汪澤幸， 何 斌， 陳 妍， 李洪登

(1. 湖南工程學(xué)院 紡織服裝學(xué)院, 湖南 湘潭 411104; 2. 湖南省新型纖維面料及加工工程技術(shù)研究中心， 湖南 益陽(yáng) 413000)

損傷條件下聚氯乙烯涂層膜結(jié)構(gòu)材料拉伸蠕變特性

汪澤幸1,2， 何 斌1,2， 陳 妍1， 李洪登1

(1. 湖南工程學(xué)院 紡織服裝學(xué)院, 湖南 湘潭 411104; 2. 湖南省新型纖維面料及加工工程技術(shù)研究中心， 湖南 益陽(yáng) 413000)

為進(jìn)一步研究膜結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)特性，以機(jī)織聚氯乙烯涂層膜結(jié)構(gòu)材料為研究對(duì)象，對(duì)其無(wú)損及單邊切口試樣的短期拉伸蠕變性能進(jìn)行測(cè)試，分析切口尺寸及蠕變應(yīng)力對(duì)蠕變性能的影響，并對(duì)其拉伸蠕變特性進(jìn)行研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：無(wú)損及切口試樣的蠕變曲線(xiàn)均體現(xiàn)了初始蠕變和等速蠕變階段的特征。在同等凈切口蠕變應(yīng)力條件下，切口試樣的蠕變量小于無(wú)損試樣，且隨著切口尺寸的增加而降低。相對(duì)于Findley模型，4元件Burger模型較適合描述聚氯乙烯涂層膜結(jié)構(gòu)材料的短期蠕變行為。同時(shí)，基于4元件Burger模型擬合系數(shù)，分析了蠕變應(yīng)力及切口尺寸對(duì)初始蠕變應(yīng)變、緩彈性變形和黏性變形的影響。

聚氯乙烯涂層膜結(jié)構(gòu)材料； 機(jī)織物； 蠕變； 單邊切口； Burger模型

膜結(jié)構(gòu)材料通常以高強(qiáng)滌綸絲或玻纖制備的機(jī)織平紋或變化平紋織物為骨架結(jié)構(gòu)的聚氯乙烯(PVC)或聚四氟乙烯(PTFE)為表面涂覆材料，采用涂層工藝制備成柔性復(fù)合材料，其作為一種新型的建筑結(jié)構(gòu)材料，膜結(jié)構(gòu)材料因其具有高強(qiáng)輕質(zhì)、防火及施工方便等優(yōu)點(diǎn)而倍受關(guān)注[1]。

膜結(jié)構(gòu)材料通常與索、纜及其他建筑材料一起形成并長(zhǎng)期保持復(fù)雜的外觀(guān)形態(tài)。以PVC涂層膜結(jié)構(gòu)材料為代表，因其骨架纖維材料及表層涂覆材料所具有的黏彈性特性，外加載荷作用下，其變形表現(xiàn)出時(shí)間依賴(lài)性，在高溫及高載荷條件下，其黏彈性變形特性表現(xiàn)得越明顯。

在使用過(guò)程中，膜結(jié)構(gòu)材料通常承受張拉作用，其將表現(xiàn)出蠕變特性，從而產(chǎn)生不可預(yù)測(cè)的形態(tài)變化，結(jié)構(gòu)性能劣化，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致材料失效[2]。因此，需對(duì)其蠕變性能進(jìn)行研究，以便在設(shè)計(jì)和施工時(shí)加以考慮，盡可能避免該類(lèi)現(xiàn)象的發(fā)生。目前，在單向[3-5]、雙向載荷[6]下，對(duì)PVC涂層膜結(jié)構(gòu)材料的蠕變性能進(jìn)行了大量研究，并基于蠕變模型[4,7]和數(shù)值分析方法[2-3, 8]對(duì)蠕變行為進(jìn)行了討論。

目前，對(duì)膜結(jié)構(gòu)材料蠕變性能的研究均基于無(wú)損試樣，但是膜結(jié)構(gòu)材料在生產(chǎn)和使用過(guò)程中，將不可避免地產(chǎn)生內(nèi)部缺陷和表面損傷。此類(lèi)損傷的存在，將導(dǎo)致?lián)p傷根部應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)發(fā)生改變，損傷根部應(yīng)變激劇放大[9]，從而在單向[10-14]、雙向[15-17]及多向[18]載荷作用下，其拉伸力學(xué)性能均呈現(xiàn)劣化趨勢(shì)。

