CN111220481B - 一种三层复合纸各层面内弹性模量的测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三层复合纸各层面内弹性模量的测试方法，包括以下步骤：准备3种试样；将3种试样分别切成标准弯曲试样，并测试弯曲刚度K；测试每一层材料的厚度；根据多层复合梁的弯曲特性，得到包含纸芯层弹性模量E₁、表面浸渍层弹性模量E₂和粘接层弹性模量E₃的三元一次方程，进而求解得到各层弹性模量。本发明直接采用成品复合纸进行测试，过程中无需将复合纸各层剥离，因此，操作简单；本发明不存在剥离过程中材料变形过大而发生材料性能变化，测量结果能真实反应材料性能。本发明通过弯曲模量反演获得各层弹性模量，弯曲应力和复合纸面内方向一致，得到的是复合纸面内方向的弹性模量，避免了现有方法用于结构分析可能存在的偏差。

Description

一种三层复合纸各层面内弹性模量的测试方法

技术领域

本发明属于复合纸弹性模量测试实验研究领域，特别是一种三层复合纸各层面内弹性模量的测试方法。

背景技术

复合纸由纸芯和表层材料叠加而成，在轻量化蜂窝结构、绝缘包覆结构等领域具有非常广泛的应用前景。复合纸力学特性是相关结构设计和加工分析的基础，然而，由于复合纸单层剥离困难，在剥离过程中会因较大的变形引起力学特性发生变化，无法采用均质材料力学特性测试方法获得每一层的准确力学特性。此外，在复合纸制备过程中，工艺过程对纸芯和表层材料力学特性产生影响，其力学特性和原始材料的力学特性会有差异，原始材料例如纸芯原材料和浸渍层原材料的力学特性和成品复合纸各层力学特性存在一定差异。通过微观力学压缩试验，并借助显微镜实时观测，可以获得在给定载荷下各层的压缩量，进而得到各层压缩力学特性。但是，这种测试方法得到的是厚度方向上的压缩模量。而在复合纸结构中，例如芳纶纸蜂窝结构中，力的传递方向主要是蜂窝纸面内方向。在复合纸制备过程中，随机纤维压缩而成的纸芯层存在各向异性，面内和厚度方向的力学特性会存在差异。即便是高分子浸渍层，受分子链方向和固化过程影响，也会有各向异性特点。因此，如何对成品复合纸每一层的面内弹性模量进行测试是目前亟待解决的问题。

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种能对成品三层复合纸每一层的面内弹性模量进行测试的三层复合纸各层面内弹性模量的测试方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种三层复合纸各层面内弹性模量的测试方法，包括以下步骤：

步骤1：准备3种试样，分别为单张复合纸试样、2张复合纸粘接试样和3张复合纸粘接试样；所述的单张复合纸试样由纸芯层和上下两层表面浸渍层组成，所述的2张复合纸粘接试样由上下2张单张复合纸试样通过粘接层粘接而成；所述的3张复合纸粘接试样由上中下3张单张复合纸试样通过粘接层粘接而成；

步骤2：将3种试样分别切成标准弯曲试样，并测试弯曲刚度K；将3种试样的弯曲刚度分别记为K₁、K₂、K₃；

步骤3：观测3种试样的截面，测试每一层材料的厚度，其中纸芯层厚度记为h₁，表面浸渍层厚度记为h₂，粘接层厚度记为h₃；

步骤4：根据多层复合梁的弯曲特性，3种试样的弯曲刚度计算公式如下：

将测试获得的弯曲刚度和每一层材料的厚度代入公式(1)-(3)，得到包含纸芯层弹性模量E₁、表面浸渍层弹性模量E₂和粘接层弹性模量E₃的三元一次方程，进而求解得到各层弹性模量。

进一步地，步骤2中所述的弯曲刚度测试方法，根据国际标准ISO 5628-2012或国家标准中关于弯曲刚度的测试方法，将试样切成标准三点弯曲试样或四点弯曲试样，测试弯曲刚度；采用三点弯曲方式时，弯曲刚度K的计算公式为：

其中，l为三点弯曲试验跨距的1/2，b为试样的宽度，f为试样中点施加载荷F时的挠度。

采用四点弯曲方式时，弯曲刚度K的计算公式为：

其中，l₂为四点弯曲试验中两加载点的距离，l₁为加载点到同侧支撑点的距离，b为试样的宽度，f为两个加载点各施加载荷F时试样中点的挠度。

与现有技术相比，本发明的效果和益处是：

1、本发明直接采用成品复合纸进行测试，过程中无需将复合纸各层剥离，因此，操作简单；本发明不存在剥离过程中材料变形过大而发生材料性能变化，测量结果能真实反应材料性能。

