CN108896408A - 提高碳纤维增强复合材料吸湿后压缩试验有效性的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于试验测量技术领域，涉及一种提高碳纤维增强复合材料吸湿后压缩试验有效性的方法，尤其适用于采用ASTM D 6641对高性能碳纤维增强复合材料开展的吸湿后压缩性能测试。该方法主要由三部分构成，第一，在对碳纤维增强复合材料进行吸湿处理前，用不透水的塑料胶粘带将加强片处包裹起来，然后放入浸润箱中进行吸湿；第二，在进行压缩测试前，将包裹住加强片的胶粘带剥离下来，并用酒精清理表面；第三，在压缩测试中，在试验机压头和压缩夹具之间放置一块约0.5mm厚的橡胶片。本发明通过有效避免吸湿造成的加强片材料性能衰减，和减轻试验件端头与试验机加载头之间的硬接触，可有效解决采用ASTM D6641测量高性能碳纤维增强复合材料压缩强度时可能出现的无法获得有效压缩破坏模式的问题。该方法操作简单，成本低廉，易于操作。

Description

提高碳纤维增强复合材料吸湿后压缩试验有效性的方法
技术领域
本发明属于试验测量技术领域，涉及一种提高碳纤维增强复合材料吸湿后压缩试验有效性的方法，尤其适用于采用ASTM D 6641对高性能碳纤维增强复合材料开展的吸湿后压缩性能测试。
背景技术
高性能碳纤维增强聚合物基复合材料(CFRP)具有比高强度、高比模量，以及良好的疲劳性能，已发展成为最主要的航空航天结构材料。在实际结构中，碳纤维增强聚合物基复合材料经常承受压缩载荷，其在压缩载荷作用下的响应是材料研制和结构设计都非常关注的问题。碳纤维增强聚合物基复合材料压缩性能远低于拉伸性能，且受湿热环境影响非常显著。研究表明，在湿热环境下碳纤维增强聚合物基复合材料压缩承载能力的降低可达60％。压缩性能是制约高性能纤维增强聚合物基复合材料的潜能得以充分发挥的瓶颈，也是选材阶段评估材料性能优劣的重要指标。
自20世纪70年代初期以来，复合材料纤维方向(0度)压缩强度的测试一直都是复合材料力学性能测试领域的重要研究课题，现已建立了多种复合材料压缩性能的试验标准。这些测试方法可分为三类：(1)直接端部加载引入压缩载荷，例如SRM-1R、SRM-6和ASTMD 695。(2)通过剪切方式引入压缩载荷，例如ASTM D 3410；(3)通过端部加载与剪切组合的方式将压缩载荷引入试验件工作段，例如ASTM D 6641。现存的复合材料压缩性能测试方法中，ASTM D 6641是使用最为广泛的一种，与直接在试验件端部进行加载的方法相比，这种方法不容易发生端头压溃。而与采用剪切引入载荷的方法相比，该方法装夹相对简单，且不会因为试验件与夹具之间发生显著的相对滑动，而导致测试结果无效。
ASTM D 6641压缩试验成功的基本要求是获得有效的失效模式，有效的失效模式为试验件工作段处被压断，而试验件端头压塌、加强片脱落、在加强片内断裂都是无效的失效模式。只有发生了有效失效模式的测试中所获得的压缩强度才是有效的。高性能碳纤维增强聚合物基复合材料压缩试验件通常采用玻璃布作为加强片，玻璃布在吸湿后性能衰减比碳纤维增强聚合物基复合材料本身要严重，对吸湿后的压缩试验件进行压缩测试，玻璃布加强片可能发生提前压坏，另外加强片和压缩试样本体之间的胶接界面也容易受水分侵蚀，而在压缩载荷作用下可能造成加强片的提前脱落。
发明内容
本发明要解决的技术问题为：克服现有技术的不足，提供一种提高碳纤维增强聚合物基复合材料吸湿后压缩试验有效性的方法。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：