蠕變是受多種因素影響的復(fù)雜的物理現(xiàn)象，以PVC涂層膜結(jié)構(gòu)材料為例，其蠕變性能與涂覆層與增強(qiáng)纖維的粘彈性特性、增強(qiáng)骨架結(jié)構(gòu)以及界面性能等因素相關(guān)。雖然現(xiàn)有研究表明以切口為代表的缺陷會(huì)劣化材料的拉伸力學(xué)性能，但未對(duì)切口試樣的蠕變性能進(jìn)行測(cè)試和分析。

基于此，本文以無(wú)損及預(yù)置單邊切口的PVC涂層膜結(jié)構(gòu)材料為研究對(duì)象，對(duì)其短期蠕變性能進(jìn)行測(cè)試，并對(duì)其蠕變模型的適用性進(jìn)行討論，對(duì)切口尺寸及凈切口蠕變應(yīng)力與材料蠕變性能的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行研究和分析。

1 蠕變模型

對(duì)于黏彈性材料，其蠕變模型可分為經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃臀锢砟Ｐ?類(lèi)。經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭校诜蔷€(xiàn)性牛頓流體元件建立的Findley模型在聚合物及其復(fù)合材料中應(yīng)用最為廣泛[19-22]，在蠕變應(yīng)力σc作用下，其蠕變應(yīng)變?chǔ)與的表達(dá)式為[19]：

εc=atb+ε0

(1)

式中：ε0為初始蠕變應(yīng)變，mm/mm；t為蠕變時(shí)間，s；a、b為與蠕變應(yīng)力σc及蠕變時(shí)間t相關(guān)的變量。

作為應(yīng)用最廣泛的物理模型，Burger模型由1個(gè)Maxwell單元和多個(gè)Kevin單元串聯(lián)而成[23]。

對(duì)于Burger模型，其蠕變應(yīng)變?chǔ)與與蠕變應(yīng)力σc及蠕變時(shí)間t之間的關(guān)系可表示為：

當(dāng)Kevin單元數(shù)為1時(shí)，通用Burger模型退化為4元件Burger模型，其蠕變應(yīng)變方程可表示為

(2)

式中：EM、EKj分別為Maxwell和第j個(gè)Kevin單元中彈簧的彈性模量，N/mm；ηM，ηKj分別為Maxwell和第j個(gè)Kevin單元中的黏滯系數(shù)，N·s/mm；下標(biāo)M表示Maxwell單元，K表示Kelvin單元。

設(shè)A=σc/EM，B=σc/EK，C=EK/ηK，D=σc/ηM為擬合系數(shù)，其蠕變應(yīng)變方程可改寫(xiě)為

ε(t)=A+B[1-exp(-Ct)]+Dt

(3)

式中：A=σc/EM表示急彈性變形，或稱(chēng)為初始蠕變；B[1-exp(-Ct)] 表示緩彈性變形；Dt表示黏性變形。

2 實(shí)驗(yàn)材料與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

本文選用111.11 tex高強(qiáng)滌綸長(zhǎng)絲制備的機(jī)織物為增強(qiáng)骨架的膜結(jié)構(gòu)材料，織物經(jīng)緯向紗線(xiàn)密度均為24根/5 cm，增強(qiáng)骨架織物表面涂覆PVC，表層涂覆聚偏氟乙烯作為耐候?qū)?，膜結(jié)構(gòu)材料厚度為0.72 mm，面密度為800 g/m2。

2.2 試樣制備及實(shí)驗(yàn)方法

試樣規(guī)格及尺寸如圖1所示，考慮到切口因素對(duì)材料蠕變性能的影響，采用鋒利的美工刀片在試樣上制備單邊切口，從而獲得單邊切口拉伸(Single Edge Notch Tensile, SENT)試樣。為減少試樣與夾具內(nèi)表面間滑移，并減少夾具內(nèi)表面對(duì)試樣夾持部位的損傷，試樣兩端夾持部位采用鋁合金薄片加以保護(hù)，并采用高強(qiáng)粘合劑加以黏合。

