王禮法， 李雪清， 孫志宏， 單鴻波

(1.東華大學(xué) 紡織裝備教育部工程研究中心，上海201620；2.中國紡織機械器材工業(yè)協(xié)會，北京100028)

碳纖維管狀復(fù)合材料整體拉伸強度測試方法優(yōu)化

王禮法1， 李雪清2， 孫志宏1， 單鴻波1

(1.東華大學(xué) 紡織裝備教育部工程研究中心，上海201620；2.中國紡織機械器材工業(yè)協(xié)會，北京100028)

針對目前碳纖維管狀復(fù)合材料測試方法單一、整體拉伸測試方法存在不足的現(xiàn)狀，提出一種新的碳纖維管狀復(fù)合材料試樣處理方法，優(yōu)化改進整體拉伸強度測試方法，設(shè)計制備了試樣處理模具和整體拉伸專用夾具，并通過試驗驗證了新測試方法的優(yōu)越性，從而解決了管狀復(fù)合材料整體拉伸測試中夾持困難、失敗率高、耗時長的問題.

碳纖維；管狀復(fù)合材料；整體拉伸；強度；灌膠模具；夾具

碳纖維復(fù)合材料因其質(zhì)量輕、比剛度與比強度高、耐疲勞性能優(yōu)異、耐腐蝕性能好等特點，被廣泛應(yīng)用于航空航天飛行器元件.碳纖維復(fù)合材料通常采用樹脂基復(fù)合而成，屬脆性材料，其韌性較差.碳纖維管狀復(fù)合材料的力學(xué)性能的試驗和評價在其開發(fā)和應(yīng)用中具有重要的作用[1].

碳纖維復(fù)合材料的微觀構(gòu)造是一個復(fù)雜的多相體系，具有不均勻和多向異性特點.由于復(fù)合過程中常常含有低分子雜質(zhì)、空氣等，極易在復(fù)合材料成型過程中形成孔隙、分層等缺陷，碳纖維管狀復(fù)合材料整體試驗在對其力學(xué)性能的研究和評價中顯得尤為重要[2]. 碳纖維管狀復(fù)合材料由于其特殊的結(jié)構(gòu)性能，在做拉伸性能的測試研究時不僅對夾具結(jié)構(gòu)要求很高，同時碳纖維管狀復(fù)合材料與夾具配合部位對測試結(jié)果的可靠性也有很大的影響，因此，研制適當?shù)臏y試設(shè)備，優(yōu)化改進試樣與夾具的接觸面對碳纖維管狀復(fù)合材料整體拉伸性能的研究具有重要意義.本文主要圍繞碳纖維管狀復(fù)合材料構(gòu)件整體拉伸強度測試方法，分別從試驗方案設(shè)計、試樣制備、整體拉伸試驗夾具的設(shè)計制作、具體試驗實施、試驗結(jié)果比較等方面進行分析，并對本測試優(yōu)化方法進行驗證.

1　碳纖維管狀復(fù)合材料現(xiàn)有拉伸方法

碳纖維管狀復(fù)合材料的拉伸主要為軸向拉伸，可分為整體拉伸和取樣拉伸，主要測定其在一定環(huán)境條件下受到軸向力時的軸向抗拉力和抗拉強度，并以此來評價其優(yōu)劣性.由于碳纖維型號、復(fù)合基體、復(fù)合方法等的多樣化，再加之應(yīng)用領(lǐng)域的巨大差別，使得對碳纖維復(fù)合材料力學(xué)性能的要求不一，同時行業(yè)中又尚未形成一套專門針對碳纖維復(fù)合材料拉伸試驗的標準.

文獻[3-4]通過對GB/T 5349—2005《纖維增強熱固性塑料管軸向拉伸性能試驗方法》[5]中整體拉伸專用夾具進行設(shè)計改進，研制出一套適用于碳纖維管狀復(fù)合材料的拉伸試驗夾具.通過理論計算和試驗驗證，證明該夾具能夠較準確地測出碳纖維薄壁管的拉伸強度，具有應(yīng)用可行性.該夾具結(jié)構(gòu)圖如圖1所示.

