摘  要： 本文介紹使用電子試驗(yàn)機(jī)，測(cè)量不同厚度高強(qiáng)度、高模量碳纖維單向板拉伸性能，初步探討不同鋪層層數(shù)以及應(yīng)變測(cè)量方法、試驗(yàn)加載方式、試樣裝卡方面對(duì)高強(qiáng)度、高模量碳纖維復(fù)合材料單向板力學(xué)性能測(cè)試的影響。

關(guān)鍵詞：碳纖維復(fù)合材料拉伸性能 應(yīng)變測(cè)量

一 引言

碳纖維及其復(fù)合材料具有高比強(qiáng)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(yōu)點(diǎn)，它們即作為結(jié)構(gòu)材料承載負(fù)荷，又可作為功能材料發(fā)揮作用。目前已應(yīng)用在航天產(chǎn)品的外層材料、人造衛(wèi)星、火箭的機(jī)架、殼體和天線構(gòu)架。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們又相繼開發(fā)出高強(qiáng)度、高模量MJ系列碳纖維，這類纖維與高韌性熱固性樹脂復(fù)合時(shí)可大大改善其破壞韌性，更適合于飛機(jī)、航天飛行器等的結(jié)構(gòu)材料，本文對(duì)高強(qiáng)度、高模量碳纖維單向板，鋪層方向縱向（00），鋪層層數(shù)不同（6~20層）的試樣進(jìn)行拉伸強(qiáng)度、拉伸模量、泊松比性能測(cè)試，初步探討不同鋪層層數(shù)、應(yīng)變測(cè)量方法、試驗(yàn)拉伸速度、試樣裝卡方面對(duì)高強(qiáng)度、高模量碳纖維復(fù)合材料單向板力學(xué)性能測(cè)試的影響。

二 測(cè)試方法

1 試樣制備

　將厚度為0.1mm的高強(qiáng)度、高模量碳纖維預(yù)浸料貼合成不同厚度的疊層板，按相關(guān)固化工藝制備成縱向（00）方向?qū)雍习澹?jīng)機(jī)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(qiáng)片，制作成測(cè)試試樣。試樣見右圖。

2 試驗(yàn)設(shè)備

通過電子試驗(yàn)機(jī)完成力學(xué)性能測(cè)試，用100KN載荷傳達(dá)室感器進(jìn)行力值測(cè)量。用靜態(tài)應(yīng)變測(cè)量儀器進(jìn)行應(yīng)變測(cè)量。Z后運(yùn)用電子試驗(yàn)機(jī)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

3 測(cè)試方法

3.1測(cè)定高強(qiáng)度高模量碳纖維單向板彈性性能

由于碳纖維復(fù)合材料自身的特點(diǎn)，高強(qiáng)度、高模量碳纖維單向板彈性性能的測(cè)試采用電阻應(yīng)變片方法。應(yīng)變片選用箔式電阻應(yīng)變片，規(guī)格：5×3；電阻：120Ω；靈敏系數(shù)：2.18。應(yīng)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(yīng)變片，試樣正反兩面都要粘貼應(yīng)變片，并與靜態(tài)應(yīng)變測(cè)量儀器相連接進(jìn)行應(yīng)變測(cè)量。測(cè)定高強(qiáng)度、高模量碳纖維單向板拉伸模量、泊松比時(shí)，拉伸速度為1mm/min，采用分級(jí)加載，級(jí)差為破壞載荷的5~10%，至少要加六級(jí)，并記錄各級(jí)載荷與相應(yīng)的應(yīng)變值，將測(cè)式數(shù)據(jù)通過公式計(jì)算拉伸模量、泊松比。

3.2測(cè)定高強(qiáng)度、高模量碳纖維單向板拉伸性能

由于碳纖維復(fù)合材料是具有高各向異型的脆性材料，試驗(yàn)裝卡要非常認(rèn)真，要保證良好的中性。試驗(yàn)采用手動(dòng)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(dòng)夾緊試樣時(shí)用力要緩慢均勻，避免不正確的試樣裝卡影響測(cè)試結(jié)果。測(cè)定高強(qiáng)度、高模量碳纖維單向板拉伸強(qiáng)度時(shí)，拉伸速度為5mm/min，連續(xù)加載直至試樣破壞，記錄試樣破壞時(shí)的Z大載荷值，通過公式計(jì)算拉伸強(qiáng)度。

3.3計(jì)算拉伸強(qiáng)度

拉伸強(qiáng)度σt=P/bh

式中：σt ------- 拉伸強(qiáng)度

Pb ------- 試樣破壞時(shí)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(duì)應(yīng)的標(biāo)距L內(nèi)的變形增量（mm）

