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混雜FRP復合材料單軸拉伸性能研究 zund G3 3XL-1600-熱塑性板台中雕刻裁切加工
2022/01/17 21:43:30瀏覽20|回應0|推薦0

1 引言
    兩種或兩種以上纖維增強一種或多種樹脂基體的復合材料為混雜纖維復合材料,它既能充分發揮不同纖維的優勢、揚長避短、優化FRP的綜合力學性能(或某一性能),又能顯著降低成本[1~4]。因此,它正在越來越廣泛的取代單一FRP,應用于航天航空、船舶與汽車制造、土木工程等領域。
    當碳、玻璃與芳綸或玄武巖三種纖維混雜時,高強碳纖維能夠提高承載能力,高延伸率玻璃纖維能夠改善延性,而芳綸、玄武巖纖維彈性模量、極限延伸率介于碳纖維、玻璃纖維兩者之間,可使碳纖維斷裂時卸載應力向玻璃纖維平穩轉移。本文試驗研究了芳綸或玄武巖、玻璃纖維與碳纖維混雜FRP復合材料的單軸拉伸性能,探討了纖維種類、碳纖維相對體積含量、鋪層方式等混雜參數對混雜效應的影響。結果表明,通過合理設計,碳/芳綸/玻璃層間混雜復合材料的混雜效應達到優。
2 試驗研究
2.1 材料性能
    本試驗所采用的纖維布性能見表1。層內混雜纖維布由碳纖維、芳綸纖維、玻璃纖維以體積比1:2.5:1 編制而成,如圖1所示。

     

   

            
2.2 試件設計及試驗方法[-page-] 
   本試驗設計的試件尺寸為:纖維布寬度50mm,凈距120mm,錨固長度為120mm;錨具為120×70×6mm的長方體刻槽鐵板,每個試件包含4個錨具,以確保試件對中。HFRP復合材料單軸拉伸試件的施工工藝為先在兩個錨具上涂刷粘結樹脂膠,粘貼一層纖維布,用輥子碾壓一遍,以確保粘結密實,再涂刷粘結樹脂膠,如此反復進行粘貼。后,在兩端部分別再粘貼一個錨具。試件的鋪層形式及參數詳見表2,表中2H、3H代表2、3層的層內混雜纖維布。

     
    拉伸試驗采用美國MTS810材料實驗機,加載機制為位移控制,速度為0.2μm/min。試驗采集的數據包括時間、承載力、荷載-變形曲線,所有數據使用計算機數采系統采集。
3 結果與討論
3.1 破壞形態
    FRP復合材料拉伸試件隨纖維種類、碳纖維相對體積含量和鋪層方式的不同,表現出不同的單軸拉伸性能,在試驗中破壞模式分為三種:①完全脆性斷裂模式;②“掃帚”形層間破壞模式;③斜裂縫破壞模式。試件2C、3C破壞時,碳纖維突然斷裂,斷裂的碳纖維釋放出來的巨大能量將兩側碳纖維扯成碎片向四周飛濺,完全脆性斷裂,如圖2(a)所示。試件C/G、2C/G、A/C/G、X/C/G、C/A/G、C/X/G破壞時,碳纖維首先破壞,終延伸好的玻璃纖維逐漸被拔出而導致試件卸載,外觀如“掃帚”形狀,如圖2(b)、(c)所示,當碳纖維在外層時,試件伴有碳纖維層斷裂。試件3G破壞時,玻璃纖維被逐漸拔出,承載力逐漸降低導致試件失效。試件2H、3H破壞時,試件首先在中間部位產生斜裂縫,隨著荷載的增加,斜裂縫逐漸擴展,終試件由一條主斜裂縫貫穿至整個橫截面而破壞,如圖2(d)所示。

        
3.2 試驗結果及討論[-page-] 
    HFRP復合材料單軸拉伸試驗結果見表3。荷載-變形曲線如圖3所示。

     

   
3.2.1 拉伸彈性模量
    由表3可知,與單一碳纖維復合材料3C相比,層間混雜FRP復合材料試件A/C/G、X/C/G、C/A/G和C/X/G的拉伸彈性模量分別降低了52%、61%、50%和61%。結果表明,①在碳纖維相對體積含量基本相同時,碳/芳綸/玻璃纖維混雜復合材料的拉伸彈性模量大于碳/玄武巖/玻璃纖維混雜復合材料;②碳纖維鋪層的位置對HFRP復合材料的拉伸彈性模量影響不大。
    HFRP復合材料的拉伸彈性模量與碳纖維相對體積含量Vc的關系如圖4所示。由圖4可知,拉伸彈性模量隨碳纖維相對體積含量的增大而增加,且大致處于兩單一纖維復合材料彈性模量的連線上。HFRP復合材料的拉伸彈性模量EHY可估算為[5]

