CN110274825A - 高模碳纤维增强树脂基复合材料纵向压缩性能测试方法 - Google Patents

高模碳纤维增强树脂基复合材料纵向压缩性能测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种高模碳纤维增强树脂基复合材料纵向压缩性能测试方法，包括步骤如下：试样制备，所述试样第一试样和第二试样，所述第一试样为[90°/0°/90°]n层合板，所述第二试样为[0°]n层合板，其中n≥1；沿加载方向对所述试样的工作段两侧表面粘贴应变片；将所述试样与夹具安装固定，使所述试样的端面与所述夹具的端面处于同一平面内，将安装有所述试样的夹具放置于对中良好且固定的试验机平台之间；对所述试样进行加载，所述试验机以恒定速率对所述试样施加压缩载荷直至所述试样失效，记录此时的载荷、位移和应变数据；试验结果计算：对所述第一试样的测试数据按公式(1)计算复合材料纵向压缩强度，σc u0＝k·σc c(1)。

Description

高模碳纤维增强树脂基复合材料纵向压缩性能测试方法
技术领域
本发明涉及复合材料性能测试技术领域。更具体地，涉及一种高模碳纤维树脂基复合材料纵向压缩性能测试方法。
背景技术
复合材料的压缩强度是结构设计和应用时的重要参数之一，近年来对先进复合材料的需求不断增大，例如碳纤维复合材料层合板用于厚壁结构型材，许多高强度碳纤维在拉伸性能上都有明显提高，但在压缩强度方面提升很小。复合材料的压缩强度没有得到改善是由于高性能纤维各向异性程度的提高，高性能碳纤维复合材料的压缩强度随着纤维各向异性的降低而增加，压缩强度的上升会受到复合材料微屈曲失效的限制。因此，高性能碳纤维复合材料的压缩强度不会有和拉伸强度同样程度的提高。
单向碳纤维增强复合材料压缩性能易受到多种因素的影响，相对于其它性能，人们对压缩强度的认识仍有所欠缺。复合材料制造过程中产生的各种内部缺陷会影响其负载时的性能，碳纤维增强树脂基复合材料比玻纤增强复合材料更易受到这些缺陷的影响，预测缺陷的大小并不容易，而且预测强度的理论模型都是由大量实验经验得来。压缩测试方法也会影响强度的测定，到目前为止，对单向碳纤维复合材料的压缩强度，还没有可靠的分析或经验公式能够提供合理预测，影响压缩强度的因素也不能定量分析。
GB/T 1446《纤维增强塑料性能试验方法总则》中对所有纤维增强塑料性能试验方法有统一要求，但随着碳纤维技术的发展，尤其高模量碳纤维的问世，碳纤维的表面物理特性及力学性能发生了较大变化，已有测试方法及标准已不适用。高模量纤维由于其纤维表面特性与传统高强纤维不同，纤维表面过于光滑的特性导致与树脂基体界面结合强度低，以及模量的进一步提升等问题，导致原有基于T系列高强碳纤维建立起的测试方法存在标准不适用，无法得到高模量碳纤维复合材料的准确力学性能，尤其针对压缩性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高模碳纤维增强树脂基复合材料纵向压缩性能测试方法，该测试方法针对高模量碳纤维树脂基复合材料，在原有测试方法上进行了改进，建立适用高模碳纤维树脂基复合材料特性的压缩性能测试方法。
根据本发明的一个方面，提供了一种碳纤维增强树脂基复合材料压缩性能测试方法，包括步骤如下：
试样制备，所述试样包括多组用于测试压缩强度的第一试样，以及用于测试压缩弹性模量的第二试样，所述第一试样为[90°/0°/90°]n层合板，所述第二试样为[0°]n层合板，其中n≥1；
沿加载方向对所述试样的工作段两侧表面粘贴应变片；
将所述试样与夹具安装固定，使所述试样的端面与所述夹具的端面处于同一平面内，将安装有所述试样的夹具放置于对中良好且固定的试验机平台之间；
对所述试样进行加载，所述试验机以恒定速率对所述试样施加压缩载荷直至所述试样失效，记录此时的载荷、位移和应变数据；
试验结果计算：
对所述第一试样的测试数据按公式(1)计算复合材料纵向压缩强度，
σc u0＝k·σc c (1)
