CN107884282A - 一种测试导电复合材料高温面外拉伸强度的试样及方法 - Google Patents

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Abstract

一种测试导电复合材料高温面外拉伸强度的试样及方法，属于复合材料高温力学性能测试领域。试样上、下表面沿着铺层方向分别设有上V形槽和下V形槽，上V形槽底部和下V形槽顶部分别设有U形缺口，上V形槽的V型角和下V形槽的V型角均为120°。方法是：试验前，用卡尺测量试样标距区任意3处的厚度b和宽度w，记录数据；试样应平稳的位于两个石墨压头中，并使试样中轴线、两个石墨压头中轴线、试验机压杆轴线三线保持重合；对试件施加不应大于强度预期值的5％的预载荷；设定升温速率均匀加热试件；按照恒定位移加载，直至试样断裂，记录试验中的位移、载荷数据；停止试验；计算复合材料高温拉伸强度σILT。本发明用于测试导电复合材料高温面外拉伸强度。

Description

一种测试导电复合材料高温面外拉伸强度的试样及方法
技术领域
本发明属于复合材料高温力学性能测试领域，具体涉及一种测试导电复合材料高温面外拉伸强度的试样及方法。
背景技术
复合材料由于微结构的可设计性、高的比模量和比强度，在工程中有广泛的应用。其中碳/碳复合材料由于其良好的高温力学性能，广泛应用在航空航天领域，如飞行器的热防护系统、火箭发动机的喷管等高温部位。
在国标GB/T 4944-2005《玻璃纤维增强塑料层合板层间拉伸强度试验方法》中，规定了复合材料常温环境下层间拉伸强度的试验方法，由于复合材料厚度方向的尺寸有限，在拉伸试验中难以夹持，因此将试验机的夹头通过高强度的胶与试样粘结，实现拉伸。由于胶在高温环境下会失效，此方法仅用于常温环境。
关于复合材料在高温环境下面外拉伸强度的测试还没有形成统一的标准，关于复合材料高温环境下面外拉伸强度的测试方法也公开较少。公开号为CN105181480A、公开日为2015年12月23日的发明专利申请公开了“一种多点弯曲测量复合材料面外刚度的方法”，采用5点弯曲试验，在试样中形成复杂的应力场，然后建立试验过程的有限元模型，通过材料参数反演，获得复合材料面外的力学性能。由于有限元模型和真实的试验过程存在差异，因此反演出的材料参数存在误差，其无法应用在高温环境下，材料的强度数据也无法得到。
由于复合材料制备工艺的要求，材料厚度方向的尺寸受到一定的限制，远小于面内方向的尺寸，无法采用传统的拉伸试样设计。在常温环境下，可将材料切割成板型，采用强力胶将试样厚度方向的上、下表面粘贴至金属夹具上，实现厚度方向的加载，从而测试材料的面外拉伸强度。但在高温环境下，强力胶无法承受较高温度，且试验过程受到加热方式，高温夹具等因素的约束，常温环境下测试材料面外拉伸强度的方法无法在高温环境下使用。因此，测试复合材料高温面外拉伸强度一直是材料高温力学性能测试邻域的难点。
发明内容
本发明的目的是针对上述复合材料高温面外拉伸强度测试方法的不足，提供一种测试导电复合材料高温面外拉伸强度的试样及方法。
本发明为一种测试复合材料在高温及超高温(2800℃)真空环境下面外拉伸强度的试样形式及方法，试样形式简单，便于加工，方法易于操作。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种测试导电复合材料高温面外拉伸强度的试样，所述的试样为板型试样，试样上表面沿着铺层方向设有上V形槽，试样下表面沿着铺层方向设有下V形槽，所述的上V形槽底部和下V形槽顶部分别设有U形缺口，上V形槽的V型角α1和下V形槽的V型角α2均为120°。
一种测试导电复合材料高温面外拉伸强度的方法，所述的方法包括以下步骤：
步骤(1)；检查试样的外观，编号并记录试样表面状态；
步骤(2)；试验前，用卡尺测量试样标距区任意3处的厚度b和宽度w，记录数据；
步骤(3)；将试样放入两个石墨压头中，调整试样位置，确保试样上、下两端面与两个石墨压头形成面接触，且试样与每个石墨压头之间放入0.1mm厚薄石墨纸，减小试验过程中石墨压头与试样之间的摩擦，试样应平稳的位于两个石墨压头中，且试样中轴线、两个石墨压头中轴线、试验机压杆轴线三线保持重合；
步骤(4)；调整好温度测量装置；