圖1 試樣外形及尺寸Fig.1 Slape and dimension of the tested sample

拉伸性能測(cè)試的加載速度設(shè)定為100 mm/min，采用工程應(yīng)力-工程應(yīng)變曲線(xiàn)表征材料的抗拉性能。應(yīng)力σ及應(yīng)變?chǔ)诺挠?jì)算公式可表示為

(4)

(5)

式中：W、L0分別為試樣的有效寬度和夾持隔距，mm；α為單邊切口試樣的切口尺寸，mm；△L為夾具位移量，mm。

基于拉伸曲線(xiàn)，選取蠕變應(yīng)力σc分別為15、20、25及30 N/mm。采用100 mm/min的加載速率將試樣拉伸至設(shè)定的蠕變載荷值，蠕變載荷F可表示為σc(W-α)，蠕變載荷保持時(shí)間為3 600 s。有效試樣樣本數(shù)為3，并以代表性蠕變曲線(xiàn)為后續(xù)分析對(duì)象。

所有拉伸實(shí)驗(yàn)及蠕變實(shí)驗(yàn)均基于WDW-20C微機(jī)控制電子試驗(yàn)機(jī)在室溫下進(jìn)行。

3 結(jié)果與分析

3.1 單向拉伸性能

試樣的拉伸應(yīng)力與應(yīng)變曲線(xiàn)如圖2所示。從圖中可以看出，試樣的抗拉強(qiáng)度隨切口尺寸的增加而降低，表明預(yù)置切口的存在將會(huì)劣化材料的拉伸強(qiáng)度，這主要是由于隨著切口尺寸α的增加，試樣中韌帶寬度(W-α)內(nèi)，可承載紗線(xiàn)根數(shù)的減少[10-11]。

圖2 試樣拉伸應(yīng)力與應(yīng)變曲線(xiàn)Fig.2 Curves of tensile stress and strain of tested samples

實(shí)驗(yàn)中切口試樣的模量高于無(wú)損試樣，且隨著切口尺寸的增加而增加，這主要是由于切口的存在而導(dǎo)致切口根部產(chǎn)生的塑性變形區(qū)所致。假設(shè)：尺寸α為切口位于對(duì)稱(chēng)線(xiàn)處，忽略拉伸過(guò)程中試樣產(chǎn)生的頸縮現(xiàn)象如圖3所示。

圖3 單邊切口試樣形變分布示意圖Fig.3 Schematic of strain distribution for SENT specimen

在凈切口應(yīng)力σ作用下，切口根部將產(chǎn)生橢圓形塑性變形區(qū)，其短軸為b，長(zhǎng)軸為d；則試樣可劃分為A、B 2個(gè)區(qū)域，則試樣總變形可表示為

ε=ε1+ε2+ε1=2ε1+ε2

(6)

在凈切口應(yīng)力σ作用下，A區(qū)所受的應(yīng)力可表示為σ(W-α)/W，則應(yīng)變?chǔ)?可表示為

(7)

凈切口應(yīng)力保持不變時(shí)，可認(rèn)為切口根部塑性變形區(qū)尺寸保持不變，則應(yīng)變?chǔ)?保持不變，試樣總應(yīng)變?chǔ)排c切口尺寸α之間的關(guān)系可表示為

(8)

基于上述分析，可認(rèn)為在同等凈切口應(yīng)力σ作用下，隨著切口尺寸α的增加，韌帶部位尺寸(W-α)減少，非塑性變形區(qū)段所受應(yīng)力σ(W-α)/W降低，從而引起總應(yīng)變減少，宏觀(guān)表現(xiàn)為模量E=σ/ε增加，與圖3中所示結(jié)果保持一致。

3.2 蠕變應(yīng)變分析

蠕變應(yīng)變可表示為

(9)

式中：△L為蠕變過(guò)程中試樣的伸長(zhǎng)量，mm；L0為試樣有效夾持長(zhǎng)度，mm。

無(wú)損及切口試樣在不同凈切口蠕變應(yīng)力條件下的短期蠕變曲線(xiàn)如圖4所示。從圖中可以看出，無(wú)損及損傷試樣的蠕變曲線(xiàn)都體現(xiàn)了初始蠕變階段和等速蠕變階段的特征。在低應(yīng)力條件下，蠕變變形較緩慢，隨蠕變應(yīng)力的增加，蠕變變形加快。

