高強度、高模量碳纖維單向板拉伸性能測試技術

摘  要： 本文介紹使用電子試驗機，測量不同厚度高強度、高模量碳纖維單向板拉伸性能，初步探討不同鋪層層數以及應變測量方法、試驗加載方式、試樣裝卡方面對高強度、高模量碳纖維復合材料單向板力學性能測試的影響。

關鍵詞：碳纖維復合材料拉伸性能 應變測量

一 引言

碳纖維及其復合材料具有高比強度、高比模量，此外在抗沖擊、抗疲勞性能、減摩耐磨性能、自潤滑性能、耐腐蝕以及耐熱性等方面都有顯著優點，它們即作為結構材料承載負荷，又可作為功能材料發揮作用。目前已應用在航天產品的外層材料、人造衛星、火箭的機架、殼體和天線構架。隨著科學技術的發展，人們又相繼開發出高強度、高模量MJ系列碳纖維，這類纖維與高韌性熱固性樹脂復合時可大大改善其破壞韌性，更適合于飛機、航天飛行器等的結構材料，本文對高強度、高模量碳纖維單向板，鋪層方向縱向（00），鋪層層數不同（6~20層）的試樣進行拉伸強度、拉伸模量、泊松比性能測試，初步探討不同鋪層層數、應變測量方法、試驗拉伸速度、試樣裝卡方面對高強度、高模量碳纖維復合材料單向板力學性能測試的影響。

二 測試方法

1 試樣制備

　將厚度為0.1mm的高強度、高模量碳纖維預浸料貼合成不同厚度的疊層板，按相關固化工藝制備成縱向（00）方向層合板，經機加切割成長度為230mm，寬度15mm試樣，并分別在試樣兩面三刀端粘貼1.5mm厚的鋁合金加強片，制作成測試試樣。試樣見右圖。

2 試驗設備

通過電子試驗機完成力學性能測試，用100KN載荷傳達室感器進行力值測量。用靜態應變測量儀器進行應變測量。Z后運用電子試驗機軟件進行數據處理。

3 測試方法

3.1測定高強度高模量碳纖維單向板彈性性能

由于碳纖維復合材料自身的特點，高強度、高模量碳纖維單向板彈性性能的測試采用電阻應變片方法。應變片選用箔式電阻應變片，規格：5×3；電阻：120Ω；靈敏系數：2.18。應變片與試樣的粘貼用502快速膠粘劑。在試樣工作段分別粘貼縱、橫向應變片，試樣正反兩面都要粘貼應變片，并與靜態應變測量儀器相連接進行應變測量。測定高強度、高模量碳纖維單向板拉伸模量、泊松比時，拉伸速度為1mm/min，采用分級加載，級差為破壞載荷的5~10%，至少要加六級，并記錄各級載荷與相應的應變值，將測式數據通過公式計算拉伸模量、泊松比。

3.2測定高強度、高模量碳纖維單向板拉伸性能

由于碳纖維復合材料是具有高各向異型的脆性材料，試驗裝卡要非常認真，要保證良好的中性。試驗采用手動楔型拉伸夾具裝卡試樣，先將試樣的下端夾緊，之后夾緊試樣上端，手動夾緊試樣時用力要緩慢均勻，避免不正確的試樣裝卡影響測試結果。測定高強度、高模量碳纖維單向板拉伸強度時，拉伸速度為5mm/min，連續加載直至試樣破壞，記錄試樣破壞時的Z大載荷值，通過公式計算拉伸強度。