L ------ 測(cè)量標(biāo)距（mm）

泊松比 μLT = —εT/εL

式中：μLT ------- 泊松比

εL ------- 與△P相對(duì)應(yīng)的縱向（L向）應(yīng)變

εT ------- 與△P相對(duì)應(yīng)的橫向（T向）應(yīng)變

三 測(cè)試結(jié)果與分析

1 測(cè)試結(jié)果

試樣規(guī)格：250mm×15mm×0.6~2.0mm 鋪層方向：縱向（00）加強(qiáng)片規(guī)格：60mm×15mm×1.5mm 倒角（70）測(cè)試數(shù)據(jù)如下：層數(shù)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(cè)試結(jié)果來看，試樣層數(shù)6層、20層，拉伸強(qiáng)度數(shù)據(jù)偏低，因?yàn)樘祭w維復(fù)合材料在靜載下受力均勻應(yīng)力時(shí)，對(duì)尺寸效應(yīng)較敏感。對(duì)于較厚試樣，其拉伸強(qiáng)度的減小，由于試樣橫截面積增大會(huì)使出現(xiàn)缺陷的可能性增加，較薄試樣的強(qiáng)度降低則是由于表面損傷和轉(zhuǎn)化成連續(xù)介質(zhì)的條件遭到破壞所致（層片數(shù)量不夠）。只有當(dāng)單層片超過6片以上鋪疊成試樣時(shí)，力學(xué)性能才趨于穩(wěn)定。由于碳纖維復(fù)合材料是脆性材料，對(duì)應(yīng)力集中較敏感，進(jìn)行拉伸試驗(yàn)時(shí)，厚度較厚時(shí)，樣端部要受較大的夾持力，試樣因應(yīng)力集中而斷于夾持部分或標(biāo)距外的過渡區(qū)。層數(shù)20層試樣破壞形式多為根部斷裂和加強(qiáng)片脫落，不能真實(shí)反映材料的性能，這就要對(duì)加強(qiáng)片的材料以及粘貼強(qiáng)片所用膠粘劑重新進(jìn)行研究。

2.2 由于碳纖維復(fù)合材料自身的特點(diǎn)，決定了試樣變形一般比較小，必須用精度高、放大倍數(shù)大的儀器來測(cè)量。常用的應(yīng)變測(cè)量方法很多其中電阻應(yīng)變片與機(jī)械引伸計(jì)是比較常用的測(cè)量方法，它們各有特點(diǎn)。電阻應(yīng)變片測(cè)量，就是將電阻應(yīng)變片粘貼在試樣上構(gòu)成橋路，把試樣上被測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變轉(zhuǎn)化為應(yīng)變片的電阻變化，并通過靜態(tài)應(yīng)變儀測(cè)出這一電阻變化量，從而得到應(yīng)變。此方法適用于不同材料不同厚度的試樣，而且測(cè)量精度高，是Z常用的一種方法，但是應(yīng)變片粘貼質(zhì)量和膠層厚度對(duì)測(cè)試結(jié)果影響較大，另外，應(yīng)變片本身也是一種消耗品。引伸計(jì)測(cè)量原理，即把應(yīng)變片貼于彈簧片上，當(dāng)彈簧片變形時(shí)，應(yīng)變片的電信號(hào)發(fā)生變化，電信號(hào)的變化與試樣的變形量成正比，從而測(cè)量試樣應(yīng)變。其特點(diǎn)是操作方便，可以重復(fù)使用，并能對(duì)應(yīng)連續(xù)進(jìn)行記錄。必須注意測(cè)試前需進(jìn)行引伸計(jì)標(biāo)定。不足之處，對(duì)碳纖維單向板這樣的脆性材料進(jìn)行測(cè)變形時(shí)有時(shí)引伸計(jì)易從試樣上滑脫，對(duì)于厚度小于1mm的碳纖維單向板，由于引伸計(jì)自身重量的原因，使應(yīng)變測(cè)量的誤差加大。

2.3 由于碳纖維復(fù)合材料的高各向異型特點(diǎn)，試驗(yàn)裝卡要非常認(rèn)真，要保證良好的對(duì)中性，當(dāng)試驗(yàn)機(jī)的加載軸與試樣的幾何中心不一致時(shí)，在受力過程中，由于缺乏自身變機(jī)制，附加彎曲應(yīng)力很大，使整個(gè)標(biāo)距段的應(yīng)變分布不均勻，致使試樣提早破壞，另外，試樣在試驗(yàn)機(jī)夾頭中試樣裝得有些歪斜，常會(huì)引起滑動(dòng)，影響測(cè)量結(jié)果。

2.4 在同一根試樣上測(cè)試?yán)鞆?qiáng)度、拉伸模量、泊松比，加載方式及加載速度要有所區(qū)別。測(cè)試碳纖維單向板拉伸模量、泊拉比性能時(shí)，要保證試樣標(biāo)距段內(nèi)有均勻的應(yīng)力狀態(tài)，加載方式選擇為連續(xù)加載，拉伸速度控制為5mm/min，直至試樣破壞。四 結(jié)束語 本文通過對(duì)高強(qiáng)度、高模量碳纖維單向板不同鋪層層數(shù)的試樣進(jìn)行拉伸強(qiáng)度、拉伸模量、泊松比性能測(cè)試，為今后新型高強(qiáng)度、高模量碳纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能測(cè)試提供了有價(jià)值的參考。