圖4 試樣的典型蠕變曲線(xiàn)Fig.4 Typical creep curves of tested specimens under creep stress of 20, 30 N/m (a) and 15，25 N/m(b)

在相同切口尺寸下，蠕變應(yīng)變隨蠕變應(yīng)力的增加而增加，表明蠕變應(yīng)變依賴(lài)于蠕變應(yīng)力。在外加載荷作用下，涂覆高分子材料及高強(qiáng)滌綸纖維中分子鏈不斷進(jìn)行構(gòu)象調(diào)整，鍵長(zhǎng)和鍵角發(fā)生改變，同時(shí)大分子鏈之間產(chǎn)生滑移，同時(shí)增強(qiáng)骨架織物結(jié)構(gòu)在外加載荷作用下發(fā)生結(jié)構(gòu)相的變化，宏觀(guān)上表現(xiàn)為材料發(fā)生蠕變現(xiàn)象。

同時(shí)，圖4還表明，在同等蠕變應(yīng)力作用下，切口試樣的蠕變量小于無(wú)損試樣，且隨著切口尺寸的增加蠕變量隨之降低，可認(rèn)為這主要是由于無(wú)損及切口試樣的拉伸模量之間存在差異所致。

圖5 典型試樣的蠕變數(shù)據(jù)擬合曲線(xiàn)圖Fig.5 Fitted curves of creep data for typical tested samples.(a) Un-notched specimen; (b) Notched specimen

3.3 蠕變模型擬合

基于公式(1)和(3)，利用最小二乘法對(duì)不同切口尺寸試樣在不同蠕變應(yīng)力下的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析，圖5示出典型無(wú)損試樣和切口試樣的擬合圖示。從圖可看出，F(xiàn)indley和4元件Burger模型的擬合系數(shù)平方R2均超過(guò)0.9，表明2種蠕變模型均具有較高的擬合精度。

采用上述2種模型描述PVC膜結(jié)構(gòu)材料的蠕變性能時(shí)，均存在一定的誤差，不能精準(zhǔn)地反映膜結(jié)構(gòu)材料的蠕變性能。但相對(duì)于Findley模型，4元件Burger模型的預(yù)測(cè)精度較高，且在各階段偏離實(shí)測(cè)值相對(duì)較小。

基于此，本文采用4元件Burger模型對(duì)試樣的蠕變曲線(xiàn)進(jìn)行非線(xiàn)性擬合，并對(duì)擬合參數(shù)進(jìn)行分析。

3.4 初始蠕變應(yīng)變

由式(3)可知，當(dāng)時(shí)間t=0時(shí)：

(12)

又因A=σc/EM，表明式4中的擬合參數(shù)A即為初始蠕變應(yīng)變?chǔ)?。不同切口尺寸及蠕變應(yīng)力條件下，初始蠕變應(yīng)變的變化趨勢(shì)如圖6所示。

圖6 初始蠕變應(yīng)變隨蠕變應(yīng)力的變化趨勢(shì)Fig.6 Variation of initial creep strain with creep stess

圖6表明在相同切口尺寸下，初始蠕變應(yīng)變隨蠕變應(yīng)力的增加而增加；且在同等蠕變應(yīng)力作用下下，切口試樣的初始蠕變應(yīng)變小于無(wú)損試樣，且隨切口尺寸的增加而降低。這主要是由于在切口和外加應(yīng)力下其割線(xiàn)模量的差異而造成的。

圖7 切口試樣的割線(xiàn)模量與蠕變應(yīng)力關(guān)系(a=9 mm)Fig.7 Curve of segment modulus(E)(a=9 mm)

圖8 割線(xiàn)模量變化趨勢(shì)圖(蠕變應(yīng)力為20 N/mm)Fig.8 Variation of segment modulus (creep stress of 20 N/mm)

