1  引言

       碳纖維及其復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、高比模量的特點(diǎn)，目前已應(yīng)用于航天產(chǎn)品的外層材料、人造衛(wèi)星、火箭機(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，更適于飛機(jī)、航天飛行器、導(dǎo)彈等的結(jié)構(gòu)材料。

       中、低模量碳纖維復(fù)合材料的測試比較容易實(shí)現(xiàn)。由于高強(qiáng)度、高模量碳纖維復(fù)合材料具有顯著的各向異性，拉伸試驗(yàn)時(shí)存在試樣破壞異常的情況，不能真實(shí)地反映材料性能。試樣斷裂形式多為根部斷裂及加強(qiáng)片脫落，測試數(shù)據(jù)偏低、數(shù)據(jù)離散性大。目前國內(nèi)尚未制定出針對高強(qiáng)度、高模量碳纖維單向板拉伸性能測試的方法。筆者結(jié)合IN-STRON6025電子萬能試驗(yàn)機(jī)，對高強(qiáng)度、高模量碳纖維單向板拉伸性能的測試進(jìn)行了探索和分析，為制定高強(qiáng)度、高模量碳纖維單向板拉伸性能測試的試驗(yàn)方法提供依據(jù)。

2  試樣制備及試驗(yàn)方法

2.1試樣制備

       將厚度為0.1 mm的高強(qiáng)度、高模量碳纖維預(yù)浸料粘合成縱向10層，橫向20層疊層板，按相關(guān)固化工藝制備成縱向、橫向?qū)雍习?，?jīng)機(jī)加工切割成長、寬度不同的試樣，試樣尺寸見表1。在縱向?qū)雍习逶嚇觾啥苏迟N1. Smm厚的鋁合金加強(qiáng)片，橫向?qū)雍习逶嚇觾啥苏迟N2mm厚的鋁合金加強(qiáng)片，加強(qiáng)片的粘貼采用Redux 420膠粘劑。制成的試樣形狀見圖1。 2.2試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)方法

       在IN STRON-6025電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行力學(xué)性能測試，用lOOkN載荷傳感器進(jìn)行力值測量，用D H-3815靜態(tài)應(yīng)變測量儀進(jìn)行應(yīng)變測量，最后運(yùn)用IN STRON-6025電子萬能試驗(yàn)機(jī)的Series- IX軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

3試驗(yàn)控制

       拉伸性能是最基本的材料力學(xué)性能，高強(qiáng)度、高模量碳纖維復(fù)合材料拉伸性能測試包括縱向(0°)拉伸強(qiáng)度及拉伸模量、泊松比及橫向(90°)拉伸強(qiáng)度和拉伸模量。盡管拉伸試驗(yàn)方法很簡單，但由于高強(qiáng)度、高模量碳纖維復(fù)合材料性質(zhì)和結(jié)構(gòu)的原因，其拉伸試驗(yàn)仍會出現(xiàn)一系列問題。主要問題是難于在整個(gè)標(biāo)距段建立均勻的應(yīng)力狀態(tài)并保證破壞發(fā)生在工作部分以內(nèi)。這些特點(diǎn)使高強(qiáng)度、高模量碳纖維復(fù)
合材料測試難度加大，復(fù)合材料的試驗(yàn)結(jié)果分析變得復(fù)雜。筆者從制定試驗(yàn)方法、試驗(yàn)拉伸速度、試驗(yàn)夾具、試樣裝卡等方面進(jìn)行了研究，從而制定出一套適合于高強(qiáng)度、高模量碳纖維復(fù)合材料拉伸性能測試的試驗(yàn)方法。