2　碳纖維管狀復(fù)合材料整體拉伸試驗

采用文獻[3]設(shè)計改進的專用拉伸夾具進行碳纖維管狀復(fù)合材料的整體拉伸試驗.試驗所用的碳纖維管狀復(fù)合材料采用市場通用的T300(3K)碳纖維環(huán)氧樹脂預(yù)浸布纏繞成型復(fù)合圓管，參數(shù)如表1所示.

表1　試樣參數(shù)Table 1　Test specimen parameters

本試驗分別制備了直徑為30，40，50mm的碳纖維管狀復(fù)合材料各2根作為試樣.

2.1試驗設(shè)備和方案

試驗在YHS-229WJ-20T型微控電子萬能試驗機上進行，其最大承載能力為200kN，試驗力分辨率為最大試驗力的±1/300000. 參照文獻[3]中的試驗方案，按照圖1所示，將試樣與拉伸夾具裝配后，再裝載在試驗機上.檢查并確保安裝無誤后啟動萬能試驗機進行拉伸，直到測試試樣完全破壞斷裂，試驗停止.

2.2試驗結(jié)果及分析

在試驗過程中觀察到，隨著拉伸力的不斷上升，拉伸試樣不斷傳來纖維斷裂的破空聲.試驗停止后發(fā)現(xiàn)，斷裂破損部位基本都在彈性開口襯套與試樣接觸部位，未斷裂的另一端瓣形摩擦內(nèi)套與試樣的接觸口有很明顯的凹槽.綜合分析可知，夾持部位的管壁材料斷裂的主要原因是由于夾具內(nèi)套與彈性開口襯套在拉伸過程中不斷收縮，對試樣造成了不斷增加的剪切應(yīng)力，破壞了試樣的局部尺寸，導(dǎo)致局部應(yīng)力增加，引起局部破損，在巨大的受力作用下導(dǎo)致試樣被整體破壞斷裂.全部試樣測試結(jié)束后選取其中試驗成功的直徑為40mm的碳纖維管測試結(jié)果作分析比較，該試樣承受的最大力為86181.281N，其載荷-時間曲線如圖2所示.由圖2可知，在載荷上升過程中曲線不斷出現(xiàn)上、下波動，其原因為試樣在強拉力作用下與芯軸發(fā)生了細微的相對滑移.當拉力達到屈服點時，試樣被破壞斷裂，試驗機斷點保護停機，因此，拉力曲線陡然垂直下降.

圖2　直徑為40mm的碳纖維管狀復(fù)合材料的載荷-時間曲線Fig.2　The load-time curve of 40mm diameter tubular carbon fiber composite material

本次碳纖維管狀復(fù)合材料的整體拉伸測試結(jié)果如表2所示.由表2可知，使用該套夾具可以測試碳纖維管狀復(fù)合材料的拉伸強度，但試驗成功率不到40%，因試驗失敗后試樣不能再做測試，試樣浪費嚴重.

表2　碳纖維管狀復(fù)合材料的整體拉伸測試結(jié)果Table 2　Overall tensile test results of tubular carbon fiber composite material

2.3試驗方案評價

文獻[3]的拉伸專用夾具從性能上可以滿足拉伸要求,即被測試樣在拉斷之前夾具不會產(chǎn)生明顯的塑形變形和斷裂破壞，但是在試驗過程中發(fā)現(xiàn)以下4個問題：

(1) 測試試樣與專用夾具的裝配要求較高，但是由于測試試樣制備工藝的復(fù)雜性，其圓整度和平滑度都存在瑕疵，而裝配要求盡量減小配合間隙，因此在裝配時比較困難；