在相同應(yīng)力下，試樣割線(xiàn)模量隨切口尺寸的增加而增加。由式9可知，在同等蠕變應(yīng)力條件下，初始蠕變量隨割線(xiàn)模量的增加而減少，即在同等凈切口蠕變應(yīng)力條件下，試樣的初始蠕變量隨切口尺寸的增加而下降(如圖6所示)。割線(xiàn)模量變化趨勢(shì)表明，初始蠕變應(yīng)力及切口尺寸對(duì)割線(xiàn)模量存在耦合關(guān)系。

3.5 緩彈性變形

緩彈性變形反映材料在外加載荷下變形隨時(shí)間的增加而變化的關(guān)系，如圖9所示。

圖9 擬合參數(shù)C及推遲時(shí)間隨蠕變應(yīng)力變化趨勢(shì)Fig.9 Variation of fitted parameter C and τk with creep stress

對(duì)于Kelvin模型，通常采用推遲時(shí)間τk來(lái)表征黏彈性材料的蠕變性能。基于此，本文采用Burger單元中的緩彈性模量EK及黏滯系數(shù)ηK來(lái)表征材料的推遲時(shí)間，其表示完成0.632倍蠕變過(guò)程所需要的時(shí)間，推遲時(shí)間越長(zhǎng)則表明材料變形發(fā)展越緩慢。推遲時(shí)間的表達(dá)式可表示為

(10)

推遲時(shí)間τk隨蠕變應(yīng)力σc的提高和切口尺寸α的增加而降低。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，在低蠕變應(yīng)力條件下，切口對(duì)試樣推遲時(shí)間的影響不明顯，隨著蠕變應(yīng)力的增加，差異性得以明顯體現(xiàn)。

對(duì)于PVC涂層高強(qiáng)滌綸長(zhǎng)絲機(jī)織物膜結(jié)構(gòu)材料，緩彈性變形是通過(guò)高強(qiáng)滌綸長(zhǎng)絲和涂覆高分子材料中的大分子鏈段運(yùn)動(dòng)，分子鏈的逐漸伸展而形成，其形變量與時(shí)間呈現(xiàn)指數(shù)關(guān)系[24]。蠕變應(yīng)力越高，大分子鏈段運(yùn)動(dòng)和分子鏈的伸展速度越快，達(dá)到0.632倍蠕變過(guò)程所需要的時(shí)間越短，即推遲時(shí)間τk越短；蠕變時(shí)間越長(zhǎng)，大分子鏈段運(yùn)動(dòng)和分子鏈的伸展越充分。

因本文基于凈切口應(yīng)力對(duì)試樣的蠕變性能進(jìn)行測(cè)試和分析，故在同等蠕變應(yīng)力σc條件下，B區(qū)所受的應(yīng)力保持不變，高強(qiáng)滌綸長(zhǎng)絲和涂覆高分子材料中，大分子鏈段運(yùn)動(dòng)和分子鏈伸展速度可認(rèn)為保持不變；而A區(qū)所受應(yīng)力σc(W-α)/W，隨切口尺寸α的增加而減少，A區(qū)高強(qiáng)滌綸和涂覆高分子材料中大分子鏈段運(yùn)動(dòng)和分子鏈的伸展速度變緩，從而導(dǎo)致推遲時(shí)間降低；從而表現(xiàn)為在同等蠕變應(yīng)力下，切口尺寸增加，推遲時(shí)間降低。

在同等切口尺寸下，蠕變應(yīng)力增加，A區(qū)和B區(qū)所受的應(yīng)力增加，兩區(qū)的高強(qiáng)滌綸長(zhǎng)絲和涂覆高分子材料中大分子鏈段運(yùn)動(dòng)和分子鏈伸展速度均增加，從而表現(xiàn)為在同等切口尺寸下，蠕變應(yīng)力增加，推遲時(shí)間降低。

3.6 黏性變形

黏性變形指在蠕變過(guò)程中，隨時(shí)間流逝而產(chǎn)生的不可逆的塑性變形，擬合參數(shù)D=σc/ηM表征蠕變過(guò)程中黏性變形的大小。D隨蠕變應(yīng)力的增加而增加。PVC涂層膜結(jié)構(gòu)材料在外加載荷作用下，高強(qiáng)滌綸絲及涂覆高分子材料中大分子鏈段之間產(chǎn)生滑移，增強(qiáng)骨架織物結(jié)構(gòu)相產(chǎn)生不可逆改變，以及基體與骨架織物之間的連接點(diǎn)發(fā)生破壞等，最終導(dǎo)致抗持久性能降低。外加載荷越高，產(chǎn)生滑移的大分子鏈段的數(shù)量越多，滑移距離越大，宏觀(guān)表現(xiàn)為黏性變形的增加。

