摘  要： 本文介紹使用電子試驗機，測量不同厚度高強度、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)變測量方法、試驗加載方式、試樣裝卡方面對高強度、高模量碳纖維復(fù)合材料單向板力學(xué)性能測試的影響。

關(guān)鍵詞：碳纖維復(fù)合材料拉伸性能 應(yīng)變測量

一 引言

碳纖維及其復(fù)合材料具有高比強度、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，它們即作為結(jié)構(gòu)材料承載負荷，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)合時可大大改善其破壞韌性，更適合于飛機、航天飛行器等的結(jié)構(gòu)材料，本文對高強度、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）的試樣進行拉伸強度、拉伸模量、泊松比性能測試，初步探討不同鋪層層數(shù)、應(yīng)變測量方法、試驗拉伸速度、試樣裝卡方面對高強度、高模量碳纖維復(fù)合材料單向板力學(xué)性能測試的影響。

二 測試方法

1 試樣制備

　將厚度為0.1mm的高強度、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厚的鋁合金加強片，制作成測試試樣。試樣見右圖。

2 試驗設(shè)備

通過電子試驗機完成力學(xué)性能測試，用100KN載荷傳達室感器進行力值測量。用靜態(tài)應(yīng)變測量儀器進行應(yīng)變測量。Z后運用電子試驗機軟件進行數(shù)據(jù)處理。

3 測試方法

3.1測定高強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，高強度、高模量碳纖維單向板彈性性能的測試采用電阻應(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)變測量儀器相連接進行應(yīng)變測量。測定高強度、高模量碳纖維單向板拉伸模量、泊松比時，拉伸速度為1mm/min，采用分級加載，級差為破壞載荷的5~10%，至少要加六級，并記錄各級載荷與相應(yīng)的應(yīng)變值，將測式數(shù)據(jù)通過公式計算拉伸模量、泊松比。

3.2測定高強度、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，試驗裝卡要非常認真，要保證良好的中性。試驗采用手動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，手動夾緊試樣時用力要緩慢均勻，避免不正確的試樣裝卡影響測試結(jié)果。測定高強度、高模量碳纖維單向板拉伸強度時，拉伸速度為5mm/min，連續(xù)加載直至試樣破壞，記錄試樣破壞時的Z大載荷值，通過公式計算拉伸強度。

3.3計算拉伸強度

拉伸強度σt=P/bh

式中：σt ------- 拉伸強度

Pb ------- 試樣破壞時的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對應(yīng)的標距L內(nèi)的變形增量（mm）

L ------ 測量標距（mm）

泊松比 μLT = —εT/εL

式中：μLT ------- 泊松比

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

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

三 測試結(jié)果與分析

1 測試結(jié)果

試樣規(guī)格：250mm×15mm×0.6~2.0mm 鋪層方向：縱向（00）加強片規(guī)格：60mm×15mm×1.5mm 倒角（70）測試數(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 從測試結(jié)果來看，試樣層數(shù)6層、20層，拉伸強度數(shù)據(jù)偏低，因為碳纖維復(fù)合材料在靜載下受力均勻應(yīng)力時，對尺寸效應(yīng)較敏感。對于較厚試樣，其拉伸強度的減小，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，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，對應(yīng)力集中較敏感，進行拉伸試驗時，厚度較厚時，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片脫落，不能真實反映材料的性能，這就要對加強片的材料以及粘貼強片所用膠粘劑重新進行研究。

2.2 由于碳纖維復(fù)合材料自身的特點，決定了試樣變形一般比較小，必須用精度高、放大倍數(shù)大的儀器來測量。常用的應(yīng)變測量方法很多其中電阻應(yīng)變片與機械引伸計是比較常用的測量方法，它們各有特點。電阻應(yīng)變片測量，就是將電阻應(yīng)變片粘貼在試樣上構(gòu)成橋路，把試樣上被測點的應(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)量和膠層厚度對測試結(jié)果影響較大，另外，應(yīng)變片本身也是一種消耗品。引伸計測量原理，即把應(yīng)變片貼于彈簧片上，當(dāng)彈簧片變形時，應(yīng)變片的電信號發(fā)生變化，電信號的變化與試樣的變形量成正比，從而測量試樣應(yīng)變。其特點是操作方便，可以重復(fù)使用，并能對應(yīng)連續(xù)進行記錄。必須注意測試前需進行引伸計標定。不足之處，對碳纖維單向板這樣的脆性材料進行測變形時有時引伸計易從試樣上滑脫，對于厚度小于1mm的碳纖維單向板，由于引伸計自身重量的原因，使應(yīng)變測量的誤差加大。

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

2.4 在同一根試樣上測試拉伸強度、拉伸模量、泊松比，加載方式及加載速度要有所區(qū)別。測試碳纖維單向板拉伸模量、泊拉比性能時，要保證試樣標距段內(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 本文通過對高強度、高模量碳纖維單向板不同鋪層層數(shù)的試樣進行拉伸強度、拉伸模量、泊松比性能測試，為今后新型高強度、高模量碳纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能測試提供了有價值的參考。