(2) 試驗成功率較低，主要原因在于夾具與萬能試驗機的裝配問題，如圖3所示，夾具芯軸一端與萬能試驗機通過一對V型滑塊的楔形下移而夾緊，因此，夾緊過程需要巨大的力推動滑塊下移，同時要保證滑塊與芯軸的摩擦力大于測試試樣的理論抗拉力，才不至于在試驗結(jié)束前芯軸被滑塊拉離(在試驗過程中曾多次出現(xiàn)芯軸滑落情況)；

圖3　夾具與試驗機連接圖Fig.3　Fixture connect with machine

(3) 測試結(jié)束后，發(fā)現(xiàn)測試試樣與拉伸夾具出現(xiàn)嚴重的過盈配合，在芯軸的作用下導(dǎo)致瓣形摩擦襯套、彈性開口襯套和剛性外套牢牢地嵌合在一起，試樣和夾具很難分離，即使暴力拆卸分開后對夾具的精度損傷也是巨大的；

(4) 對測試結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，試樣與夾具接觸部位有嚴重的凹痕，試樣破損基本都沿著該凹痕部位，屬于非正常斷裂破損，試驗結(jié)果的有效性大大降低[6-8].

3　拉伸試樣的優(yōu)化處理

傳統(tǒng)的拉伸測試方法對碳纖維會采取局部補強處理，但整體拉伸一般不做前期處理，試樣直接與夾具配合后進行拉伸試驗. 通過試驗后發(fā)現(xiàn)試樣不做前期處理很難獲取有效的試驗數(shù)據(jù)，因為試樣斷裂破損情況不符合選取標準(應(yīng)在試樣中段自然斷裂).然而采用常規(guī)的補強手段，即在夾持端纏繞上工業(yè)膠帶，試驗后發(fā)現(xiàn)試樣與夾具的配合不均勻，且由于碳纖維復(fù)合材料的整體抗拉力大，在測試中工業(yè)膠帶的塑性變形嚴重，試樣容易與夾具脫離導(dǎo)致試驗失敗.通過對舊方法的試驗、探索、分析后，提出了新的試樣制備優(yōu)化方案，解決了原方法所存在的弊端.這里設(shè)計試樣夾持段灌膠模具，如圖4所示.

1—底板；2—外套；3—芯軸；4—立管；5—上支撐環(huán)；6—螺釘圖4　灌膠模具Fig.4　Potting mould

將碳纖維管狀復(fù)合材料一端豎直插在外套與芯軸之間，通過上支撐環(huán)側(cè)面的3顆螺栓調(diào)節(jié)試樣的垂直度，保證試樣與水平面呈直角，然后擰緊螺栓固定試樣.用刻度杯取一定量的液態(tài)環(huán)氧樹脂，滴入適量的固化劑并攪拌均勻，沿著試樣與外套的孔隙倒入樹脂直到液面與外套壁等高，靜置待樹脂凝固即可.在試驗前對試樣進行兩夾持段樹脂復(fù)合，增大兩夾持段的壁厚，增加了夾持段的強度，避免出現(xiàn)由于夾具對試樣的剪切作用而導(dǎo)致試樣的非正常斷裂，確保試驗結(jié)果選取的有效性.

4　拉伸專用夾具的優(yōu)化設(shè)計及試驗驗證

針對上述試驗方案所得到的結(jié)果以及在試驗過程中發(fā)現(xiàn)的問題可知，只有進一步解決測試試樣與夾具的裝配問題、夾具和試驗機的安裝問題，才能更好地進行碳纖維管狀復(fù)合材料的整體拉伸強度測試及其性能研究.

4.1拉伸專用夾具的設(shè)計

針對2.3節(jié)中拉伸專用夾具存在的不足，這里對夾具進行了重新設(shè)計.用外脹套來取代先前的彈性開口襯套和剛性外套，只需通過外脹套上一對內(nèi)六角緊定螺釘即可完成夾緊或放松操作，極大地提高了試樣與夾具的裝配與拆卸速度，同時避免了暴力裝配、拆卸對試樣以及夾具造成損傷.拉伸專用夾具優(yōu)化設(shè)計后的效果圖和剖面圖如圖5所示.

