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、芳綸纖維增強環氧樹脂平紋 復合材料的動態力學性能進行測試。結果表明: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 的對數呈線性關系。
關鍵詞:碳纖維;芳綸纖維;動態力學測試;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)具有優異的 力學性能,在各個行業獲得了廣泛的應用[1-4]。在 特殊環境下服役時,FRP會受到環境的影響和動 態沖擊載荷的作用[5-8]。對 FRP的動態力學性能 進行研究,有利于提 高 其 在 抗 沖 擊 結 構 中 的 使 用率。
根據材料中纖維的種類,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力 學性能進行了研究,發現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 材料的動態力學性能。SHIM 等[11]對芳綸纖維織 物材料進行了動態拉伸試驗,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,發現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,發現在一定應變率范圍內,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進行動態拉伸試驗,研究 結果可為提高 CFRP和 AFRP在特種結構中的使 用率提供理論基礎。
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夾持段斷裂 的情況,在試樣夾持 段 的 兩 側 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。采用試驗機內的位移傳感器 和非接觸式全場應變測量(DIC)系統對試驗過程中 的數據進行采集。
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據以 及DIC系統在試驗過程中的數據。
2 試驗結果與分析
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。說明在拉伸過程中,試樣的受力為 平面應力狀態,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,試樣內部處于一種 復雜的應力狀態,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 測試結果進行統計,結果分別如表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中的數據進行分析,將兩種材料的抗 拉強度與應變率及應變率對數的關系繪制成曲線, 發現兩種材料的抗拉強度與應變率的對數呈線性關系(見圖9)。
3 結論
對不同應變率下的CFRP和 AFRP進行了動態 力學性能測試,發現CFRP和AFRP在拉伸過程中均 出現了脆性拉斷現象;CFRP和 AFRP的彈性模量與 應變率的關系不大;CFRP和 AFRP的抗拉強度隨應 變率的增加而升高,且與應變率的對數呈線性關系。
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