CN105067437A - 一种聚合物复合材料条形试样拉伸性能的测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种聚合物复合材料条形试样拉伸性能的测试方法，包括如下步骤：（ⅰ）制备条形试样；（ⅱ）测量条形试样尺寸；（ⅲ）粘接条形试样；（ⅳ）对条形试样进行轴向拉伸试验；（ⅴ）计算拉伸破坏强度和轴向拉伸模量。本发明采用条形试样拉伸试验方法，由于所需条形试样的尺寸小，节省了材料，试验所需加载的载荷小，使测试操作相对简便。本发明既能测得条形试样的拉伸破坏强度，又能得到条形试样的轴向拉伸模量，克服了现有技术中使用整筒拉伸试验时，只能得到样品的轴向拉伸模量，而不能得到样品的拉伸破坏强度的缺点。

Description

一种聚合物复合材料条形试样拉伸性能的测试方法

技术领域

本发明属于一种复合材料拉伸性能测试方法，具体涉及一种聚合物复合材料条形试样拉伸性能的测试方法。

背景技术

工程技术中，对于聚合物基复合材料（如碳纤维、玻璃纤维）环形缠绕圆筒，一般采用ASTMD5450/D5450M-93（06）或GB/T5349标准进行横向拉伸性能试验；对于聚合物基复合材料层合板结构件，一般采用ASTMD3039/D3039M-07或GB/T3354-1999标准进行横向拉伸性能试验。

但是对于特殊结构的纯螺旋层或者螺旋层加环向层缠绕的薄壁圆筒的聚合物复合材料，目前还没有统一的轴向拉伸性能测试标准，一般使用整筒拉伸试验方法进行测试，然而整筒拉伸试验时需要很大的载荷才能破坏进行测试，因此该方法只能得到轴向拉伸模量，不能得到拉伸破坏强度。

发明内容

本发明是为了克服现有技术中存在的缺点而提出的，其目的是提供一种聚合物复合材料条形试样拉伸性能的测试方法。

本发明是按以下技术方案实现的：

一种聚合物复合材料条形试样拉伸性能的测试方法，包括如下步骤：

（ⅰ）制备条形试样

将聚合物复合材料筒经机加工切成长度为170～185mm的薄壁圆筒，沿薄壁圆筒轴向切割成宽度为20～25mm、厚度为1～5mm的条形试样，打磨条形试样边缘的毛刺，使其表面光滑，每次测试至少制备五个条形试样，S1；

（ⅱ）测量条形试样尺寸

对每一个条形试样进行测量，对其宽度、厚度的尺寸进行多次测量，并将各次测量的平均值作为该条形试样的宽度、厚度取值，S2；

（ⅲ）粘接条形试样

将条形试样一端的外圆周凸面与凹面加强片的弧形凹面粘接、条形试样同一端的内圆周凹面与凸面加强片的弧形凸面粘接；条形试样的另一端采用同样的方法将条形试样的另一端、凹面加强片和凸面加强片粘接在一起；

粘接完毕，待粘接胶固化后，打磨条形试样两侧面工作段的中间部分，在条形试样的中间部分的外圆周凸面和内圆周凹面沿轴向分别粘贴两个应变片，内外应变片的数量和位置沿轴向对称布置，S3；

（ⅳ）对条形试样进行轴向拉伸试验

将粘接好的条形试样安装在材料试验机上，对每一个条形试样分别进行轴向拉伸试验，加载速度为1～2mm/min，记录每个条形试样断裂时的最大载荷，S4；

（ⅴ）计算拉伸破坏强度和轴向拉伸模量

按照以下公式①计算每个条形试样的拉伸破坏强度：

①

式中，为拉伸破坏强度，单位为MPa；为条形试样断裂时的最大载荷，单位为N；为条形试样的宽度，单位为mm；为条形试样的厚度，单位为mm；

然后，求这五个条形试样的拉伸破坏强度的平均值；

根据应变—应力曲线在一定的应变取值范围内，采用最小二乘法将数据对进行直线拟合，拟合直线的应变取值范围为1000με（0.1%应变）～3000με（初期失效前0.35%以内），满足载荷与应变读数对至少为八对，拟合直线的斜率即为复合材料的轴向拉伸模量，再计算斜率变度系数、弯曲系数对所得的轴向拉伸模量进行有效判据，其中，斜率变度系数按公式②计算：