(a)效果圖

1—試樣；2—瓣形摩擦內(nèi)套；3—芯軸；4—外脹套；5—緊固螺母；6—內(nèi)六角緊定螺釘(b) 剖面圖圖5　優(yōu)化設(shè)計后的拉伸專用夾具Fig.5　Optimization design of special tensile fixture

為了解決夾具與萬能試驗機的安裝問題，設(shè)計了如圖6所示的連接頭，取代萬能試驗機V型夾頭與拉伸專用夾具的裝配.連接頭剖視圖如圖7所示，通過一端螺紋孔與芯軸軸段的螺紋聯(lián)接，連接頭圓孔與萬能試驗機通過插銷固定，實現(xiàn)了拉伸專用夾具與試驗機的安裝，解決了舊夾具與試驗機安裝困難和芯軸打滑的問題.

圖6　連接頭與夾具裝配效果圖Fig.6　Fixture connect with connector

圖7　連接頭剖視圖Fig.7　Connector structure

4.2新夾具性能的試驗驗證

首先，運用第3節(jié)中的方法對試樣進行前期優(yōu)化處理.然后，將試樣按照步驟裝配專用拉伸夾具，將夾具安裝在萬能試驗機上，檢查無誤后啟動萬能試驗機.隨著時間的增加，碳纖維管狀復(fù)合材料兩端所受拉力也不斷上升，在拉伸過程中不時傳出細微的破空聲，待拉力上升到一定值時試樣從中部斷裂，同時伴隨著巨大的爆破聲，萬能試驗機受斷點保護停機.這里依然選取直徑為40mm的碳纖維管測試結(jié)果作分析比較，通過萬能試驗機操控臺所得其載荷-時間曲線如圖8所示，該試樣承受的最大力為89885.424N.由圖8觀察到在試驗后期曲線存在下滑波動，經(jīng)觀察、分析后判斷為夾具芯軸與瓣形摩擦襯套在受較大拉力時出現(xiàn)的輕微相對滑移.圖8曲線整體趨勢與圖2類似.

圖8　直徑為40mm的碳纖維管狀復(fù)合材料的載荷-時間曲線Fig.8　The load-time curve of 40mm diameter tubular carbon fiber composite material

對采用優(yōu)化夾具的整體拉伸測試結(jié)果統(tǒng)計如表3所示.由表3可知，采用優(yōu)化的專用夾具不僅能滿足碳纖維管狀復(fù)合材料拉伸試驗要求，而且每次試驗都能將試樣成功拉斷，成功率為100%.

表3　采用優(yōu)化專用夾具的碳纖維管狀復(fù)合材料的整體拉伸測試結(jié)果Table 3　The overall tensile results of tubular fiber composite material with improved special fixture

4.3新夾具性能的評價

使用新設(shè)計的拉伸專用夾具進行碳纖維管狀復(fù)合材料整體拉伸強度測試比使用舊夾具更加方便、快捷，同時提高了試驗的成功率.由圖2和8比較后可得：

(1) 新、舊夾具試驗所得的結(jié)果相近，都能滿足碳纖維管狀復(fù)合材料整體拉伸測試要求；

(2) 新夾具測試用時比舊夾具約減少60%，測試時間的大幅度減少可降低對拉伸專用夾具的磨損，增加夾具的循環(huán)使用性能，同時保障了夾具下次使用的精確性.另外，測試試驗機承受巨大拉力的時間減少，對試驗機的損耗也大幅度降低，使試驗機測試的精確性和使用壽命得到更好的保障；

(3) 新夾具測試所得曲線有更明顯的屈服點，這是由于新夾具的夾持效果遠大于舊夾具，當拉力不斷增加時夾具與試樣的相對滑移量較小，因此，試樣在抗拉力屈服處破損斷裂.由于舊夾具的夾持效果相對較低，在抗拉力到達屈服點時有一定程度的適應(yīng)期，使得所得曲線的屈服點不顯著.

