高强/高模量碳纤维复合材料拉伸性能测试方法的研究

1  引言

       碳纤维及其复合材料具有高比强度、高比模量的特点，目前已应用于航天产品的外层材料、人造卫星、火箭机架、壳体和天线构架。随着科学技术的发展，人们又相继开发出高强度、高模量MJ系列碳纤维，这类纤维与高韧性热固性树脂复合时可大大改善其破坏韧性，更适于飞机、航天飞行器、导弹等的结构材料。

       中、低模量碳纤维复合材料的测试比较容易实现。由于高强度、高模量碳纤维复合材料具有显著的各向异性，拉伸试验时存在试样破坏异常的情况，不能真实地反映材料性能。试样断裂形式多为根部断裂及加强片脱落，测试数据偏低、数据离散性大。目前国内尚未制定出针对高强度、高模量碳纤维单向板拉伸性能测试的方法。笔者结合IN-STRON6025电子万能试验机，对高强度、高模量碳纤维单向板拉伸性能的测试进行了探索和分析，为制定高强度、高模量碳纤维单向板拉伸性能测试的试验方法提供依据。

2  试样制备及试验方法

2.1试样制备

       将厚度为0.1 mm的高强度、高模量碳纤维预浸料粘合成纵向10层，横向20层叠层板，按相关固化工艺制备成纵向、横向层合板，经机加工切割成长、宽度不同的试样，试样尺寸见表1。在纵向层合板试样两端粘贴1. Smm厚的铝合金加强片，横向层合板试样两端粘贴2mm厚的铝合金加强片，加强片的粘贴采用Redux 420胶粘剂。制成的试样形状见图1。 2.2试验设备及试验方法

       在IN STRON-6025电子万能试验机上进行力学性能测试，用lOOkN载荷传感器进行力值测量，用D H-3815静态应变测量仪进行应变测量，最后运用IN STRON-6025电子万能试验机的Series- IX软件进行数据处理。

3试验控制

       拉伸性能是最基本的材料力学性能，高强度、高模量碳纤维复合材料拉伸性能测试包括纵向(0°)拉伸强度及拉伸模量、泊松比及横向(90°)拉伸强度和拉伸模量。尽管拉伸试验方法很简单，但由于高强度、高模量碳纤维复合材料性质和结构的原因，其拉伸试验仍会出现一系列问题。主要问题是难于在整个标距段建立均匀的应力状态并保证破坏发生在工作部分以内。这些特点使高强度、高模量碳纤维复
合材料测试难度加大，复合材料的试验结果分析变得复杂。笔者从制定试验方法、试验拉伸速度、试验夹具、试样装卡等方面进行了研究，从而制定出一套适合于高强度、高模量碳纤维复合材料拉伸性能测试的试验方法。

3.1试样尺寸的选择

       碳纤维复合材料单向拉伸试样分三个部分，即一个标距部分，两个过渡段和两个加载段。在试样标距段上测量变形，并按其几何尺寸和载荷量计算应力：过渡段用来减少同试样夹持和外载有关的应力干扰（端头效应）；加载区用作在试验机上夹紧试样、承受拉伸载荷并将其传递到试样标距段上。因高强度、高模量碳纤维复合材料具有高各向异性，在测定弹性常数和强度时，它们对应力均匀状态的要求是不同的，故一般采用不同形状的试样进行研究。其中直条型试样形状简单，易于加工，在一根试样上可以同时测定拉伸强度、拉伸模量和泊松比，因此对高强度、高模量碳纤维复合材料进行测试时选用直条型试样。

       由于碳纤维复合材料是脆性材料，碳纤维复合材料在静载下受均匀应力时，对尺寸效应较敏感。对于较厚试样，随其拉伸强度的减小，由于试样横截面积增大会使出现缺陷的可能性增加；较薄试样的强度降低则是由于表面损伤进而造成连续介质破坏所致（层片数量不够）。只有当单层片超过6片以上铺叠成试样时，力学性能才趋于稳定。拉伸试样应具有足够的长度，以保证标距段应力的均匀性。增加试样的长度可以降低由于加载的偏心引起的附加弯矩，但是试样越长，试样中可能存在的缺陷越多，如试样的平面度、平行度。所以，应对厚度不同、试样长度不同的高强度、高模量碳纤维复合材料进行测试，从中选出满足拉伸性能试验的试样尺寸。

3.2试验夹具的选择

       拉伸试验是利用夹具与试样之间摩擦力进行的，夹具应和试样的纵向轴线成一直线，并且与作用在试样宽度和厚度平面上的载荷方向一致。对于高强度、高模量碳纤维复合材料，应保证试样对中，因为它对垂直于增强纤维方向的方位极敏感，并且常在夹头中打滑。对于所测试样的夹持，应当有足够的横向压力，以防止夹具表面与加强片之间产生滑动。由于碳纤维复合材料单向板的高各向异型特点，试验装卡要保证对中。当试验机的加载轴与试样的几何中心不一致时，在受力过程中，由于缺乏自身形变机制，附加弯曲应力很大，使整个标距段的应变分布不均匀，致使试样提早破坏。另外，在试验机夹头中的试样若有些歪斜，常会引起滑动，影响测量结果。因此，测试高强度、高模量碳纤维单向板拉伸性能，选用表面刻有节距为Imm的±45。花纹的钢制钳口，摩擦系数厂在0. 26～0. 32范围内的自锁楔形夹具。

3.3加载方式的选择

       由于碳纤维复合材料基体的蠕变对材料的影响主要取决于加载速度和加载条件（分级加载和连续加载），在同一根试样上测试拉伸强度、拉伸模量和泊松比，其加载方式要有所不同。测定材料弹性性能时，要保证试样标距段内有均匀的应力状态，加载方式选择为分级加载；测试强度性能时，要减小试样任一部位应力集中的影响，保证试样在标距段内破坏，加载方式选择为连续加载，直至试样破坏。

3.4加载速度的选择

       若在同一根试样上测定拉伸强度、拉伸模量和泊松比，其加载速度要有所区别。测定材料弹性性能时，拉伸速度V= Imm/ min。测试强度性能时，分纵、横向试样，纵向拉伸强度速度V= 6mm/ min；由于横向拉伸强度比纵向拉伸强度约低20～40倍，加载一定要平稳，防止冲击以免试样提前破坏，测定横向拉伸强度时，拉伸速度选择V= Imm/ min。

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