②

式中：为斜率变度系数，单位为%；为线性相关系数，为应力-应变数据对数目；

斜率变度系数定量表征了拟合优度，该值越小说明线性关系拟合结果越可靠，一般认为斜率变度系数小于2%，通过拟合得到的数据可靠；

弯曲系数按公式③计算：

③

式中：为弯曲系数，单位为%，是指两片应变片的应变数据极差与均值之比；、分别为两片应变片的应变数据，S5。

本发明的有益效果

本发明将纯螺旋层或者螺旋层加环向层缠绕的薄壁圆筒结构的复合材料切割成条形试样，对条形试样进行测量时，将条形试样两端用与条形试样两端弧度相匹配的凹加强片、凸加强片进行粘接固定，解决了装卡的对中性问题；克服了试样两端由于存在夹具部位的应力集中，条形试样夹持端部附近容易破坏的缺点；解决了现有技术中，因复合材料轴向承载能力增加，柔性增强，致使其承载能力不足而无法满足应用的问题。

附图说明

图1是本发明中凹面加强片的主视图；

图2是本发明中凹面加强片的俯视图；

图3是本发明中凹面加强片的左视图；

图4是本发明中凸面加强片的主视图；

图5是本发明中凸面加强片的俯视图；

图6是本发明中凸面加强片的左视图；

图7是本发明中条形试样与凹凸面加强片粘接后的主视图；

图8是本发明中条形试样与凹凸面加强片粘接后的俯视图；

图9是本发明中条形试样与凹凸面加强片粘接后的左视图；

图10是本发明的测试方法流程图。

图中：

1凹面加强片2凸面加强片

3条形试样11上斜面

12弧形凹面21下斜面

22弧形凸面。

具体实施方式

下面，参照附图及实施例对本发明的一种聚合物复合材料条形试样拉伸性能的测试方法进行详细说明：

本发明的测试方法使用的装置包括凹面加强片1和凸面加强片2，具体结构是：

如图1～3所示，凹面加强片1是长方形板状结构，其长度L1=40～60mm、宽度D1=20～25mm、厚度为T1=3～5mm，其一端的上斜面11与水平面的夹角α=12°～16°、其底面的弧形凹面12的半径为R1，半径R1的大小和待试验聚合物复合材料筒的条形试样3的外径相等。

如图4～6所示，凸面加强片2是长方形板状结构，其长度L2=L1、宽度D2=D1、厚度为T2=T1，其一端的下斜面21与水平面的夹角β=α、其底面的弧形凸面22的半径为R2，半径R2的大小和待试验聚合物复合材料筒的条形试样3的内径相等。

如图7～10所示，一种聚合物复合材料条形试样拉伸性能的测试方法，包括如下步骤：

（ⅰ）制备条形试样

将聚合物复合材料筒经机加工切成长度为170～185mm的薄壁圆筒，沿薄壁圆筒轴向切割成宽度为20～25mm、厚度为1～5mm的条形试样3，打磨条形试样3边缘的毛刺，使其表面光滑，每次测试至少制备五个条形试样3，S1；

（ⅱ）测量条形试样尺寸

对每一个条形试样3进行测量，对其宽度、厚度的尺寸进行多次测量，并将各次测量的平均值作为该条形试样3的宽度、厚度取值，S2；

（ⅲ）粘接条形试样

将条形试样3一端的外圆周凸面与凹面加强片1的弧形凹面12粘接、条形试样3同一端的内圆周凹面与凸面加强片2的弧形凸面22粘接；条形试样3的另一端采用同样的方法将条形试样3的另一端、凹面加强片1和凸面加强片2粘接在一起。

粘接完毕，待粘接胶固化后，打磨条形试样3两侧面工作段的中间部分，在条形试样3的中间部分的外圆周凸面和内圆周凹面沿轴向分别粘贴两个应变片，内外应变片的数量和位置沿轴向对称布置，S3；

（ⅳ）对条形试样进行轴向拉伸试验

将粘接好的条形试样3安装在材料试验机上（未图示），对每一个条形试样3分别进行轴向拉伸试验，加载速度为1～2mm/min，记录每个条形试样3断裂时的最大载荷，S4；