式中：
k为正交层合板压缩强度变换为单向板0°方向单向压缩强度的折算系数，
σc c为正交铺层试样压缩强度，单位为兆帕(MPa)，
折算系数k按公式(2)计算，
式中：
E1为复合材料0°拉伸弹性模量，单位为吉帕(GPa)，
E2为复合材料90°拉伸弹性模量，单位为吉帕(GPa)，
V12为复合材料单向的主泊松比，
正交铺层试样压缩强度σc c按公式(3)计算，
式中：
Pc为最大压缩载荷，单位为牛顿(N)，
W为所述第一试样的工作段宽度，单位为毫米(mm),
h为所述第一试样的工作段厚度，单位为毫米(mm),
对所述第二试样的测试数据按公式(4)计算单向板单向压缩弹性模量，
式中：
E为单向板单向压缩弹性模量，单位为吉帕(GPa)，
P2为平均应变为ε2时对应的载荷，单位为牛顿(N)，
P1为平均应变为ε1时对应的载荷，单位为牛顿(N)，
ε2为应变取值范围上限3000附近的任一应变值，单位为微应变(με)，
ε1为应变取值范围下限1000附近的任一应变值，单位为微应变(με)；
试验结果统计：
按GB/T 1446规定计算每组试样单向压缩强度的平均值、标准差和离散系数，记录单向压缩模量测量结果。
优选地，在所述试验结果计算步骤之前，对测试后的试样进行有效性判定，仅在所述试样工作段被破坏，或损伤起始在所述试样的端部或夹持部位，但最终在所述试样的工作段破坏，则该次测试为有效测试，在所述试样的夹持部位、端部或两处同时被破坏，而工作段完好，或损伤起始在所述试样的工作段，最终在所述试样的端部或夹持部位破坏，则该次测试为无效测试。
优选地，在所述试样夹持部的两侧表面粘贴加强片，所述加强片为[0° /90°]铺层的复合材料。
优选地，按GB/T 1446规定对所述试样进行状态调节。
优选地，所述试样为长度是140mm，宽度是12mm，厚度是2.5mm的矩形形状，并测量任意三点的宽度和厚度数值，得到所述试样的平均宽度和厚度数值。
优选地，所述应变片粘贴在所述应变片的中心位置。
优选地，所述夹具夹紧所述试样的扭矩范围为2.5N.m～3.0N.m，并分3 或4次按对角线方向先后拧紧螺丝。
优选地，所述试验机对所述试样的加载速度为1.3mm/min。
优选地，在所述试验机对所述试样的加载过程中，还可以至少为每秒2-3 个数据的采样速率对载荷、位移和应变进行采样。
优选地，所述公式2中的复合材料0°拉伸弹性模量E1和90°拉伸弹性模量E2采用ASTM标准D 3039试验方法获得。
本发明的有益效果如下：
本发明的测试方法克服了原有GB/T 1446—纤维增强塑料性能试验方法中关于单向板纵向压缩性能试验方法的不足，解决了采用现有试验方法，无法得到高模碳纤维树脂基复合材料纵向压缩性能的正确失效模式，进而无法获得有效的高模碳纤维树脂基复合材料纵向压缩强度性能数据的问题。采用本发明的测试方法，可得到单向板纵向压缩性能的正确失效模式，并可通过公式计算去除90°碳纤维层的影响，从而获得正确的高模碳纤维树脂基复合材料纵向压缩性能数据。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1示出本发明试样的主视图。
图2示出本发明试样的侧视图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
本发明所涉及的复合材料纵向压缩性能，是指针对常规的纤维增强复合材料单向板测试所获得的沿纤维方向(纵向)的压缩强度。
本发明的高模碳纤维增强树脂基复合材料纵向压缩性能测试方法包括下述步骤：
1)试样制备
所述试样包括第一试样和第二试样，第一试样用于测试压缩强度，第二试样用于测试压缩弹性模量。第一试样为[90°/0°/90°]n层合板，n≥1，也就是说第一试样包含至少3层的碳纤维，其中中间层的碳纤维为0°，其两侧的碳纤维方向与中间层之间的夹角为90°。第二试样为[0°]n层合板，n≥1，也就是说第二试样包含至少1层[0°]的碳纤维，本领域技术人员可根据实际需要对不同层数的层合板进行测试。
