吳明兒， 賞瑩瑩， 李殷堂

（同濟(jì)大學(xué) 建筑工程系，上海 200092）

ETFE（ethylene tetra fluoro ethylene）薄膜結(jié)構(gòu)在國內(nèi)外應(yīng)用越來越廣泛［1－2］.其主要力學(xué)性能指標(biāo)包括屈服強(qiáng)度、彈性模量、抗拉強(qiáng)度和斷裂延伸率等，這些指標(biāo)一般參照塑料薄膜的拉伸試驗(yàn)方法，通過材性試驗(yàn)獲得［3］.目前對ETFE薄膜材料力學(xué)性能的研究主要采用單軸拉伸試驗(yàn)的方法，已有研究包括屈服強(qiáng)度及彈性模量等基本參數(shù)的獲取［4］，拉伸速度及溫度對材料性能的影響［5－6］，不同應(yīng)力水平下的循環(huán)拉伸性能以及不同溫度和應(yīng)力水平下的徐變性能試驗(yàn)［7－8］.相對于單軸拉伸試驗(yàn)，ETFE薄膜的雙軸拉伸試驗(yàn)研究很少.文獻(xiàn)［9］按循環(huán)加載的方法對ETFE薄膜進(jìn)行了雙軸拉伸試驗(yàn)，檢驗(yàn)了Mises屈服應(yīng)力，比較了單雙軸彈性模量.然而該試驗(yàn)中對兩個(gè)方向是獨(dú)立加載，而非同時(shí)進(jìn)行的.

本文對ETFE薄膜進(jìn)行雙軸拉伸試驗(yàn)時(shí)采用同時(shí)比例加載的辦法，即試件從兩個(gè)方向按設(shè)定的應(yīng)力比同時(shí)進(jìn)行加載使其達(dá)到屈服.將成卷ETFE薄膜的長度方向標(biāo)記為MD（machine direction），與MD垂直的寬度方向標(biāo)記為TD（transverse direction）.選取200，250μm厚的ETFE薄膜進(jìn)行5組應(yīng)力比（MD與TD方向的應(yīng)力比，下同）雙軸拉伸試驗(yàn)；由試驗(yàn)得到雙軸應(yīng)力時(shí)的屈服點(diǎn)，利用單軸拉伸時(shí)的屈服點(diǎn)驗(yàn)證Mises屈服準(zhǔn)則的適用性；計(jì)算雙軸拉伸試驗(yàn)時(shí)的彈性模量和泊松比，并與單軸拉伸試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較.

1 雙軸拉伸試驗(yàn)方法

參照文獻(xiàn)［10］，對ETFE薄膜進(jìn)行雙軸拉伸試驗(yàn).試驗(yàn)時(shí)室溫為20℃，拉伸試樣為日本旭硝子玻璃股份有限公司生產(chǎn)的厚度為200，250μm的兩種ETFE薄膜.

對每種厚度的ETFE薄膜分別進(jìn)行5組應(yīng)力比的雙軸拉伸試驗(yàn)，試樣應(yīng)力比分別為1∶0，0∶1，1∶1，1∶2，2∶1，每組試驗(yàn)重復(fù)5次.試驗(yàn)設(shè)備加載比例固定為1∶1，通過調(diào)整試樣尺寸來獲得不同應(yīng)力比.采用十字形切縫試樣，按照膜材的MD，TD方向?qū)ΨQ取樣.試樣尺寸見圖1.

圖1 ETFE薄膜十字形試樣尺寸Fig.1 Cruciform specimen of ETFE foils（size：mm）

2 雙軸拉伸試驗(yàn)結(jié)果

2.1 雙軸拉伸曲線

ETFE薄膜在不同應(yīng)力比下雙軸拉伸試驗(yàn)部分應(yīng)力－應(yīng)變曲線如圖2所示.

由圖2可知，雙軸拉伸下ETFE薄膜的應(yīng)力－應(yīng)變曲線起初呈近似直線關(guān)系，此時(shí)可認(rèn)為材料處于彈性狀態(tài)；到達(dá)某一點(diǎn)后直線斜率迅速減小，材料可認(rèn)為發(fā)生屈服，這與單軸拉伸的應(yīng)力－應(yīng)變曲線相似［4］；當(dāng)雙軸拉伸繼續(xù)進(jìn)行時(shí)，應(yīng)變迅速增大，十字形試樣角部出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致材料撕裂破壞，試驗(yàn)停止.按單軸拉伸曲線的近似分析方法［4］來分析處理雙軸拉伸曲線，對每條雙軸拉伸曲線作初始段的切線，與兩轉(zhuǎn)折點(diǎn)間曲線的近似直線相交于點(diǎn)A；過點(diǎn)A作水平線與拉伸曲線相交于點(diǎn)B，點(diǎn)B即為第一屈服點(diǎn)（即第一轉(zhuǎn)折點(diǎn)）.

