璃纱 的线密度 t ex n 为单位宽 度内纤维根数 根 d m T 为厚 P 为玻璃纤维 密度 g em 3 取 2 54 将绕好纱的铁板均匀浸溃61 8 环氧树脂 室温下固化 4 8小时 聚酷薄膜脱模 将制好的 单向纤维复合材料板裁成长200 只宽 1 0 X 厚 Zm m 3 拉伸强度测试 用 In str o n 强力仪 握持 距 som m 速度 som m min 2 有效次数 5次 4 实验结果 见表l 618环氧树脂和44 2玻璃纱拉伸见 图7 由于玻璃 纱的 实测强 度P 是按夹 口距离 2 0 om m 试得 但复合材料断口玻璃纤维的拉伸 自由长度只有sm m左右 按 弱环定律算得复 1 0 V 环 图8拉伸断裂强度与纤维体积含量的关 系曲线 纺织学报 第十七卷第一期 7 71 2 复合材料断口形状 见图9 当纤维 体积含量很 低时 断裂 伸长时基体 材料脆性断 裂特征明 整齐度下降 纤维不同时断裂性增加 内部缺陷 增加以及基体连续性损伤等的影响因素 将式 12 代入式 8 并转代入式 2 3 可知其回归方程为 恻 丽 恻 显 断 口 整 v l一心 齐 图 ga 纤维体积含 b V一18 c V 6 7 1 p 一 p v 尸 一V 9993 1 一 5乡9 V 一 208 J 红 p一p v L O g 9 3 i 一1 2 529 V 一0 12 08 图 裂口形状 量适中时 纤维与基体共同发挥作用 断口略有 参差 图gb 纤维体积含量过高时 基体不完 全 连续 可能沿纵向劈裂 图9 c 3 理论强 度有效值的分析 由图 7及表l 可知 f 属于 上 述第二 种情况 其变化规律与图4趋势相同 按式 4 可知V c 一70 0 70 0 2326 69一1326 69又 2 2 3 3 6 2 一0 2205 由于P 很小 此 处折 曲不太明显 其抗拉强度极大值约 5 5 左右 随纤维体积含量逐渐增大 复合材料的抗拉强 度逐渐下降 按式 2 3 计算的P 值列 于表 2 求得 回归方程为 P P 一0 9 99 31一1 252 9 V 了一0 1208 1 1 相关系数 r 0 9916 衰 2 按式 2 3 计算的P 值 13 由此 预测的协 值列于表 2 中 由式 13 求P的极大值 的位置得P 5 1 2 s oM P a 而相应点V f Pmox 一 0 5501 由式 9 改 写成 一 d 丫 二 厅 一 1 fm 一1 将 V f 二 0 5 5 0 1 及纤维直径d二8拌m代入 得 2 厂了 5501 一1 一2 2 7 m 因 而可知 玻璃纤维 间环氧树脂层厚度达到 2 27拼m 时 复合材料强度达到最大值 四 结论 V 纯环氧 0 045 0 090 0 134 0 180 0 336 0 515 0 671 0 900 1 000 P M P a P t M P a P t P P t M P a 70 00 103 63 137 25 177 77 2 38 8 0 445 77 683 2 5 890 2 1 1 326 6 2 70 0 66 9 128 3 1 71 5 245 0 405 0 504 0 488 0 1 0 000 0 6456 0 9348 0 964 7 1 0260 0 9085 0 7377 0 5482 7 0 00 103 63 137 25 17 7 5 1 236 23 404 85 50 7 62 486 03 199 60 纤维增 强复合材料化纤强度高于基体强度 条件下 在纤维伸长大于基体断裂伸长时 纤维 体积 含量的许用含量应有界限 玻璃纤维和环 氧树脂复合体系中 纤维体积含量许用下界为 o 120 8 1 2 0 8 可能压制的上极限界限为 0 9 69 9 0 6 9 从抗 拉强度角度考虑 许用 上限为0 5501 55 0 1 故 纤维体积含t 过 高 并不利于强度的提高 在实验过程中得 到西北纺织学院纺材教研室的大 力协助 在此表示衷心的感谢 考资料 796 0 式 8 中的 K 一 0 9 993 1 一1 2 529 V 一0 120 8 1 l 12 这是 由于随着纤维体积含量增大时 纤维排列 1 上海玻瑞钢 结构研 究 所 编著 玻瑞俐结构设 汁 中国建筑工业出版 社 19 5 0 年 2 J M 惠特君 1 M 丹居 尔 R B 派卜 斯着 纤 维增强复 合 材料实验力学 科学出版社 199 年 N o 1 F e b 1996 C o n t e n tS a n d A b s t rae t S Researeh R ePorts Eff eetofFibreVolumeFraetion onTensileStrengt hof FibreReinforeedComPositeMaterial In thispaper t h ere l a tion s h i p b e t w ee n fib revo l u m e f rae tion an d t ens il estr e n g t h o ffib rer e in f or ee d eo m p os it e m a te r i a lw ass tu d i e db y t h oer t i ea l ana ly s i sa n d ex P er im e nt Th et h eore tie a ll o w er e xtr e m eu pp era n d p er m i ss ib l e u PP e r l imi ts w ereo b ta i ne df o r fi b r evo l u m e f rae tion E x p er im en t resu l ts P rov id e d r e l evan t P ar a m e te rsan d e ff ee tiv e f a e to rs G ao Feng e t al 4 Study onA PPlicationProPertyof Bi funetional ReaetiveD yeson eel lulose T hispaperdealsw ith the applieationpropertyof bifunetionalreaetive dyeswith a sul fatoethylsulfone group anda m onof luorotriazine group on the eel lulose fibres The results of experi ments showthat this kind ofdyes has exeel lent dyeing ofeellulose whi e