第一，在对碳纤维增强复合材料压缩试验件进行吸湿处理前，用不透水的塑料胶粘带将试验件加强片处整体包裹起来，其中胶粘带至少缠绕加强片处1圈，然后将加强片处包裹了胶粘带的压缩试验件放入浸润箱中进行吸湿处理；
第二，在进行压缩测试前，将包裹住加强片的胶粘带剥离下来，并用酒精对加强片处材料表面进行清理，确保表面平整，然后按照ASTM D6641操作规范将压缩试验件装配于压缩夹具中；
第三，在压缩测试前，在试验机压头和压缩夹具之间放置一块约0.5mm厚，尺寸合适的橡胶片，截取长度20mm×宽度20mm的方形橡胶片，并在试验前将橡胶片放置于压缩夹具上表面；
第四，将装载了压缩试验件的压缩夹具放置于装配了环境箱的试验机的加载平台上，将环境箱的温度升高到所需的高温条件后保持2分钟，然后启动试验机，以位移控制模式施加压缩载荷，持续加载直到载荷下降，此时试验件破坏，将试验件从夹具中取出，记录破坏模式和压缩强度。
所述压缩试验件采用碳纤维增强聚合物基复合材料制备。
所述压缩试验件的加强片材料为玻璃布。
该方法适用于参照ASTM D6641进行的碳纤维增强复合材料的压缩性能测试。
本发明提高碳纤维增强复合材料吸湿后压缩试验有效性的方法的优点在于：
(1)本发明在不违背对试验件的有效工作段湿热处理要求的前提下，能有效保护加强片区域，降低湿热环境对加强片和加强片粘接界面的影响，从而解决高性能碳纤维增强复合材料吸湿后压缩测试得不到有效失效模式和有效材料压缩强度的难题，可有效提高碳纤维增强复合材料湿热处理后压缩试验的有效性；
(2)本发明通过在试验机压头和压缩夹具之间放置一个柔性承垫橡胶片，有效缓解硬接触造成的压缩试验件端头压溃的现象，保证载荷能有效地传递到压缩试验件的有效工作段处，从而获得试验件工作段压坏的有效压缩失效模式；
(3)本发明的方法操作简单，成本低廉，易于实现，可显著提高碳纤维增强复合材料压缩试验的有效性，降低测试成本，具有较好的经济效益。
附图说明
图1是对压缩试验件加强片处包裹不透水塑料胶粘带的示意图，其中图1(a)加强片处包裹胶粘带的操作示意图；图1(b)加强片包裹胶粘带后的压缩试验件外观；
图2是试验机压头和压缩夹具之间放置橡胶片的示意图；
图3是碳纤维增强聚合物基复合材料压缩破坏形貌，其中图3(a)为试验过程未采用本发明方法获得的压缩破坏模式；图3(b)为试验过程采用本发明方法获得的压缩破坏模式。
具体实施方式
本发明的方法主要由三部分构成，第一，在对碳纤维增强复合材料进行吸湿处理前，用不透水的塑料胶粘带将加强片处包裹起来，然后放入浸润箱中进行吸湿；第二，在进行压缩测试前，将包裹住加强片的胶粘带剥离下来，并用酒精清理表面；第三，在压缩测试中，在试验机压头和压缩夹具之间放置一块约0.5mm厚的橡胶片。
本发明具体实现为：
(1)在碳纤维增强聚合物基复合材料进行吸湿处理前，用不透水的塑料胶粘带3将碳纤维增强复合材料压缩试验件1加强片2处整体包裹起来，其中塑料胶粘带3至少缠绕试验加强片2处1圈，操作方法如图1(a)所示，获得了加强片2处被包裹的压缩试验件4，如图1(b)所示，然后将加强片2处被包裹的压缩试验件4放入浸润箱中进行吸湿处理。碳纤维增强复合材料压缩试验件1通常采用玻璃布作为加强片2，玻璃布在吸湿后性能衰减严重比碳纤维增强复合材料严重许多，在压缩测试过程中可能发生加强片2提前压坏。此外，加强片2和压缩试验件1本体之间的胶接界面也容易受水分侵蚀，而在测试过程中发生加强片2提前脱落。使用不透水的塑料胶粘带3将加强片2处保护起来，能有效防止水分向加强片2材料中侵入，降低吸湿对加强片2与碳纤维增强复合材料压缩试验件1胶接界面性能的不利影响，而不会影响压缩试验件1有效工作段处材料性能。
