摘 要:分別使用高速拉伸試驗(yàn)機(jī)和霍普金森拉桿裝置對碳纖維、芳綸纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂平紋 復(fù)合材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能進(jìn)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(yīng)變率的影響,抗拉強(qiáng)度隨著應(yīng)變率的增加而升高,且與應(yīng)變率 的對數(shù)呈線性關(guān)系。
關(guān)鍵詞:碳纖維;芳綸纖維;動(dòng)態(tài)力學(xué)測試;應(yīng)變率;抗拉強(qiáng)度
中圖分類號(hào):TB33;V258 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1001-4012(2023)07-0001-04
高性能纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(FRP)具有優(yōu)異的 力學(xué)性能,在各個(gè)行業(yè)獲得了廣泛的應(yīng)用[1-4]。在 特殊環(huán)境下服役時(shí),FRP會(huì)受到環(huán)境的影響和動(dòng) 態(tài)沖擊載荷的作用[5-8]。對 FRP的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能 進(jìn)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(qiáng)復(fù)合材料(GFRP)、碳纖維 增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)和芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料 (AFRP)。目前,一些學(xué)者對 CFRP和 AFRP的動(dòng) 態(tài)力學(xué)性能進(jìn)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(yīng)變率下的動(dòng)態(tài)力 學(xué)性能進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)碳纖維是一種應(yīng)變率效應(yīng) 不明顯的材料,但應(yīng)變率會(huì)對材料的破壞形式產(chǎn)生 影響。OCHOLA 等[10]研 究 了 在 應(yīng) 變 率 分 別 為 10-3s-1 和450s-1 時(shí),二維正交碳纖維增強(qiáng)樹脂 材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能。SHIM 等[11]對芳綸纖維織 物材料進(jìn)行了動(dòng)態(tài)拉伸試驗(yàn),使用分離式霍普金森 桿獲得了應(yīng)變率為280~550s-1 時(shí)材料的彈性模 量和抗拉強(qiáng)度,發(fā)現(xiàn)纖維具有明顯的應(yīng)變率效應(yīng)。 朱德舉等[12]對 Kevlar49芳綸纖維布增強(qiáng)環(huán)氧樹脂 在中等應(yīng)變率和不同溫度下的力學(xué)性能進(jìn)行了研 究,發(fā)現(xiàn)在一定應(yīng)變率范圍內(nèi),材料的彈性模量和抗拉強(qiáng)度呈先增大后減小的趨勢,且溫度對材料力學(xué) 性能的影響較小。
為研究CFRP和 AFRP的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能,筆者 分別使用高速拉伸試驗(yàn)機(jī)和霍普金森拉桿對不同應(yīng) 變率下的CFRP和 AFRP進(jìn)行動(dòng)態(tài)拉伸試驗(yàn),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(yàn)材料與方法
1.1 試驗(yàn)材料
制樣時(shí)使用單層的 CFRP和 AFRP平紋預(yù)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(jī)械 加 工 的 方 式 制 備 試 樣。用 于 應(yīng) 變 率 為 500s-1 測試 的 試 樣 尺 寸 為 70 mm×10 mm× 0.4mm,標(biāo)距長度為10mm(見圖1);用于應(yīng)變率 為1000s-1 和 1500s-1 測 試 的 試 樣 尺 寸 為 120mm×5mm×0.4mm,標(biāo)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(qiáng)片。
1.2 試驗(yàn)方法
使用高速拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行應(yīng)變率為500s-1 的 動(dòng)態(tài)拉伸試驗(yàn),試樣的標(biāo)距為10mm(見圖3)。當(dāng) 夾頭的加載速率為5m/s時(shí),作用在拉伸試樣的初 始應(yīng)變率為500s-1。采用試驗(yàn)機(jī)內(nèi)的位移傳感器 和非接觸式全場應(yīng)變測量(DIC)系統(tǒng)對試驗(yàn)過程中 的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。
使用霍普金森拉桿進(jìn)行應(yīng)變率為1000s-1 和 1500s-1 的動(dòng)態(tài)拉伸試驗(yàn),試樣的標(biāo)距為20mm (見圖4)。當(dāng)夾具的加載速率為20m/s和30m/s 時(shí),作用在拉伸試樣的初始應(yīng)變率為1000s-1 和 1500s-1。采集入射桿和透射桿上的應(yīng)變數(shù)據(jù)以 及DIC系統(tǒng)在試驗(yàn)過程中的數(shù)據(jù)。
2 試驗(yàn)結(jié)果與分析
使用高速攝像機(jī)對試樣的拉伸斷裂過程進(jìn)行記 錄,應(yīng)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(biāo)距范圍內(nèi)。說明在拉伸過程中,試樣的受力為 平面應(yīng)力狀態(tài),符合試驗(yàn)要求,且在高應(yīng)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(yīng)變率下的應(yīng)力-應(yīng)變 曲線分別如圖7,8所示。由圖7,8可知:隨著應(yīng)變 逐漸增大,應(yīng)力先上升,然后達(dá)到一個(gè)峰值,隨后迅 速下降。因?yàn)樵谠囼?yàn)開始階段,試樣內(nèi)部處于一種 復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài),無法計(jì)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(yīng)力為材料的抗拉強(qiáng)度。
對CFRP和 AFRP的彈性模量和抗拉強(qiáng)度的 測試結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì),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(yīng)變率的影 響,但抗拉強(qiáng)度對應(yīng)變率有一定的敏感性,當(dāng)應(yīng)變率 從500s-1 增加到1000s-1 和1500s-1 時(shí),CFRP 的抗拉強(qiáng)度分別增加了22.4%,10.6%,AFRP的抗 拉強(qiáng)度分別增加了41.5%,10.7%。
對表1,2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,將兩種材料的抗 拉強(qiáng)度與應(yīng)變率及應(yīng)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(qiáng)度與應(yīng)變率的對數(shù)呈線性關(guān)系(見圖9)。
3 結(jié)論
對不同應(yīng)變率下的CFRP和 AFRP進(jìn)行了動(dòng)態(tài) 力學(xué)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(yīng)變率的關(guān)系不大;CFRP和 AFRP的抗拉強(qiáng)度隨應(yīng) 變率的增加而升高,且與應(yīng)變率的對數(shù)呈線性關(guān)系。
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