            
    其中,E為彈性模量;VI、VII、VIII分別為纖維Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的相對體積含量;Vf為纖維總體積含量;Vm表示樹脂基體體積含量。
    由式(1)計算的HFRP復合材料的拉伸彈性模量見表4,由表4可知,理論值與實測值吻合良好,表明HFRP復合材料拉伸彈性模量基本符合混合定律。

   
3.2.2 拉伸強度
    拉伸強度與碳纖維相對體積含量Vc的關系如圖5所示。由圖5可知,HFRP復合材料的拉伸強度均在兩種單一玻璃纖維、碳纖維復合材料強度連線的下方,并先隨碳纖維相對體積含量的增加而降低,到一個臨界值時拉伸強度低,而后又隨著碳纖維相對體積含量的增加而增加。由于碳纖維斷裂應變εc小,當Vc較小時,外加荷載集中在此弱小的組分上而迅速產生破壞,破壞后碳纖維占據無效體積,因而在一定范圍內,HFRP復合材料的拉伸強度隨碳纖維含量的增加而降低,達到臨界體積含量時,拉伸強度也達到低點。此后繼續增加碳纖維含量,荷載主要由碳纖維承擔,芳綸、玄武巖、玻璃纖維作用減弱,HFRP復合材料拉伸強度又隨碳纖維含量的增加而增大。[-page-] 
    由圖5也可看出,HFRP復合材料的拉伸強度明顯不符合混合定律關系,而且在碳纖維相對體積含量相同條件下,改變鋪層方式,混雜復合材料的單軸拉伸強度會發生變化,即隨著碳纖維鋪層從中間移到芳綸(玄武巖)纖維外側時,HFRP復合材料的單軸拉伸強度提高。由表3可知,試件C/A/G的拉伸強度相比試件A/C/G提高了2%,而試件C/X/G的拉伸強度相比試件X/C/G提高了17%。這是由于芳綸、玄武巖纖維的彈模顯著高于玻璃纖維,在拉應力作用下,芳綸、玄武巖纖維對脆性碳纖維裂紋擴展的抑制效果優于玻璃纖維。
    由于HFRP復合材料的拉伸強度不符合混合定律,它在拉應力作用下發生多級破壞,根據等強度理論可以計算HFRP復合材料中低延性碳纖維臨界體積含量[6,7]
    HFRP一級破壞強度(即碳纖維斷裂時):

   
    由于樹脂基體斷裂應變εm <εG,玻璃纖維斷裂時的大應力為二級破壞強度:

         
    當復合材料拉伸強度達到低時,一級拉伸強度等于二級拉伸強度,即σt1=σt2。當只有碳纖維、玻璃纖維兩種纖維混雜時:

  
    由式(5)計算得Vc臨=16.87%。
    當碳、玻璃纖維與其他一種纖維II三種纖維混雜時:

  
    由式(6)、(7)計算得:對于碳/芳綸/玻璃纖維混雜FRP復合材料,Vc臨=11%;對于碳/玄武巖/玻璃纖維混雜FRP復合材料,Vc臨=11.5%。

   
3.2.3 斷裂延伸率
    由表3可知,試件A/C/G的斷裂延伸率相比試件C/A/G提高了27%,而試件X/C/G的斷裂延伸率相比試件C/X/G提高了3%。結果表明,在相同碳纖維相對體積含量情況下,當碳纖維鋪層從外側移到中間時,HFRP復合材料斷裂延伸率增大。這是由于碳纖維鋪層在中間時,碳纖維斷裂時卸下的應力由芳綸或玄武巖、玻璃纖維共同承擔,避免了由單一纖維承擔而造成的嚴重損傷,從而延緩了破壞的發生,使斷裂延伸率提高。
    HFRP復合材料的斷裂延伸率與碳纖維相對體積含量的關系如圖6所示。由圖6可知,混雜復合材料的斷裂延伸率均高于單一碳纖維復合材料的延伸率,且隨著碳纖維相對體積含量的增加,斷裂延伸率逐漸減小。
    碳/芳綸/玻璃層內混雜纖維復合材料2H、3H的斷裂延伸率均低于單一碳纖維復合材料,故未列入圖6中。這可能是由于在拉伸過程中,碳纖維斷裂時釋放出的能量使周圍纖維受到損傷,同時纖維層之間較早出現剝離,導致HFRP復合材料過早破壞,從而使HFRP復合材料的斷裂延性率降低。這也說明碳/芳綸/玻璃層內混雜纖維復合材料的斷裂延伸率有待于進一步研究。[-page-]