在同等蠕變應(yīng)力σc作用下，隨著切口尺寸α的增加，B區(qū)切口根部的塑形變形區(qū)尺寸可認(rèn)為保持不變，但在韌帶范圍(W-α)內(nèi)塑形變形區(qū)所占的比重b/(W-α)增加，B區(qū)產(chǎn)生的黏性變形隨之增加。A區(qū)所受的外加應(yīng)力σc(W-α)/W隨切口尺寸α的增加而降低，導(dǎo)致A區(qū)產(chǎn)生的黏性變形減少結(jié)果如圖10所示。

圖10 擬合參數(shù)D隨蠕變應(yīng)力變化趨勢(shì)Fig.10 Variation of fitted parameter D with creep stress

當(dāng)蠕變應(yīng)力σc<20 N/mm時(shí)，無(wú)損試樣的黏性變形高于損傷試樣，且損傷尺寸α增加，黏性變形減少；而當(dāng)蠕變應(yīng)力σc>20 N/mm后，損傷試樣的黏性變形明顯高于無(wú)損試樣，且損傷尺寸α增加，黏性變形增加。

該種現(xiàn)象可歸結(jié)為，在外加蠕變應(yīng)力σc作用下，試樣的黏性變形由A區(qū)和B區(qū)所產(chǎn)生的黏性變形構(gòu)成，隨蠕變應(yīng)力增加，不同損傷尺寸的試樣其A區(qū)黏性變形的增加率，與B區(qū)黏性變形的降低率不等所致。

對(duì)于Maxwell模型，通常采用松弛時(shí)間τ表征粘彈性材料的應(yīng)力松弛性能，表征材料黏彈性比例的參數(shù)，τ值越高，材料的彈性越顯著，抗永久性變形能力越強(qiáng)。本文基于Burger單元中彈簧的EM及黏滯系數(shù)ηM計(jì)算松弛時(shí)間τ，其計(jì)算公式可表示為

(11)

在本文選用的蠕變應(yīng)力范圍內(nèi)，隨著蠕變應(yīng)力的提高，松弛時(shí)間增加，表明材料的抗永久變形能力增加。這主要是由于蠕變開(kāi)始前的拉伸過(guò)程中，隨著蠕變應(yīng)力的增加，高分子涂覆層及增強(qiáng)骨架材料中大分子滑移程度和增強(qiáng)骨架結(jié)構(gòu)相變化程度增加，導(dǎo)致蠕變過(guò)程中，材料變形主要源自大分子鏈進(jìn)一步伸直，蠕變階段材料變形較為困難，結(jié)果如圖11所示。

圖11 松弛時(shí)間隨蠕變應(yīng)力變化趨勢(shì)Fig.11 Variation of Time with creep stress

從圖中還可看出，在同等蠕變應(yīng)力條件下，切口件的抗永久變形能力優(yōu)于無(wú)損試樣，且隨著切口尺寸α的增加，抗永久變形能力提高。這主要是由于對(duì)于切口試樣，其變形能力主要由A區(qū)和B區(qū)(如圖3所示)構(gòu)成。在同等蠕變應(yīng)力σc作用下，切口尺寸α增加，韌帶(W-α)區(qū)域內(nèi)塑形變形區(qū)的比重b/(W-α)增加，約束蠕變時(shí)B區(qū)的變形能力，且切口根部塑形變形區(qū)的變形能力，在蠕變前的加載過(guò)程中已經(jīng)充分釋放，導(dǎo)致在蠕變階段其可變形能力有限。此外，隨切口尺寸α的增加，A區(qū)所受的外加應(yīng)力σc(W-α)/W減少，導(dǎo)致A區(qū)的變形能力下降，從而在宏觀(guān)上導(dǎo)致在蠕變階段，變形能力降低，抗永久性變形能力增加。