3.3計算拉伸強度

拉伸強度σt=P/bh

式中：σt ------- 拉伸強度

Pb ------- 試樣破壞時的Z大載荷值（N）

b ------- 試樣寬度（mm）

h ------- 試樣厚度（mm）

拉伸模量 Et=△PL/bh△L

式中：Et ------ 拉伸彈性模量（Mpa）

△P ------ 載荷-變形曲線上初始直線段的載荷增量（N）

△L ------ 與△P對應的標距L內的變形增量（mm）

L ------ 測量標距（mm）

泊松比 μLT = —εT/εL

式中：μLT ------- 泊松比

εL ------- 與△P相對應的縱向（L向）應變

εT ------- 與△P相對應的橫向（T向）應變

三 測試結果與分析

1 測試結果

試樣規格：250mm×15mm×0.6~2.0mm 鋪層方向：縱向（00）加強片規格：60mm×15mm×1.5mm 倒角（70）測試數據如下：層數n= 6 7 8 9 10 11 12 20 σt (Mpa) 1463 1737 1634 1609 1772 1606 1614 1310 Et(Gpa) 367 371 364 352 371 336 343 337 μLT 0.28 0.26 0.30 0.31 0.29 0.34 0.26 0.30

2 分析

2.1 從測試結果來看，試樣層數6層、20層，拉伸強度數據偏低，因為碳纖維復合材料在靜載下受力均勻應力時，對尺寸效應較敏感。對于較厚試樣，其拉伸強度的減小，由于試樣橫截面積增大會使出現缺陷的可能性增加，較薄試樣的強度降低則是由于表面損傷和轉化成連續介質的條件遭到破壞所致（層片數量不夠）。只有當單層片超過6片以上鋪疊成試樣時，力學性能才趨于穩定。由于碳纖維復合材料是脆性材料，對應力集中較敏感，進行拉伸試驗時，厚度較厚時，樣端部要受較大的夾持力，試樣因應力集中而斷于夾持部分或標距外的過渡區。層數20層試樣破壞形式多為根部斷裂和加強片脫落，不能真實反映材料的性能，這就要對加強片的材料以及粘貼強片所用膠粘劑重新進行研究。

2.2 由于碳纖維復合材料自身的特點，決定了試樣變形一般比較小，必須用精度高、放大倍數大的儀器來測量。常用的應變測量方法很多其中電阻應變片與機械引伸計是比較常用的測量方法，它們各有特點。電阻應變片測量，就是將電阻應變片粘貼在試樣上構成橋路，把試樣上被測點的應變轉化為應變片的電阻變化，并通過靜態應變儀測出這一電阻變化量，從而得到應變。此方法適用于不同材料不同厚度的試樣，而且測量精度高，是Z常用的一種方法，但是應變片粘貼質量和膠層厚度對測試結果影響較大，另外，應變片本身也是一種消耗品。引伸計測量原理，即把應變片貼于彈簧片上，當彈簧片變形時，應變片的電信號發生變化，電信號的變化與試樣的變形量成正比，從而測量試樣應變。其特點是操作方便，可以重復使用，并能對應連續進行記錄。必須注意測試前需進行引伸計標定。不足之處，對碳纖維單向板這樣的脆性材料進行測變形時有時引伸計易從試樣上滑脫，對于厚度小于1mm的碳纖維單向板，由于引伸計自身重量的原因，使應變測量的誤差加大。

2.3 由于碳纖維復合材料的高各向異型特點，試驗裝卡要非常認真，要保證良好的對中性，當試驗機的加載軸與試樣的幾何中心不一致時，在受力過程中，由于缺乏自身變機制，附加彎曲應力很大，使整個標距段的應變分布不均勻，致使試樣提早破壞，另外，試樣在試驗機夾頭中試樣裝得有些歪斜，常會引起滑動，影響測量結果。

2.4 在同一根試樣上測試拉伸強度、拉伸模量、泊松比，加載方式及加載速度要有所區別。測試碳纖維單向板拉伸模量、泊拉比性能時，要保證試樣標距段內有均勻的應力狀態，加載方式選擇為連續加載，拉伸速度控制為5mm/min，直至試樣破壞。四 結束語 本文通過對高強度、高模量碳纖維單向板不同鋪層層數的試樣進行拉伸強度、拉伸模量、泊松比性能測試，為今后新型高強度、高模量碳纖維復合材料的力學性能測試提供了有價值的參考。