(2)在进行压缩测试前，将包裹住加强片2的塑料胶粘带3剥离下来，并用酒精对加强片处2材料表面进行清理，确保表面平整，然后按照ASTM D6641操作规范将压缩试验件1装配于压缩夹具6中。
(3)在压缩测试前，在试验机压头7和压缩夹具6之间放置一块约0.5mm厚，尺寸合适的橡胶片5。橡胶片5需保证超过试验件宽度(13mm)，为此可截取长度20mm×宽度20mm的方形橡胶片5，并在试验前将其放置于压缩夹具6上表面，尽量保证压缩试验件1端头位于橡胶片5中间处，如图2所示。橡胶片5的存在可有效缓解测试过程中试验件端头微小的不平整，或测试中压缩试验件1与压缩夹具6之间微小滑动导致压缩试验件1端部“冒头”(试件端头平面高出夹具上表面)，等原因造成的压缩试验件1端头承受压强过大，从而避免压缩试验件1端头压坏的无效试验结果。
(4)将装载了试验件的压缩夹具6放置于装配了环境箱的试验机的加载平台上，将环境箱的温度升高到所需的高温条件后保持2分钟，然后启动试验机，以位移控制模式施加压缩载荷，持续加载直到载荷下降，此时试验件破坏，将压缩试验件1从夹具中取出，记录破坏模式和压缩强度。
图3(a)为试验过程没有采用本发明方法，获得的碳纤维增强聚合物基复合材料吸湿后高温压缩的破坏模式，可见试验件吸湿度后，由于加强片材料力学性能退化严重，加强片材料发生提前破坏，进而导致端头压坏，未得到有效的压缩失效模式。图3(b)为试验过程采用本发明方法获得的碳纤维增强聚合物基复合材料吸湿后高温压缩的破坏模式，可见本发明的方法可有效保护压缩试验件加强片处材料，使其性能不衰减，从而保证压缩载荷顺利传递到工作段材料处，获得工作段处材料压缩破坏这种有效的失效模式。

Claims (4)

1.一种提高碳纤维增强复合材料吸湿后压缩试验有效性的方法，其特征在于：
第一，在对碳纤维增强复合材料压缩试验件进行吸湿处理前，用不透水的塑料胶粘带将试验件加强片处整体包裹起来，其中胶粘带至少缠绕加强片处1圈，然后将加强片处包裹了胶粘带的压缩试验件放入浸润箱中进行吸湿处理；
第二，在进行压缩测试前，将包裹住加强片的胶粘带剥离下来，并用酒精对加强片处材料的表面进行清理，确保表面平整，然后按照ASTM D6641操作规范将压缩试验件装配于压缩夹具中；
第三，在压缩测试前，在试验机压头和压缩夹具之间放置一块约0.5mm厚，尺寸合适的橡胶片，截取长度20mm×宽度20mm的方形橡胶片，并在试验前将橡胶片放置于压缩夹具上表面；
第四，将装载了压缩试验件的压缩夹具放置于装配了环境箱的试验机的加载平台上，将环境箱的温度升高到所需的高温条件后保持2分钟，然后启动试验机，以位移控制模式施加压缩载荷，持续加载直到载荷下降，此时试验件破坏，将试验件从夹具中取出，记录破坏模式和压缩强度。
2.根据权利要求1所述的一种提高碳纤维增强复合材料吸湿后压缩试验有效性的方法，其特征在于：所述压缩试验件采用碳纤维增强聚合物基复合材料制备。
3.根据权利要求1所述的一种提高碳纤维增强复合材料吸湿后压缩试验有效性的方法，其特征在于：所述压缩试验件的加强片材料为玻璃布。
4.根据权利要求1所述的一种提高碳纤维增强复合材料吸湿后压缩试验有效性的方法，其特征在于：该方法适用于参照ASTM D6641进行的碳纤维增强复合材料压缩性能的测试。
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