2.2 屈服應(yīng)力

圖2中應(yīng)力－應(yīng)變曲線轉(zhuǎn)折點(diǎn)相當(dāng)于單軸拉伸曲線的第一轉(zhuǎn)折點(diǎn).分析處理雙軸拉伸曲線，可以得到第一屈服點(diǎn)，將該點(diǎn)對應(yīng)的應(yīng)力規(guī)定為ETFE薄膜在雙軸拉伸狀態(tài)下的屈服應(yīng)力.雙軸拉伸試驗(yàn)中200，250μm厚ETFE薄膜在單個(gè)方向上的屈服應(yīng)力見表1，2.

表1 200μm厚ETFE薄膜在單個(gè)方向上的屈服應(yīng)力Table 1 Yield stress in a single direction of 200－micron－thick ETFE foils MPa

表2 250μm厚ETFE薄膜在單個(gè)方向上的屈服應(yīng)力Table 2 Yield stress in a single direction of 250－micron－thick ETFE foils MPa

3 折算應(yīng)力

本文按Mises屈服準(zhǔn)則計(jì)算ETFE薄膜雙軸拉伸達(dá)到屈服時(shí)的折算應(yīng)力，將其與單軸拉伸的屈服應(yīng)力相比較，檢驗(yàn) Mises屈服準(zhǔn)則的適用性.由表1，2計(jì)算得到的折算應(yīng)力見表3.

由表3可知，兩種厚度ETFE薄膜的折算應(yīng)力基本相同，這表明厚度對其折算應(yīng)力影響不大.雙軸應(yīng)力比為1∶1時(shí)的折算應(yīng)力略小于單軸屈服應(yīng)力；雙軸應(yīng)力比為1∶2，2∶1時(shí)的折算應(yīng)力略大于單軸屈服應(yīng)力；雙軸折算應(yīng)力與單軸屈服應(yīng)力相差大約±7%，基本符合Mises屈服準(zhǔn)則.

圖2 不同應(yīng)力比雙軸拉伸試驗(yàn)部分應(yīng)力－應(yīng)變曲線Fig.2 Stress－strain curves of biaxial tensile tests using different stress ratio

表3 ETFE薄膜雙軸拉伸屈服時(shí)的Mises折算應(yīng)力Table 3 Mises equivalent stress of ETFE foils at yielding point through biaxial tensile test MPa

4 彈性模量和泊松比

由應(yīng)力比為1∶0，0∶1的雙軸拉伸試驗(yàn)可求得ETFE薄膜在單軸拉伸狀態(tài)下的彈性模量和泊松比.切線模量、割線模量的定義同單軸拉伸試驗(yàn)曲線分析方法［4］，泊松比取屈服點(diǎn)時(shí)的應(yīng)變比值，試驗(yàn)結(jié)果見表4，5.

參照文獻(xiàn)［10］中關(guān)于膜材雙軸拉伸彈性模量及泊松比的計(jì)算方法，利用雙軸拉伸試驗(yàn)5組應(yīng)力比的應(yīng)力－應(yīng)變曲線，按應(yīng)變項(xiàng)殘差平方和最小二乘法計(jì)算得到ETFE薄膜雙軸拉伸彈性模量和泊松比，結(jié)果見表6.

表4 200μm厚ETFE薄膜單軸拉伸彈性模量和泊松比Table 4 Elastic modulus and Poisson ratio of 200－micron－thick ETFE foils through uniaxial tensile test

表5 250μm厚ETFE薄膜單軸拉伸彈性模量和泊松比Table 5 Elastic modulus and Poisson ratio of 250－micron－thick ETFE foils through uniaxial tensile test

由表4～6可知，ETFE薄膜在MD，TD兩方向上的彈性模量基本一致，250μm厚薄膜彈性模量略小于200μm厚薄膜.單軸拉伸彈性模量中的切線模量稍大于割線模量，而雙軸拉伸彈性模量則大致介于單軸拉伸切線模量與割線模量之間.單軸及雙軸拉伸得到的泊松比與薄膜厚度及方向關(guān)系很小，數(shù)值約為0.42.

表6 ETFE薄膜雙軸拉伸彈性模量和泊松比Table 6 Elastic modulus and Poisson ratio of ETFE foils through biaxial tensile test

5 結(jié)論

（1）試驗(yàn)所得ETFE薄膜雙軸拉伸應(yīng)力－應(yīng)變曲線與單軸拉伸曲線變化趨勢一致；由Mises屈服準(zhǔn)則計(jì)算得到的雙向應(yīng)力屈服時(shí)的折算應(yīng)力與單軸屈服應(yīng)力相差在±7%之內(nèi)，基本符合 Mises屈服準(zhǔn)則.

（2）雙軸拉伸彈性模量介于單軸拉伸切線模量與單軸拉伸割線模量之間，而其泊松比與單軸拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本相同.

（3）ETFE薄膜雙軸拉伸試驗(yàn)中，當(dāng)應(yīng)力超過第一屈服點(diǎn)以后，試件出現(xiàn)角部應(yīng)力集中，導(dǎo)致撕裂破壞，無法得到第二屈服點(diǎn).

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