（ⅴ）计算拉伸破坏强度和轴向拉伸模量

按照以下公式①计算每个条形试样3的拉伸破坏强度：

①

式中，为拉伸破坏强度，单位为MPa；为条形试样3断裂时的最大载荷，单位为N；为条形试样3的宽度，单位为mm；为条形试样3的厚度，单位为mm。

然后，求这五个条形试样3的拉伸破坏强度的平均值。

根据应变—应力曲线在一定的应变取值范围内，采用最小二乘法将数据对进行直线拟合，拟合直线的应变取值范围为1000με（0.1%应变）～3000με（初期失效前0.35%以内），满足载荷与应变读数对至少为八对，拟合直线的斜率即为复合材料的轴向拉伸模量E，即：以应变为x轴，对应的应力为y轴，做一条应变—应力曲线，在应变的取值范围内，将应变—应力曲线拟合成直线，并得到该拟合直线的线性公式和线性相关系数，线性公式中的斜率即为轴向拉伸模量，轴向拉伸模量的计算公式为应力与应变的比值。

再计算斜率变度系数、弯曲系数对所得的轴向拉伸模量进行有效判据，其中，斜率变度系数按公式②计算：

②

式中：为斜率变度系数，单位为%；为线性相关系数，为应力-应变数据对数目。

斜率变度系数定量表征了拟合优度，该值越小说明线性关系拟合结果越可靠，一般认为斜率变度系数小于2%，通过拟合得到的数据可靠。

弯曲系数按公式③计算：

③

式中：为弯曲系数，单位为%，是指两片应变片的应变数据极差与均值之比；、分别为两片应变片的应变数据，S5。

弯曲系数定量表征了条形试样在加载过程中由于偏心等因素导致的应变数据差异水平，一般来讲，该值越小说明系统对称性越好，一般认为弯曲系数小于5%。

本发明通过双面对称布置应变片，可以减小系统偏心等因素的影响，使测量结果更为准确。

Claims (1)

1.一种聚合物复合材料条形试样拉伸性能的测试方法，包括如下步骤：

（ⅰ）制备条形试样

将聚合物复合材料筒经机加工切成长度为170～185mm的薄壁圆筒，沿薄壁圆筒轴向切割成宽度为20～25mm、厚度为1～5mm的条形试样（3），打磨条形试样（3）边缘的毛刺，使其表面光滑，每次测试至少制备五个条形试样（3），S1；

（ⅱ）测量条形试样尺寸

对每一个条形试样（3）进行测量，对其宽度、厚度的尺寸进行多次测量，并将各次测量的平均值作为该条形试样（3）的宽度、厚度取值，S2；

（ⅲ）粘接条形试样

将条形试样（3）一端的外圆周凸面与凹面加强片（1）的弧形凹面（12）粘接、条形试样（3）同一端的内圆周凹面与凸面加强片（2）的弧形凸面（22）粘接；条形试样（3）的另一端采用同样的方法将条形试样（3）的另一端、凹面加强片（1）和凸面加强片（2）粘接在一起；

粘接完毕，待粘接胶固化后，打磨条形试样（3）两侧面工作段的中间部分，在条形试样（3）的中间部分的外圆周凸面和内圆周凹面沿轴向分别粘贴两个应变片，内外应变片的数量和位置沿轴向对称布置，S3；

（ⅳ）对条形试样进行轴向拉伸试验

将粘接好的条形试样（3）安装在材料试验机上，对每一个条形试样（3）分别进行轴向拉伸试验，加载速度为1～2mm/min，记录每个条形试样（3）断裂时的最大载荷，S4；

（ⅴ）计算拉伸破坏强度和轴向拉伸模量

按照以下公式①计算每个条形试样（3）的拉伸破坏强度：

①

式中，为拉伸破坏强度，单位为MPa；为条形试样（3）断裂时的最大载荷，单位为N；为条形试样（3）的宽度，单位为mm；为条形试样（3）的厚度，单位为mm；

然后，求这五个条形试样（3）的拉伸破坏强度的平均值；

根据应变—应力曲线在一定的应变取值范围内，采用最小二乘法将数据对进行直线拟合，拟合直线的应变取值范围为1000με（0.1%应变）～3000με（初期失效前0.35%以内），满足载荷与应变读数对至少为八对，拟合直线的斜率即为复合材料的轴向拉伸模量，再计算斜率变度系数、弯曲系数对所得的轴向拉伸模量进行有效判据，其中，斜率变度系数按公式②计算：

②

式中：为斜率变度系数，单位为%；为线性相关系数，为应力-应变数据对数目；

斜率变度系数定量表征了拟合优度，该值越小说明线性关系拟合结果越可靠，一般认为斜率变度系数小于2%，通过拟合得到的数据可靠；

弯曲系数按公式③计算：

③

式中：为弯曲系数，单位为%，是指两片应变片的应变数据极差与均值之比；、分别为两片应变片的应变数据，S5。