2、本发明通过弯曲模量反演获得各层弹性模量，弯曲应力和复合纸面内方向一致，得到的是复合纸面内方向的弹性模量，该模量是纸蜂窝等结构进行力学分析时主要承载方向，避免了微观压缩测试方法获得的厚度方向弹性模量用于结构分析可能存在的偏差。

附图说明

图1是单张复合纸试样组成示意图。

图2是2张复合纸粘接试样组成示意图。

图3是3张复合纸粘接试样组成示意图。

图中：1为纸芯层；2为表面浸渍层；3为粘接层。

具体实施方式

下面结合附图和数值模拟方法对本发明作进一步说明。

如图1-3所示，数值模拟采用的纸芯层1厚度为40μm，弹性模量为20GPa，表面浸渍层2厚度为15μm，弹性模量为5GPa，粘接层3厚度为30μm，弹性模量为2GPa。

按步骤1，准备三种试样，单张复合纸总厚度为70μm，2张复合纸粘接总厚度为170μm，3张复合纸粘接总厚度为280μm。

按步骤2，根据国际标准ISO 5628-2012弯曲刚度测试要求，有效支撑长度必须是厚度的80倍以上，因此，准备试样总长度为34mm、宽度为5mm。根据国际标准ISO 5628-2012测试三点弯曲刚度，有效支撑长度为28mm，本实施例中通过数值模拟方法，根据公式(4)得到3种试样的弯曲刚度分别为K₁＝0.2229N·mm，K₂＝5.198N·mm，K₃＝19.96N·mm。

按步骤3，得到纸芯层1厚度h₁为40μm，表面浸渍层2厚度h₂为15μm，粘接层3厚度h₃为30μm。

按步骤4，根据多层复合梁的弯曲特性，将测得的弯曲刚度和厚度代入公式(1)-(3)，可以得到：

0.2229＝(5.33·E₁+23.25·E₂)·10^-6

5.198＝(2.25·E₃+15.75·E₂+210.67·E₁+180.75·E₂)·10^-6

19.96＝(5.33·E₁+23.25·E₂+154.5·E₃+158.25·E₂+810.67·E₁+488.25·E₂)·10^-6

求解得到纸芯层1弹性模量E₁为19.98GPa，表面浸渍层2弹性模量E₂为5.006GPa，粘接层3弹性模量E₃为1.946GPa，和数值模拟模型预设值的偏差分别为-0.08％，0.12％和-2.7％，具有很高的精度。

本发明不局限于本实施例，任何在本发明披露的技术范围内的等同构思或者改变，均列为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种三层复合纸各层面内弹性模量的测试方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：准备3种试样，分别为单张复合纸试样、2张复合纸粘接试样和3张复合纸粘接试样；所述的单张复合纸试样由纸芯层(1)和上下两层表面浸渍层(2)组成，所述的2张复合纸粘接试样由上下2张单张复合纸试样通过粘接层(3)粘接而成；所述的3张复合纸粘接试样由上中下3张单张复合纸试样通过粘接层(3)粘接而成；

步骤2：将3种试样分别切成标准弯曲试样，并测试弯曲刚度K；将单张复合纸试样、2张复合纸粘接试样和3张复合纸粘接试样的弯曲刚度分别记为K₁、K₂、K₃；

步骤3：观测3种试样的截面，测试每一层材料的厚度，其中纸芯层(1)厚度记为h₁，表面浸渍层(2)厚度记为h₂，粘接层(3)厚度记为h₃；

步骤4：根据多层复合梁的弯曲特性，3种试样的弯曲刚度计算公式如下：

将测试获得的弯曲刚度和每一层材料的厚度代入公式(1)-(3)，得到包含纸芯层(1)弹性模量E₁、表面浸渍层(2)弹性模量E₂和粘接层(3)弹性模量E₃的三元一次方程组，进而求解得到各层弹性模量。

2.根据权利要求1所述的一种三层复合纸各层面内弹性模量的测试方法，其特征在于：步骤2中所述的弯曲刚度测试方法，根据国际标准ISO 5628-2012或国家标准中关于弯曲刚度的测试方法，将试样切成标准三点弯曲试样或四点弯曲试样，测试弯曲刚度；采用三点弯曲方式时，弯曲刚度K的计算公式为：

其中，l为三点弯曲试验跨距的1/2，b为试样的宽度，f为试样中点施加载荷F时的挠度；

采用四点弯曲方式时，弯曲刚度K的计算公式为：

其中，l₂为四点弯曲试验中两加载点的距离，l₁为加载点到同侧支撑点的距离，b为试样的宽度，f为两个加载点各施加载荷F时试样中点的挠度。

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