雙軸拉伸下ETFE薄膜材料力學性能

吳明兒， 賞瑩瑩， 李殷堂

（同濟大學 建筑工程系，上海 200092）

ETFE（ethylene tetra fluoro ethylene）薄膜結構在國內外應用越來越廣泛［1－2］.其主要力學性能指標包括屈服強度、彈性模量、抗拉強度和斷裂延伸率等，這些指標一般參照塑料薄膜的拉伸試驗方法，通過材性試驗獲得［3］.目前對ETFE薄膜材料力學性能的研究主要采用單軸拉伸試驗的方法，已有研究包括屈服強度及彈性模量等基本參數的獲?。?］，拉伸速度及溫度對材料性能的影響［5－6］，不同應力水平下的循環拉伸性能以及不同溫度和應力水平下的徐變性能試驗［7－8］.相對于單軸拉伸試驗，ETFE薄膜的雙軸拉伸試驗研究很少.文獻［9］按循環加載的方法對ETFE薄膜進行了雙軸拉伸試驗，檢驗了Mises屈服應力，比較了單雙軸彈性模量.然而該試驗中對兩個方向是獨立加載，而非同時進行的.

本文對ETFE薄膜進行雙軸拉伸試驗時采用同時比例加載的辦法，即試件從兩個方向按設定的應力比同時進行加載使其達到屈服.將成卷ETFE薄膜的長度方向標記為MD（machine direction），與MD垂直的寬度方向標記為TD（transverse direction）.選取200，250μm厚的ETFE薄膜進行5組應力比（MD與TD方向的應力比，下同）雙軸拉伸試驗；由試驗得到雙軸應力時的屈服點，利用單軸拉伸時的屈服點驗證Mises屈服準則的適用性；計算雙軸拉伸試驗時的彈性模量和泊松比，并與單軸拉伸試驗結果進行比較.

1 雙軸拉伸試驗方法

參照文獻［10］，對ETFE薄膜進行雙軸拉伸試驗.試驗時室溫為20℃，拉伸試樣為日本旭硝子玻璃股份有限公司生產的厚度為200，250μm的兩種ETFE薄膜.

對每種厚度的ETFE薄膜分別進行5組應力比的雙軸拉伸試驗，試樣應力比分別為1∶0，0∶1，1∶1，1∶2，2∶1，每組試驗重復5次.試驗設備加載比例固定為1∶1，通過調整試樣尺寸來獲得不同應力比.采用十字形切縫試樣，按照膜材的MD，TD方向對稱取樣.試樣尺寸見圖1.

圖1 ETFE薄膜十字形試樣尺寸Fig.1 Cruciform specimen of ETFE foils（size：mm）

2 雙軸拉伸試驗結果

2.1 雙軸拉伸曲線

ETFE薄膜在不同應力比下雙軸拉伸試驗部分應力－應變曲線如圖2所示.

由圖2可知，雙軸拉伸下ETFE薄膜的應力－應變曲線起初呈近似直線關系，此時可認為材料處于彈性狀態；到達某一點后直線斜率迅速減小，材料可認為發生屈服，這與單軸拉伸的應力－應變曲線相似［4］；當雙軸拉伸繼續進行時，應變迅速增大，十字形試樣角部出現應力集中現象，導致材料撕裂破壞，試驗停止.按單軸拉伸曲線的近似分析方法［4］來分析處理雙軸拉伸曲線，對每條雙軸拉伸曲線作初始段的切線，與兩轉折點間曲線的近似直線相交于點A；過點A作水平線與拉伸曲線相交于點B，點B即為第一屈服點（即第一轉折點）.

2.2 屈服應力

圖2中應力－應變曲線轉折點相當于單軸拉伸曲線的第一轉折點.分析處理雙軸拉伸曲線，可以得到第一屈服點，將該點對應的應力規定為ETFE薄膜在雙軸拉伸狀態下的屈服應力.雙軸拉伸試驗中200，250μm厚ETFE薄膜在單個方向上的屈服應力見表1，2.

表1 200μm厚ETFE薄膜在單個方向上的屈服應力Table 1 Yield stress in a single direction of 200－micron－thick ETFE foils MPa

表2 250μm厚ETFE薄膜在單個方向上的屈服應力Table 2 Yield stress in a single direction of 250－micron－thick ETFE foils MPa

3 折算應力

本文按Mises屈服準則計算ETFE薄膜雙軸拉伸達到屈服時的折算應力，將其與單軸拉伸的屈服應力相比較，檢驗 Mises屈服準則的適用性.由表1，2計算得到的折算應力見表3.

由表3可知，兩種厚度ETFE薄膜的折算應力基本相同，這表明厚度對其折算應力影響不大.雙軸應力比為1∶1時的折算應力略小于單軸屈服應力；雙軸應力比為1∶2，2∶1時的折算應力略大于單軸屈服應力；雙軸折算應力與單軸屈服應力相差大約±7%，基本符合Mises屈服準則.

圖2 不同應力比雙軸拉伸試驗部分應力－應變曲線Fig.2 Stress－strain curves of biaxial tensile tests using different stress ratio

表3 ETFE薄膜雙軸拉伸屈服時的Mises折算應力Table 3 Mises equivalent stress of ETFE foils at yielding point through biaxial tensile test MPa

4 彈性模量和泊松比

由應力比為1∶0，0∶1的雙軸拉伸試驗可求得ETFE薄膜在單軸拉伸狀態下的彈性模量和泊松比.切線模量、割線模量的定義同單軸拉伸試驗曲線分析方法［4］，泊松比取屈服點時的應變比值，試驗結果見表4，5.

參照文獻［10］中關于膜材雙軸拉伸彈性模量及泊松比的計算方法，利用雙軸拉伸試驗5組應力比的應力－應變曲線，按應變項殘差平方和最小二乘法計算得到ETFE薄膜雙軸拉伸彈性模量和泊松比，結果見表6.

表4 200μm厚ETFE薄膜單軸拉伸彈性模量和泊松比Table 4 Elastic modulus and Poisson ratio of 200－micron－thick ETFE foils through uniaxial tensile test

表5 250μm厚ETFE薄膜單軸拉伸彈性模量和泊松比Table 5 Elastic modulus and Poisson ratio of 250－micron－thick ETFE foils through uniaxial tensile test

由表4～6可知，ETFE薄膜在MD，TD兩方向上的彈性模量基本一致，250μm厚薄膜彈性模量略小于200μm厚薄膜.單軸拉伸彈性模量中的切線模量稍大于割線模量，而雙軸拉伸彈性模量則大致介于單軸拉伸切線模量與割線模量之間.單軸及雙軸拉伸得到的泊松比與薄膜厚度及方向關系很小，數值約為0.42.

表6 ETFE薄膜雙軸拉伸彈性模量和泊松比Table 6 Elastic modulus and Poisson ratio of ETFE foils through biaxial tensile test

5 結論

（1）試驗所得ETFE薄膜雙軸拉伸應力－應變曲線與單軸拉伸曲線變化趨勢一致；由Mises屈服準則計算得到的雙向應力屈服時的折算應力與單軸屈服應力相差在±7%之內，基本符合 Mises屈服準則.

（2）雙軸拉伸彈性模量介于單軸拉伸切線模量與單軸拉伸割線模量之間，而其泊松比與單軸拉伸試驗數據基本相同.

（3）ETFE薄膜雙軸拉伸試驗中，當應力超過第一屈服點以后，試件出現角部應力集中，導致撕裂破壞，無法得到第二屈服點.

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