h eanno t b eae h i eve dwi t h eo n ven t i o n a l reae tiv e d y es h av ing o n ereae t i ve g rou p T h e m ee h a n i s m o fd y e ing ee l l u l os e wi t hbi f u n e t i ona l r eae tiv e d y esar e d i se u sse d X抢K nog l ia ng e t al 8 Anal yses and In枕sti gat ions Teehnologieal Anal ysis of PolyProPyleneand PolyesterinSPunbonded W eb Formation Polypropylene andpolyester aretwomainmaterials ofspunbonded nonwoven fabrie O w ing tothedi fferenees in theirm oleeular struetures t h e y h ave d iff er e nt p er f or m anees i ns p u n b o n d ing w e bf or m a tion wh i e h no t o n ly r e q u i res i n d i v i d ua l p ro d ue tion e q u i p m en t b u t a l s o li mi tst h e p r o d ue ts ran g e f or t h e t w o fib r es T h ear tie l ee o m p ar es a n d a n a ly zes t h ea b oveeases C henY i zhong 12 RestructureDesi gn ofFour 一 B ar Li够agepickingMechanism Ca oQ i ng l i n e ta l 15 ResearehonLawofMoistureTransmissio nthro ug h Fabric R elativ e rate of moistu retransm ission 15 exam ined du ringw ater vapor passingthro ughtextlies Thispaper analyses and diseussesthe law of moisturetransm issio n ba sed uPonexPeri men ts 二 C h e l Z入Zng s henge t al 18 Investigation on W aterTran sPo rtationthroug hLigh t Fabries W eteom fo rt indiees of light fab ries w ere m easu red by u sing K E S F 一 TL ll t h er m a l p r o p ert y m easure m en t in s tru m e nt a n d vert ie a lwi e kin g a pp ar a t us to s im o l a te d y n a m ie s w a t er tr a n s mi s s i o n in as imil ar w a y to h u m a n s e n s i bl es w ea t Th er e l a tion s hipb e tw ee nt h e m a te r ia l a n d p ar a m e te rss tr ue t ureas w e l l as w e t eo mf o rt i n di ees 15 d is eusse d S o m ee x P e r im e n ta l eorr e l a t i o n sare P rese nt e d Xi o ng j i e 20 Stud y onRule ofD yeSolutionD iseoloring by C hemiealCoagulatio n A nexperi ment wa s m ade onusing inorganie eo agula ntsto remov e eolou re ofsome dye solutio n s through ehem iealeo agulatio n Based on the results ofthe d iseoloring experi mentandan alyzing form oleeular struetu re a nd eharaeteristies of dyes r e l a t i o n s h i p w as d i seovr e db e t w ee n e ff eeto fd i seo l o u r i n g d y eso l u t i o n an dm o l eeu l ars tr ue tu r ea n dd y es tu ff e h ar ae te r i s t i es f L iShuow en 24 Teehnique ofM anufaeture StudyonProPerties of Aeid 一 M od i f ied M u l t ieomP o nen tC oP o l y es te ri fieat ionFi bre A pp ly ing eo n ven t i o na l ana ly t i ea lm e t h o d s w e g e tt h esa tu r a t i o n va l ue 1 74 f orae id 一 m o d ifie dm u lti eo m p o n e nt eo p o ly es te r i f i ea tion f i b r e ae i d 一 m o difi e d p o ly ester f ib re Thi s kind o ffib re 1 5 g oo df or b e in g dy e dm e di u m an d ligh t eo lo re wi t h eat io n i e d y es It sex tent o f er y sta l li za 妞on15low erthan thato fP E Tfib re Thethird m ono m er SIPM on ten t in