4 結(jié) 論

本文基于PVC涂層膜結(jié)構(gòu)材料，對(duì)無(wú)損及切口試樣的短期蠕變性能進(jìn)行了測(cè)試，基于蠕變應(yīng)變對(duì)其蠕變性能進(jìn)行了分析；基于4元件Burger模型擬合參數(shù)，討論了凈切口蠕變應(yīng)力及切口尺寸對(duì)初始蠕變應(yīng)變、緩彈性變形及黏性變形能的影響進(jìn)行了分析。并對(duì)切口試樣割線(xiàn)模量與切口尺寸之間的關(guān)系進(jìn)行了初步分析。

1)在同等凈切切口蠕變應(yīng)力作用下，切口試樣的蠕變量小于無(wú)損試樣，且隨著切口尺寸的增加蠕變量隨之降低。相對(duì)于Findley模型，4元件Burger模型能較好地描述材料的蠕變行為。

2)同切口尺寸下，初始蠕變量隨著凈切口蠕變應(yīng)力的增加而增加；在相等蠕變應(yīng)力條件，初始蠕變量隨切口尺寸的增加而降低。

3)推遲時(shí)間隨著凈切口蠕變應(yīng)力和切口尺寸的增加而降低，凈切口蠕變應(yīng)力較低時(shí)，切口對(duì)試樣推遲時(shí)間的影響不明顯，隨著蠕變應(yīng)力的增加，差異性得以明顯體現(xiàn)。松弛時(shí)間隨著凈切口蠕變應(yīng)力的增加而增加，且隨著切口尺寸的增加而減少。

4)同等凈切口應(yīng)力條件下，隨著切口尺寸的增加，韌帶部位尺寸減少，由于非塑性變形區(qū)所受應(yīng)力的降低，引起總應(yīng)變減少，導(dǎo)致模量增加。

本文基于單一材料，從定性的角度，分析了切口的存在對(duì)PVC涂層膜結(jié)構(gòu)材料短時(shí)蠕變特性的影響，雖研究對(duì)象具有代表性，但在選材上仍具有一定的局限性。為更全面地分析損傷的存在對(duì)膜結(jié)構(gòu)材料蠕變性能影響，需進(jìn)一步選用不同骨架結(jié)構(gòu)、厚度以及不同制備工藝加工的膜結(jié)構(gòu)材料為研究對(duì)象，對(duì)其在不同損傷形式條件下的長(zhǎng)期蠕變性能進(jìn)行測(cè)試，并采用定量的研究方法進(jìn)行分析。

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Tensilecreepcharacteristicsofpolyvinylchloridecoatedmembranematerialwithdamage

WANG Zexing1,2, HE Bin1,2, CHEN Yan1, LI Hongdeng1

(1.CollegeofTextileandFashion,HunanInstituteofEngineering,Xiangtan,Hunan411104,China;2.HunanEngineeringResearchCenterofNewFiberandFabric&Processing,Yiyang,Hunan413000,China)

To further investigate the mechanical behavior of membrane materials, short-term tensile creep test on un-notched and single-edge notched samples were conducted based on a PVC coated membrane material, the influence of notch size and creep stress on tensile creep behavior were analyzed, and tensile creep characteristics were also studied. The experimental results demonstrate that the initial creep and constant creep rate creep stage are also exhibited in un-notched and notched samples. Under the same net-cross creep stress, notched samples exhibit lower creep strain than un-notched samples, and creep strain decreases with the increase of notch size. Compared with Findley model, the 4-element Burger model is more appropriate to describe the short-term tensile creep behavior for the PVC coated membrane material. Meanwhile, the influences of creep stress and notch size on the initial creep strain, delay-elastic deformation and viscous deformation were also discussed, based on the fitted parameters obtained by the 4-element Burger model.

polyvinyl coated membrane material; woven fabric; creep; single edge notch; Burger model

TS 101.923;TB 332

A

10.13475/j.fzxb.20160505308

2016-05-23

2017-07-07

湖南省科技廳科學(xué)研究項(xiàng)目(2013FJ3091)

汪澤幸(1982—)，男，副教授，博士。主要研究方向?yàn)楫a(chǎn)業(yè)用紡織品。E-mail：zexing.wang@gmail.com。