分享：碳纖維與芳綸纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料的動態(tài)力學性能

摘 要:分別使用高速拉伸試驗機和霍普金森拉桿裝置對碳纖維、芳綸纖維增強環(huán)氧樹脂平紋 復合材料的動態(tài)力學性能進行測試。結(jié)果表明:在拉伸過程中,碳纖維和芳綸纖維呈脆性斷裂特 征,兩種材料的彈性模量幾乎不受應變率的影響,抗拉強度隨著應變率的增加而升高,且與應變率 的對數(shù)呈線性關(guān)系。 

關(guān)鍵詞:碳纖維;芳綸纖維;動態(tài)力學測試;應變率;抗拉強度 

中圖分類號:TB33;V258                  文獻標志碼:A                     文章編號:1001-4012(2023)07-0001-04

高性能纖維增強復合材料(FRP)具有優(yōu)異的 力學性能,在各個行業(yè)獲得了廣泛的應用[1-4]。在 特殊環(huán)境下服役時,FRP會受到環(huán)境的影響和動 態(tài)沖擊載荷的作用[5-8]。對 FRP的動態(tài)力學性能 進行研究,有利于提 高 其 在 抗 沖 擊 結(jié) 構(gòu) 中 的 使 用率。 

根據(jù)材料中纖維的種類,目前常用的FRP有3 種,分別為玻璃纖維增強復合材料(GFRP)、碳纖維 增強復合材料(CFRP)和芳綸纖維增強復合材料 (AFRP)。目前,一些學者對 CFRP和 AFRP的動 態(tài)力學性能進行了研究。孫寶忠等[9]采用反射式間 接拉伸霍普金森桿對碳纖維在高應變率下的動態(tài)力 學性能進行了研究,發(fā)現(xiàn)碳纖維是一種應變率效應 不明顯的材料,但應變率會對材料的破壞形式產(chǎn)生 影響。OCHOLA 等[10]研 究 了 在 應 變 率 分 別 為 10-3s-1 和450s-1 時,二維正交碳纖維增強樹脂 材料的動態(tài)力學性能。SHIM 等[11]對芳綸纖維織 物材料進行了動態(tài)拉伸試驗,使用分離式霍普金森 桿獲得了應變率為280~550s-1 時材料的彈性模 量和抗拉強度,發(fā)現(xiàn)纖維具有明顯的應變率效應。 朱德舉等[12]對 Kevlar49芳綸纖維布增強環(huán)氧樹脂 在中等應變率和不同溫度下的力學性能進行了研 究,發(fā)現(xiàn)在一定應變率范圍內(nèi),材料的彈性模量和抗拉強度呈先增大后減小的趨勢,且溫度對材料力學 性能的影響較小。

為研究CFRP和 AFRP的動態(tài)力學性能,筆者 分別使用高速拉伸試驗機和霍普金森拉桿對不同應 變率下的CFRP和 AFRP進行動態(tài)拉伸試驗,研究 結(jié)果可為提高 CFRP和 AFRP在特種結(jié)構(gòu)中的使 用率提供理論基礎(chǔ)。 

1 試驗材料與方法 

1.1 試驗材料 

制樣時使用單層的 CFRP和 AFRP平紋預浸 布,單位面積質(zhì)量均為200g/m2。將其放入定制 的鋼模具中,一次成型的尺寸(長度×寬度×厚 度,下同)為150mm×100mm×0.4mm,然后采 用機械 加 工 的 方 式 制 備 試 樣。用 于 應 變 率 為 500s-1 測試 的 試 樣 尺 寸 為 70 mm×10 mm× 0.4mm,標距長度為10mm(見圖1);用于應變率 為1000s-1 和 1500s-1 測 試 的 試 樣 尺 寸 為 120mm×5mm×0.4mm,標距長度為20mm(見 圖2)。為防止試樣在拉伸過程中出現(xiàn)夾持段斷裂 的情況,在試樣夾持 段 的 兩 側(cè) 分 別 黏 貼 厚 度 為 1mm的加強片。

1.2 試驗方法 

使用高速拉伸試驗機進行應變率為500s-1 的 動態(tài)拉伸試驗,試樣的標距為10mm(見圖3)。當 夾頭的加載速率為5m/s時,作用在拉伸試樣的初 始應變率為500s-1。采用試驗機內(nèi)的位移傳感器 和非接觸式全場應變測量(DIC)系統(tǒng)對試驗過程中 的數(shù)據(jù)進行采集。

使用霍普金森拉桿進行應變率為1000s-1 和 1500s-1 的動態(tài)拉伸試驗,試樣的標距為20mm (見圖4)。當夾具的加載速率為20m/s和30m/s 時,作用在拉伸試樣的初始應變率為1000s-1 和 1500s-1。采集入射桿和透射桿上的應變數(shù)據(jù)以 及DIC系統(tǒng)在試驗過程中的數(shù)據(jù)。 