3.1試樣尺寸的選擇

       碳纖維復(fù)合材料單向拉伸試樣分三個(gè)部分，即一個(gè)標(biāo)距部分，兩個(gè)過渡段和兩個(gè)加載段。在試樣標(biāo)距段上測量變形，并按其幾何尺寸和載荷量計(jì)算應(yīng)力：過渡段用來減少同試樣夾持和外載有關(guān)的應(yīng)力干擾（端頭效應(yīng)）；加載區(qū)用作在試驗(yàn)機(jī)上夾緊試樣、承受拉伸載荷并將其傳遞到試樣標(biāo)距段上。因高強(qiáng)度、高模量碳纖維復(fù)合材料具有高各向異性，在測定彈性常數(shù)和強(qiáng)度時(shí)，它們對應(yīng)力均勻狀態(tài)的要求是不同的，故一般采用不同形狀的試樣進(jìn)行研究。其中直條型試樣形狀簡單，易于加工，在一根試樣上可以同時(shí)測定拉伸強(qiáng)度、拉伸模量和泊松比，因此對高強(qiáng)度、高模量碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行測試時(shí)選用直條型試樣。

       由于碳纖維復(fù)合材料是脆性材料，碳纖維復(fù)合材料在靜載下受均勻應(yīng)力時(shí)，對尺寸效應(yīng)較敏感。對于較厚試樣，隨其拉伸強(qiáng)度的減小，由于試樣橫截面積增大會使出現(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進(jìn)而造成連續(xù)介質(zhì)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。拉伸試樣應(yīng)具有足夠的長度，以保證標(biāo)距段應(yīng)力的均勻性。增加試樣的長度可以降低由于加載的偏心引起的附加彎矩，但是試樣越長，試樣中可能存在的缺陷越多，如試樣的平面度、平行度。所以，應(yīng)對厚度不同、試樣長度不同的高強(qiáng)度、高模量碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行測試，從中選出滿足拉伸性能試驗(yàn)的試樣尺寸。

3.2試驗(yàn)夾具的選擇

       拉伸試驗(yàn)是利用夾具與試樣之間摩擦力進(jìn)行的，夾具應(yīng)和試樣的縱向軸線成一直線，并且與作用在試樣寬度和厚度平面上的載荷方向一致。對于高強(qiáng)度、高模量碳纖維復(fù)合材料，應(yīng)保證試樣對中，因?yàn)樗鼘Υ怪庇谠鰪?qiáng)纖維方向的方位極敏感，并且常在夾頭中打滑。對于所測試樣的夾持，應(yīng)當(dāng)有足夠的橫向壓力，以防止夾具表面與加強(qiáng)片之間產(chǎn)生滑動。由于碳纖維復(fù)合材料單向板的高各向異型特點(diǎn)，試驗(yàn)裝卡要保證對中。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，由于缺乏自身形變機(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，在試驗(yàn)機(jī)夾頭中的試樣若有些歪斜，常會引起滑動，影響測量結(jié)果。因此，測試高強(qiáng)度、高模量碳纖維單向板拉伸性能，選用表面刻有節(jié)距為Imm的±45。花紋的鋼制鉗口，摩擦系數(shù)廠在0. 26～0. 32范圍內(nèi)的自鎖楔形夾具。

3.3加載方式的選擇

       由于碳纖維復(fù)合材料基體的蠕變對材料的影響主要取決于加載速度和加載條件（分級加載和連續(xù)加載），在同一根試樣上測試?yán)鞆?qiáng)度、拉伸模量和泊松比，其加載方式要有所不同。測定材料彈性性能時(shí)，要保證試樣標(biāo)距段內(nèi)有均勻的應(yīng)力狀態(tài)，加載方式選擇為分級加載；測試強(qiáng)度性能時(shí)，要減小試樣任一部位應(yīng)力集中的影響，保證試樣在標(biāo)距段內(nèi)破壞，加載方式選擇為連續(xù)加載，直至試樣破壞。

3.4加載速度的選擇

       若在同一根試樣上測定拉伸強(qiáng)度、拉伸模量和泊松比，其加載速度要有所區(qū)別。測定材料彈性性能時(shí)，拉伸速度V= Imm/ min。測試強(qiáng)度性能時(shí)，分縱、橫向試樣，縱向拉伸強(qiáng)度速度V= 6mm/ min；由于橫向拉伸強(qiáng)度比縱向拉伸強(qiáng)度約低20～40倍，加載一定要平穩(wěn)，防止沖擊以免試樣提前破壞，測定橫向拉伸強(qiáng)度時(shí)，拉伸速度選擇V= Imm/ min。

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