步骤(5)；按照恒定位移加载，施加100N的预载荷，预载荷不应大于强度预期值的5％；
步骤(6)；按照设定升温速率均匀加热试件，当试件升至目标温度后，保温30s，待温度达到稳态，试样标距区的温度分布均匀；
步骤(7)；按照恒定位移加载，直至试样断裂，记录试验中的位移、载荷数据；
步骤(8)；停止试验，清理试样并记录试样破坏形式和位置；
步骤(9)；按照以下公式计算复合材料高温拉伸强度σILT；
其中，为3次测量试样宽度的平均值，即 3次测量试样高度的平均值，即P为最大载荷。
本发明相对于现有技术的有益效果是：
1)本发明设计的试样型式简单，便于加工，避免了复杂的机械加工造成的试样内部损伤。
2)本发明的试样及方法能够准确测量导电类复合材料在超高温(2800℃)真空环境下的面外拉伸强度；
3)本发明的方法采用通电加热，升温速率快，试验效率高。
附图说明
图1为复合材料面外拉伸试样的主视图，图中的竖直线表示铺层方向；
图2为图1的俯视图；
图3为复合材料面外拉伸强度测试示意图；
图4为碳/碳复合材料2000℃和2800℃位移-力曲线图。
图中各标号名称：1为石墨压头、2为试样、3为上V形槽、4为下V形槽、5为U形缺口、6为试样标距区、7为薄石墨纸。
具体实施方式
下面结合附图，并选取碳碳复合材料(C/C)，通过实施例的方式，对本发明进行详细说明：
具体实施方式一：如图1、图2所示，本实施方式披露了一种测试导电复合材料高温面外拉伸强度的试样，所述的试样2为板型试样，试样2上表面沿着铺层方向设有上V形槽3，试样2下表面沿着铺层方向设有下V形槽4，所述的上V形槽3底部和下V形槽4顶部分别设有U形缺口5，上V形槽3的V型角α1和下V形槽4的V型角α2均为120°。
具体实施方式二：如图1所示，本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，所述的试样2上位于两个所述的U形缺口5之间的中心区域为试样标距区6。
具体实施方式三：如图1-图3所示，本实施方式披露了一种利用具体实施方式二所述的试样测试导电复合材料高温面外拉伸强度的方法，所述的方法包括以下步骤：
步骤(1)；检查试样2的外观(确定试样的完整性，且没有明显的损伤)编号并记录试样2表面状态；
步骤(2)；试验前，用卡尺测量试样标距区任意3处的厚度b和宽度w，记录数据；
步骤(3)；将试样2放入两个石墨压头1中，调整试样2位置，确保试样2上、下两端面与两个石墨压头1形成面接触，且试样2与每个石墨压头1之间放入0.1mm厚薄石墨纸，减小试验过程中石墨压头1与试样2之间的摩擦，试样2应平稳的位于两个石墨压头1中，且试样2中轴线、两个石墨压头1中轴线、试验机压杆轴线三线保持重合；
步骤(4)；调整好温度测量装置；
步骤(5)；按照恒定位移加载，加载速率为1mm/min，施加100N的预载荷，预载荷不应大于强度预期值的5％；
步骤(6)；按照设定升温速率均匀加热试件1，当试件1升至目标温度1600℃～2800℃后，保温30s，待温度达到稳态，试样标距区6的温度分布均匀；
步骤(7)；按照恒定位移加载，加载速率为1mm/min，直至试样2断裂，记录试验中的位移、载荷数据；
步骤(8)；停止试验，清理试样2并记录试样2破坏形式和位置；
步骤(9)；按照以下公式计算复合材料高温拉伸强度σILT；
其中，为3次测量试样宽度的平均值，即 为3次测量试样高度的平均值，即P为最大载荷。
具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式三作出的进一步限定，步骤(6)中的目标温度为1600℃。其他方法步骤与具体实施方式三相同。
具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式三作出的进一步限定，步骤(6)中的目标温度为2000℃。其他方法步骤与具体实施方式三相同。
具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式三作出的进一步限定，步骤(6)中的目标温度为2800℃。其他方法步骤与具体实施方式三相同。
具体实施方式一～具体实施方式三的试样尺寸和试验结果如表1所示。
表1
图4为碳/碳复合材料2000℃和2800℃位移-力曲线图，图中的实验数据，描述的是材料的力学行为。