2 試驗結(jié)果與分析 

使用高速攝像機對試樣的拉伸斷裂過程進行記 錄,應變率為500s-1 下 CFRP和 AFRP的拉伸斷 裂過程分別如圖5,6所示。由圖5,6可知:CFRP 和 AFRP的斷裂形式基本相同,試樣的斷裂位置均 在標距范圍內(nèi)。說明在拉伸過程中,試樣的受力為 平面應力狀態(tài),符合試驗要求,且在高應變率下兩種材料斷口的脆性拉斷現(xiàn)象比較明顯。

CFRP和 AFRP在不同應變率下的應力-應變 曲線分別如圖7,8所示。由圖7,8可知:隨著應變 逐漸增大,應力先上升,然后達到一個峰值,隨后迅 速下降。因為在試驗開始階段,試樣內(nèi)部處于一種 復雜的應力狀態(tài),無法計算出其可靠的彈性模量,因 此試樣的彈性模量為曲線后續(xù)直線段的斜率,峰值 處的應力為材料的抗拉強度。

對CFRP和 AFRP的彈性模量和抗拉強度的 測試結(jié)果進行統(tǒng)計,結(jié)果分別如表1,2所示,可見 CFRP和 AFRP的彈性模量幾乎不受應變率的影 響,但抗拉強度對應變率有一定的敏感性,當應變率 從500s-1 增加到1000s-1 和1500s-1 時,CFRP 的抗拉強度分別增加了22.4%,10.6%,AFRP的抗 拉強度分別增加了41.5%,10.7%。 

對表1,2中的數(shù)據(jù)進行分析,將兩種材料的抗 拉強度與應變率及應變率對數(shù)的關(guān)系繪制成曲線, 發(fā)現(xiàn)兩種材料的抗拉強度與應變率的對數(shù)呈線性關(guān)系(見圖9)。

3 結(jié)論 

對不同應變率下的CFRP和 AFRP進行了動態(tài) 力學性能測試,發(fā)現(xiàn)CFRP和AFRP在拉伸過程中均 出現(xiàn)了脆性拉斷現(xiàn)象;CFRP和 AFRP的彈性模量與 應變率的關(guān)系不大;CFRP和 AFRP的抗拉強度隨應 變率的增加而升高,且與應變率的對數(shù)呈線性關(guān)系。

參考文獻: 

[1] 張峰.新型高性能纖維材料在網(wǎng)球運動中的影響研究 [J].合成材料老化與應用,2021,50(4):155-157. 

[2] 白瓊瓊.高性能纖維的發(fā)展現(xiàn)狀及展望[J].毛紡科 技,2021,49(6):91-94. 

[3] 姚利麗,周志嵩,朱晨露,等.芳綸纖維及其復合材料 的研究進展[J].橡膠科技,2018,16(3):5-11. 

[4] 張瑋,譚艷君,劉姝瑞,等.玄武巖纖維的性能及應用 [J].紡織科學與工程學報,2022,39(1):85-89. 

[5] 陳慶國,李磊,燕自峰,等.玻璃鋼集油管道泄漏原因 [J].理化檢驗(物理分冊),2021,57(12):75-79. 

[6] 孔春鳳,田偉,翁浦瑩,等.高性能纖維層疊復合材料 的抗沖擊性能研究[J].浙江理工大學學報(自然科學 版),2016,35(3):367-371. 

[7] 張倩玉,秦志剛,閻若思,等.剪切增稠液/纖維復合材 料防彈性能的研究進展[J].紡織學報,2021,42(6): 180-188. 

[8] 李汶蔚,梅杰,黃威.碳纖維增強復合材料層合板的抗 沖擊性能[J].高壓物理學報,2020,34(2):59-66. 

[9] 孫寶忠,顧伯洪.碳纖維高應變率拉伸破壞形態(tài)的應 變率效應性質(zhì)[J].東華大學學報(自然科學版), 2005,31(1):124-127. 

[10] OCHOLAR O,MARCUSK,NURICK G N,etal. Mechanical behaviour of glass and carbon fibre reinforcedcompositesatvaryingstrainrates[J]. CompositeStructures,2004,63(3/4):455-467. 

[11] SHIM V,LIM C,FOO K.Dynamic mechanical propertiesoffabricarmour[J].InternationalJournal ofImpactEngineering,2001,25(1):1-15. 

[12] 朱德舉,張曉彤,張懷安.動態(tài)拉伸載荷下應變率和溫 度對 Kevlar49芳綸纖維布增強環(huán)氧樹脂復合材料力 學性能的影響[J].復合材料學報,2016,33(3):459- 468. 

<文章來源   > 材料與測試網(wǎng) > 期刊論文 > 理化檢驗－物理分冊 > 59卷 > 7期 (pp:1-4)>