摘 要:分别使用高速拉伸试验机和霍普金森拉杆装置对碳纤维、芳纶纤维增强环氧树脂平纹 复合材料的动态力学性能进行测试。结果表明:在拉伸过程中,碳纤维和芳纶纤维呈脆性断裂特 征,两种材料的弹性模量几乎不受应变率的影响,抗拉强度随着应变率的增加而升高,且与应变率 的对数呈线性关系。 

关键词:碳纤维;芳纶纤维;动态力学测试;应变率;抗拉强度 

中图分类号:TB33;V258                  文献标志码:A                     文章编号:1001-4012(2023)07-0001-04

高性能纤维增强复合材料(FRP)具有优异的 力学性能,在各个行业获得了广泛的应用[1-4]。在 特殊环境下服役时,FRP会受到环境的影响和动 态冲击载荷的作用[5-8]。对 FRP的动态力学性能 进行研究,有利于提 高 其 在 抗 冲 击 结 构 中 的 使 用率。 

根据材料中纤维的种类,目前常用的FRP有3 种,分别为玻璃纤维增强复合材料(GFRP)、碳纤维 增强复合材料(CFRP)和芳纶纤维增强复合材料 (AFRP)。目前,一些学者对 CFRP和 AFRP的动 态力学性能进行了研究。孙宝忠等[9]采用反射式间 接拉伸霍普金森杆对碳纤维在高应变率下的动态力 学性能进行了研究,发现碳纤维是一种应变率效应 不明显的材料,但应变率会对材料的破坏形式产生 影响。OCHOLA 等[10]研 究 了 在 应 变 率 分 别 为 10-3s-1 和450s-1 时,二维正交碳纤维增强树脂 材料的动态力学性能。SHIM 等[11]对芳纶纤维织 物材料进行了动态拉伸试验,使用分离式霍普金森 杆获得了应变率为280~550s-1 时材料的弹性模 量和抗拉强度,发现纤维具有明显的应变率效应。 朱德举等[12]对 Kevlar49芳纶纤维布增强环氧树脂 在中等应变率和不同温度下的力学性能进行了研 究,发现在一定应变率范围内,材料的弹性模量和抗拉强度呈先增大后减小的趋势,且温度对材料力学 性能的影响较小。

为研究CFRP和 AFRP的动态力学性能,笔者 分别使用高速拉伸试验机和霍普金森拉杆对不同应 变率下的CFRP和 AFRP进行动态拉伸试验,研究 结果可为提高 CFRP和 AFRP在特种结构中的使 用率提供理论基础。 

1 试验材料与方法 

1.1 试验材料 

制样时使用单层的 CFRP和 AFRP平纹预浸 布,单位面积质量均为200g/m2。将其放入定制 的钢模具中,一次成型的尺寸(长度×宽度×厚 度,下同)为150mm×100mm×0.4mm,然后采 用机械 加 工 的 方 式 制 备 试 样。用 于 应 变 率 为 500s-1 测试 的 试 样 尺 寸 为 70 mm×10 mm× 0.4mm,标距长度为10mm(见图1);用于应变率 为1000s-1 和 1500s-1 测 试 的 试 样 尺 寸 为 120mm×5mm×0.4mm,标距长度为20mm(见 图2)。为防止试样在拉伸过程中出现夹持段断裂 的情况,在试样夹持 段 的 两 侧 分 别 黏 贴 厚 度 为 1mm的加强片。

1.2 试验方法 

使用高速拉伸试验机进行应变率为500s-1 的 动态拉伸试验,试样的标距为10mm(见图3)。当 夹头的加载速率为5m/s时,作用在拉伸试样的初 始应变率为500s-1。采用试验机内的位移传感器 和非接触式全场应变测量(DIC)系统对试验过程中 的数据进行采集。

使用霍普金森拉杆进行应变率为1000s-1 和 1500s-1 的动态拉伸试验,试样的标距为20mm (见图4)。当夹具的加载速率为20m/s和30m/s 时,作用在拉伸试样的初始应变率为1000s-1 和 1500s-1。采集入射杆和透射杆上的应变数据以 及DIC系统在试验过程中的数据。 

2 试验结果与分析 

使用高速摄像机对试样的拉伸断裂过程进行记 录,应变率为500s-1 下 CFRP和 AFRP的拉伸断 裂过程分别如图5,6所示。由图5,6可知:CFRP 和 AFRP的断裂形式基本相同,试样的断裂位置均 在标距范围内。说明在拉伸过程中,试样的受力为 平面应力状态,符合试验要求,且在高应变率下两种材料断口的脆性拉断现象比较明显。

CFRP和 AFRP在不同应变率下的应力-应变 曲线分别如图7,8所示。由图7,8可知:随着应变 逐渐增大,应力先上升,然后达到一个峰值,随后迅 速下降。因为在试验开始阶段,试样内部处于一种 复杂的应力状态,无法计算出其可靠的弹性模量,因 此试样的弹性模量为曲线后续直线段的斜率,峰值 处的应力为材料的抗拉强度。

对CFRP和 AFRP的弹性模量和抗拉强度的 测试结果进行统计,结果分别如表1,2所示,可见 CFRP和 AFRP的弹性模量几乎不受应变率的影 响,但抗拉强度对应变率有一定的敏感性,当应变率 从500s-1 增加到1000s-1 和1500s-1 时,CFRP 的抗拉强度分别增加了22.4%,10.6%,AFRP的抗 拉强度分别增加了41.5%,10.7%。 

对表1,2中的数据进行分析,将两种材料的抗 拉强度与应变率及应变率对数的关系绘制成曲线, 发现两种材料的抗拉强度与应变率的对数呈线性关系(见图9)。

3 结论 

对不同应变率下的CFRP和 AFRP进行了动态 力学性能测试,发现CFRP和AFRP在拉伸过程中均 出现了脆性拉断现象;CFRP和 AFRP的弹性模量与 应变率的关系不大;CFRP和 AFRP的抗拉强度随应 变率的增加而升高,且与应变率的对数呈线性关系。

参考文献: 

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[9] 孙宝忠,顾伯洪.碳纤维高应变率拉伸破坏形态的应 变率效应性质[J].东华大学学报(自然科学版), 2005,31(1):124-127. 

[10] OCHOLAR O,MARCUSK,NURICK G N,etal. Mechanical behaviour of glass and carbon fibre reinforcedcompositesatvaryingstrainrates[J]. CompositeStructures,2004,63(3/4):455-467. 

[11] SHIM V,LIM C,FOO K.Dynamic mechanical propertiesoffabricarmour[J].InternationalJournal ofImpactEngineering,2001,25(1):1-15. 

[12] 朱德举,张晓彤,张怀安.动态拉伸载荷下应变率和温 度对 Kevlar49芳纶纤维布增强环氧树脂复合材料力 学性能的影响[J].复合材料学报,2016,33(3):459- 468. 

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