第一试样和第二试样的形状相同，均为矩形板状，如图1和图2所示，试样1的长度是140mm，宽度是12mm，厚度是2.5mm，试样1的工作段长度为13mm，并测量任意三点的宽度和厚度数值，得到试样的平均宽度和厚度数值。在从待测试的板材上取样时，取样区域距板材边缘应不小于10mm，若取样区域有分层、空隙、褶皱、错误铺层等缺陷，则应避开。加工试样时，可采用水冷却，禁止用油冷却。加工完成后，应及时对试样1进行干燥处理，可参照GB/T1446规定对试样进行状态调节。
2)根据试验环境选择合适的应变片，沿加载方向对试样工作段两侧表面粘贴应变片2，应变片2背对背粘贴于试样1表面，应变片2位置尽量靠近试样1中心位置。本发明的测试方法中也可以在试样1的两端粘贴加强片3，加强片应为[0°/90°]铺层(织物或单向带)的复合材料，加强片3的厚度与试样1的厚度相同。
3)安装试样
安装试样时，保证试样1的端面与夹具端面处于同一平面。在拧紧螺钉时，扭矩大小为2.5N·m～3.0N·m，以相同的力矩增量分3次或4次按对角线方向先后拧紧螺钉。将安装好试样1的夹具放置于对中良好且固定的试验机平台之间，试验机和试验环境条件应符合GB/T 1446的规定。
4)对试样进行加载
以恒定的速率对试样1施加压缩载荷直至试样失效，加载速度为1.3 mm/min，记录试样失效时的载荷、位移和应变数据。在所述试验机对试样的加载过程中，还可以至少为每秒2-3个数据的采样速率对载荷、位移和应变进行采样。
5)测试有效性判定
仅在试样工作段被破坏，或损伤起始在所述试样的端部或夹持部位，但最终在试样的工作段破坏，则该次测试为有效测试，在试样的夹持部位、端部或两处同时被破坏，而工作段完好，或损伤起始在试样的工作段，最终在试样的端部或夹持部位破坏，则该次测试为无效测试。每批、每组测试的有效测试数量至少为5个。
6)试验结果计算：
对所述第一试样的测试数据按公式(1)计算复合材料纵向压缩强度，
σc u0＝k·σc c (1)
式中：
k为正交层合板压缩强度变换为单向板0°方向单向压缩强度(即复合材料纵向压缩强度)的折算系数，
σc c为正交铺层试样压缩强度，单位为兆帕(MPa)，
折算系数k按公式(2)计算，
式中：
E1为复合材料0°拉伸弹性模量，单位为吉帕(GPa)，
E2为复合材料90°拉伸弹性模量，单位为吉帕(GPa)，
V12为复合材料单向的主泊松比，
复合材料0°拉伸弹性模量E1和90°拉伸弹性模量E2采用ASTM标准D 3039试验方法获得，也可以参照其它试验方法获得。
正交铺层试样压缩强度σc c按公式(3)计算，
式中：
Pc为最大压缩载荷，单位为牛顿(N)，
W为所述第一试样的工作段宽度，单位为毫米(mm),
h为所述第一试样的工作段厚度，单位为毫米(mm),
对所述第二试样的测试数据按公式(4)计算单向板单向压缩弹性模量，
式中：
E为单向板单向压缩弹性模量，单位为吉帕(GPa)，
P2为平均应变为ε2时对应的载荷，单位为牛顿(N)，
P1为平均应变为ε1时对应的载荷，单位为牛顿(N)，
ε2为应变取值范围上限3000附近的任一应变值，单位为微应变(με)，
ε1为应变取值范围下限1000附近的任一应变值，单位为微应变(με)；
试验结果统计：
按GB/T 1446规定计算每组试样单向压缩强度的平均值、标准差和离散系数，记录单向压缩模量测量结果。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (10)

1.高模碳纤维增强树脂基复合材料纵向压缩性能测试方法，其特征在于，包括步骤如下：
试样制备，所述试样包括多组用于测试压缩强度的第一试样，以及用于测试压缩弹性模量的第二试样，所述第一试样为[90°/0°/90°]n层合板，所述第二试样为[0°]n层合板，其中n≥1；
沿加载方向对所述试样的工作段两侧表面粘贴应变片；