5　結(jié)　語

本文優(yōu)化了碳纖維管狀復(fù)合材料整體拉伸強度測試方法，并驗證了新方法的可行性.通過設(shè)計試樣灌膠模具，改進整體拉伸專用夾具以及夾具與萬能試驗機的連接方式，在測試量程內(nèi)對碳纖維管狀復(fù)合材料進行整體拉伸測試，較準確地測得了碳纖維管狀復(fù)合材料的拉伸性能.解決了拉伸夾具與試樣的裝配、夾具與試驗機的連接難題，性能可靠且便于操作，極大地提高了拉伸試驗的成功率，最大限度降低了夾具和試驗機的損耗程度，提高了測試結(jié)果的有效性和精確性以及夾具使用的可重復(fù)性，避免了測試失敗造成的試樣浪費.試樣灌膠模具與拉伸專用夾具結(jié)構(gòu)簡單，制作成本低廉，可根據(jù)測試試樣大小調(diào)整尺寸.該方法為碳纖維管狀復(fù)合材料的整體拉伸強度性能研究提供了技術(shù)保障.

[1] 李靜.復(fù)合材料力學(xué)性能的試驗評價方法及其標準化動向[J].中國標準化,2003(12): 30-32.

[2] 李志君.先進復(fù)合材料的無損檢測[J].宇航材料工藝,2000, 30(5): 28-31.

[3] 單鴻波, 徐方, 孫志宏.碳纖維管狀復(fù)合材料拉伸強度測試方法研究[J].上海紡織科技,2013, 41(7): 1-4.

[4] 單鴻波，徐方，孫志宏，等.管狀復(fù)合材料拉伸性能測試及夾具原型系統(tǒng)[J].紡織學(xué)報,2013, 34(9): 134-138.

[5] 李建成，張海燕，劉慶云，等． GB/T 5349—2005纖維增強熱固性塑料管軸向拉伸性能試驗方法[S]． 北京: 中國建筑材料工業(yè)協(xié)會， 2005．

[6] PARNAS L, KATIRCI N. Design of fiber-reinforced composite pressure vessels under various loading conditions[J]. Composite Structures, 2002, 58(1): 83-95.

[7] FU T, ZHAO J L, XU K W. The designable elastic modulus of 3-D fabric reinforced biocomposites[J]. Materials Letters, 2007, 61(2): 330-333.

[8] HUANG Z M. Ultimate strength of a composite cylinder subjected to three-point bending: Correlation of beam theory with experiment[J]. Composite Structures, 2004, 63(3): 439-445.

Optimal Testing Methods of Overall Tensile Strength for Tubular Carbon Fiber Composite Materials

WANGLi-fa1,LIXue-qing2,SUNZhi-hong1,SHANHong-bo1

(1.Engineering Research Center of Advanced Textile Machinery，Ministry of Education, Donghua University,Shanghai 201620, China；2.China Textile Machinery Association,Beijing 100028,China)

Aiming at the tubular carbon fiber composite materials with single test method and the deficiencies in overall tensile test method, a new processing method to tubular carbon fiber composite sample is proposed, overall tensile strength test methods are optimized, the mould and fixtures are designed and prepared. By real tests, the usefulness and reliability of the mould and fixtures are confirmed, and this will make it more easier, reliable and time saving when testing the overall tensile strength of tubular composite materials.

carbon fiber; tubular composite materials; overall tensile; strength; potting mould; fixture

1671-0444(2015)03-0360-05

2014-04-25

科技部支撐計劃資助項目(2011BAF08B03)

王禮法(1990—)，男，云南曲靖人，碩士研究生，研究方向為碳纖維復(fù)合材料力學(xué)性能.E-mail: aori12345@163.com

孫志宏(聯(lián)系人)，女，教授，E-mail: zhsun@dhu.edu.cn

TS 101.9

B