Claims (4)

1.一种测试导电复合材料高温面外拉伸强度的试样，其特征在于，所述的试样(2)为板型试样，试样(2)上表面沿着铺层方向设有上V形槽(3)，试样(2)下表面沿着铺层方向设有下V形槽(4)，所述的上V形槽(3)底部和下V形槽(4)顶部分别设有U形缺口(5)，上V形槽(3)的V型角α1和下V形槽(4)的V型角α2均为120°。
2.根据权利要求1所述的一种测试导电复合材料高温面外拉伸强度的试样，其特征在于，所述的试样(2)上位于两个所述的U形缺口(5)之间的中心区域为试样标距区(6)。
3.一种利用权利要求2所述的试样测试导电复合材料高温面外拉伸强度的方法，其特征在于：所述的方法包括以下步骤：
步骤(1)；检查试样(2)的外观，编号并记录试样(2)表面状态；
步骤(2)；试验前，用卡尺测量试样标距区任意3处的厚度b和宽度w，记录数据；
步骤(3)；将试样(2)放入两个石墨压头(1)中，调整试样(2)位置，确保试样(2)上、下两端面与两个石墨压头(1)形成面接触，且试样(2)与每个石墨压头(1)之间放入0.1mm厚薄石墨纸，减小试验过程中石墨压头(1)与试样(2)之间的摩擦，试样(2)应平稳的位于两个石墨压头(1)中，且试样(2)中轴线、两个石墨压头(1)中轴线、试验机压杆轴线三线保持重合；
步骤(4)；调整好温度测量装置；
步骤(5)；按照恒定位移加载，施加100N的预载荷，预载荷不应大于强度预期值的5％；
步骤(6)；按照设定升温速率均匀加热试件(1)，当试件(1)升至目标温度后，保温30s，待温度达到稳态，试样标距区(6)的温度分布均匀；
步骤(7)；按照恒定位移加载，直至试样(2)断裂，记录试验中的位移、载荷数据；
步骤(8)；停止试验，清理试样(2)并记录试样(2)破坏形式和位置；
步骤(9)；按照以下公式计算复合材料高温拉伸强度σILT；
<mrow> <msub> <mi>&amp;sigma;</mi> <mrow> <mi>I</mi> <mi>L</mi> <mi>T</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mi>P</mi> <mrow> <mover> <mi>w</mi> <mo>&amp;OverBar;</mo> </mover> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mover> <mi>b</mi> <mo>&amp;OverBar;</mo> </mover> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mi>t</mi> <mi>a</mi> <mi>n</mi> <mi>&amp;alpha;</mi> </mrow> </mfrac> </mrow>
其中，为3次测量试样宽度的平均值，即为3次测量试样高度的平均值，即P为最大载荷。
4.根据权利要求3所述的测试导电复合材料高温面外拉伸强度的方法，其特征在于：步骤(6)中的目标温度为1600℃～2800℃。
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