将所述试样与夹具安装固定，使所述试样的端面与所述夹具的端面处于同一平面内，将安装有所述试样的夹具放置于对中良好且固定的试验机平台之间；
对所述试样进行加载，所述试验机以恒定速率对所述试样施加压缩载荷直至所述试样失效，记录此时的载荷、位移和应变数据；
试验结果计算：
对所述第一试样的测试数据按公式(1)计算复合材料纵向压缩强度，
σc u0＝k·σc c (1)
式中：
k为正交层合板压缩强度变换为单向板0°方向单向压缩强度的折算系数，
σc c为正交铺层试样压缩强度，单位为兆帕(MPa)，
折算系数k按公式(2)计算，
式中：
E1为复合材料0°拉伸弹性模量，单位为吉帕(GPa)，
E2为复合材料90°拉伸弹性模量，单位为吉帕(GPa)，
V12为复合材料单向的主泊松比，
正交铺层试样压缩强度σc c按公式(3)计算，
式中：
Pc为最大压缩载荷，单位为牛顿(N)，
W为所述第一试样的工作段宽度，单位为毫米(mm),
h为所述第一试样的工作段厚度，单位为毫米(mm),
对所述第二试样的测试数据按公式(4)计算单向板单向压缩弹性模量，
式中：
E为单向板单向压缩弹性模量，单位为吉帕(GPa)，
P2为平均应变为ε2时对应的载荷，单位为牛顿(N)，
P1为平均应变为ε1时对应的载荷，单位为牛顿(N)，
ε2为应变取值范围上限3000附近的任一应变值，单位为微应变(με)，
ε1为应变取值范围下限1000附近的任一应变值，单位为微应变(με)；
试验结果统计：
按GB/T 1446规定计算每组试样单向压缩强度的平均值、标准差和离散系数，记录单向压缩模量测量结果。
2.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，在所述试验结果计算步骤之前，对测试后的试样进行有效性判定，仅在所述试样工作段被破坏，或损伤起始在所述试样的端部或夹持部位，但最终在所述试样的工作段破坏，则该次测试为有效测试，在所述试样的夹持部位、端部或两处同时被破坏，而工作段完好，或损伤起始在所述试样的工作段，最终在所述试样的端部或夹持部位破坏，则该次测试为无效测试。
3.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，在所述试样夹持部的两侧表面粘贴加强片，所述加强片为[0°/90°]铺层的复合材料。
4.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，按GB/T 1446规定对所述试样进行状态调节。
5.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，所述试样为长度是140mm，宽度是12mm，厚度是2.5mm的矩形形状，并测量任意三点的宽度和厚度数值，得到所述试样的平均宽度和厚度数值。
6.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，所述应变片粘贴在所述应变片的中心位置。
7.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，所述夹具夹紧所述试样的扭矩范围为2.5N.m～3.0N.m，并分3或4次按对角线方向先后拧紧螺丝。
8.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，所述试验机对所述试样的加载速度为1.3mm/min。
9.根据权利要求8所述的测试方法，其特征在于，在所述试验机对所述试样的加载过程中，还可以至少为每秒2-3个数据的采样速率对载荷、位移和应变进行采样。
10.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，所述公式2中的复合材料0°拉伸弹性模量E1和90°拉伸弹性模量E2采用ASTM标准D 3039试验方法获得。
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