   
3.3 混雜效應系數及其應用
    混雜效應是指某些性能偏離混合定律計算結果的現象,是造成HFRP復合材料優異綜合性能的根本原因。混雜效應大小一般用混雜效應系數Re來衡量,Re為低延性碳纖維斷裂伸長的比值[8]

         
    其中,εHY為HFRP復合材料的斷裂延伸率;εc為低延性碳纖維復合材料的斷裂延伸率。
    由式(8)計算的混雜效應系數列于表4。由表4可知,除碳/芳綸/玻璃層內混雜纖維復合材料2H、3H外,HFRP復合材料均表現出良好的混雜效應。試件A/C/G、X/C/G、C/A/G、C/X/G的混雜效應系數相比試件2CG分別提高了90%、33%、-14%和21%,表明除試件C/A/G之外,碳/芳綸(玄武巖)/玻璃三種纖維的混雜效應顯著好于碳/玻璃兩種纖維混雜。這也說明,芳綸或玄武巖纖維與碳、玻璃纖維混雜時,芳綸、玄武巖纖維可以使碳纖維斷裂時卸載的應力向玻璃纖維平穩轉移。同時,碳/芳綸/玻璃纖維層間混雜復合材料A/C/G的混雜效應系數大,達到0.647,混雜效應優。
    在低延性碳纖維斷裂之前,HFRP復合材料共同承受應力。當應變達到低延性碳纖維的斷裂應變時,碳纖維首先斷裂,此時的理論拉伸強度(即一級破壞強度)σHY1為:

  
    其中,S為考慮到纖維在復合材料中與基體作用的影響而引入的修正系數,本文取為0.75。
    當低延性碳纖維斷裂后荷載由高斷裂延伸率纖維承受,直至整個試樣破壞,這時破壞強度(即二級破壞強度)σHY2為:

        
    計算HFRP復合材料拉伸強度時,當Vc<Vc臨時,采用式(10);當Vc≥Vc臨時,采用式(9)。
    由式(9)、(10)計算的HFRP復合材料拉伸強度列于表4。由表4可知,理論計算值與實測值基本吻合。

  
4 結論
    通過本文的試驗和理論分析,可以得出以下結論:
    (1)單一碳纖維復合材料破壞時,碳纖維被扯成碎片向四周飛濺,表現為完全的脆性破壞;
    (2)HFRP復合材料的拉伸彈性模量基本上符合混合定律,且隨碳纖維相對體積含量的增大而增加;
    (3)HFRP復合材料的拉伸強度明顯偏離混合定律關系。本文給出的拉伸強度理論分析法可用于計算HFRP復合材料的拉伸強度,理論值與實測值基本吻合;
    (4)層間混雜復合材料均表現出良好的混雜效應;
    (5)碳/芳綸(玄武巖)/玻璃三種纖維層間混雜復合材料的混雜效應優于碳/玻璃兩種纖維層間混雜復合材料,當碳纖維鋪層在中間時,碳/芳綸/玻璃纖維層間混雜復合材料的混雜效應系數達到0.647,混雜效應優。
                   參考文獻
[1] 鄧宗才,李建輝.混雜FRP復合材料及其加固混凝土結構性能[J].玻璃鋼/復合材料,2006,(4):50-54.
[2] WU Zhi-shen,NIU He-dong. Recent developments in FRP strength-ening techniques[A].The 3th China FRP Academic Thesis Album[C],Nanjing:Industrial construction,2004:1-8.
[3] 紀梓斌.混雜纖維復合材料的合理匹配及其在混凝土結構加固中的應用研究[D].汕頭:汕頭大學,2003.
[4] 曾金芳,喬生儒,丘哲明等.F-12/CF混雜復合材料縱向拉伸性能研究[J].固體火箭技術,2004,27(1):60-63.
[5] 陳汝訓.混雜纖維復合材料受拉構件的優混雜比研究[J].固體火箭技術,2005,28(3):219-221.
[6] MANDERS P W,BANER M G. The strength of hybrid glass/carbon fibre composites,Part 1:Failure strain enhancement and failure mode[J].Journal of Materials Science,1981,(16):2233-2245.
[7] MANDERS P W,BANER M G. The strength of hybrid glass/carbon fibre composites,Part 2:A statistical model[J].Journal of Materi-als Science,1981,(16):2246-2256.
[8] 宋煥成,張佐光.混雜復合材料[M].北京:北京航空航天大學出版社,1989.

 


 

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