PTFE膜材料的偏軸拉伸性能及破壞機理

張營營,徐俊豪,曹 原,張其林

(1.江蘇省土木工程環境災變與結構可靠性重點實驗室(中國礦業大學)，江蘇 徐州 221116；2.同濟大學 土木工程學院， 上海 200092)

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PTFE膜材料的偏軸拉伸性能及破壞機理

張營營1,徐俊豪1,曹 原1,張其林2

(1.江蘇省土木工程環境災變與結構可靠性重點實驗室(中國礦業大學)，江蘇 徐州 221116；2.同濟大學 土木工程學院， 上海 200092)

為深入把握PTFE膜材料的率相關力學性能及破壞機理，對3種常見的PTFE膜材料進行了偏軸拉伸試驗，主要考慮了0°、5°、15°、25°、35°、45°、55°、65°、75°、85°、90°等11個偏軸角度和10、25、50、100、200、500 mm/min等6種拉伸速率，分析了主要力學參數的變化規律，研究了不同拉伸速率下的膜材破壞模式及破壞機理.結果表明：不同拉伸速率下膜材主要力學參數的變化規律比較一致，表現出明顯的各向異性；材料的抗拉強度與破壞模式密切相關，隨著拉伸速率的增加，抗拉強度逐漸升高，且與拉伸速率的對數呈近似線性關系，這主要與材料應變能及編織結構有關；材料的破壞模式和斷裂延伸率受拉伸速率的變化影響不明顯.關鍵詞: PTFE(聚四氟乙烯)膜材；偏軸拉伸試驗；力學性能；拉伸速率；破壞機理

在實際工程中，膜材料往往處于雙向受力狀態，其破壞強度較單軸狀態下有明顯的折減，而這一點在現有設計規程中很少得到直接體現[4-5].現行設計規程中膜材料設計強度的確定往往以膜材料的單軸抗拉強度為參考并采用較大的抗力分項系數[4-6].導致這種情況的主要原因是膜材料種類眾多，破壞模式復雜多樣，且其力學性能受外部環境影響較大[7]，因此準確判斷膜材料的極限狀態，明確膜材料的破壞機理，對于指導工程實踐和應用有著十分重要的意義[8].

膜材料作為典型的復合材料，其力學性能具有明顯的各向異性，這對結構設計(比如設計強度、裁剪補償率的確定等)造成了較大影響[8-9].目前，已有部分學者[10-12]對幾種常見的涂層織物類膜材進行了部分角度的偏軸拉伸試驗，討論了膜材料拉伸性能的各向異性，分析了膜材料的拉伸斷裂機理及適用的相關強度準則，但也發現現有強度準則對于小偏角拉伸試件(15°和75°)的強度預測精度不高.另外，膜材料作為一種典型的高分子復合材料，其力學性能具有明顯的率相關特性，而上述已有研究大都是在規范建議的標準拉伸速率下進行的，并沒有考慮到拉伸速率對偏軸拉伸的影響，因此有必要研究不同拉伸速率下膜材料的偏軸拉伸性能及破壞機理[13-15].

本文以3種常見的PTFE膜材為例，進行了不同拉伸速率下的偏軸拉伸試驗，研究了偏軸角度及拉伸速率對膜材料主要力學參數的影響規律，重點討論了不同拉伸速率下的膜材料破壞機理及破壞模式，研究結果能夠為深入把握膜材料的力學特性，完善膜結構設計理論提供參考.

1 偏軸拉伸試驗方法

本文試驗所選取的材料分別為中興化成FGT800(厚度0.8 mm、面密度為1 300 g/m2)、FGT600(0.6 mm、面密度為1 000 g/m2)和杜肯B18039(厚度0.5 mm、面密度為800 g/m2).參照上海市地方規程《膜結構檢測技術規程》[16]采用電子萬能(拉伸)試驗機進行拉伸試驗，分別采用高精度拉力傳感器和大變形測試儀來記錄膜材的力和變形.試件的裁剪方式見圖1，其中膜材緯向為X軸，經向為Y軸.另外，在部分試件上繪制了網格線，用以分析材料的變形和破壞機理.

考慮到試件尺寸對各向異性材料的偏軸拉伸性能影響較大，本文采用大型通用有限元軟件ANSYS對不同尺寸試件的試驗過程進行模擬分析.考慮到試驗機的構造、尺寸和操作等，試件長度和應變測距保持不變，分別是1 000 mm和200 mm.本次分析通過變化試件寬度來分析長寬比對于試件拉伸性能的影響，結合現有測試規程和經驗，確定試件的分析寬度分別為200、100和50 mm.計算分析中采用shell41單元，按照正交各向異性材料進行分析，材料參數由試驗[16]測得，緯、經向彈性模量分別為492 MPa和860 MPa，泊松比為0.3，通過旋轉正交各向異性材料的材料軸來模擬偏軸拉伸過程中纖維方向的改變，數值分析結果見圖2.從圖2中可以明顯看出：隨著試件尺寸的減小，偏軸試件的應力分布更加相對均勻，尤其在偏軸角度較大的試件中更為明顯；分析發現：試件尺寸對材料應力分布影響較大，試件尺寸越大，夾具的邊界條件對于試驗結果的影響逐漸變大，為后期的應力分解和強度準則分析加大了難度.綜合上述分析和文獻[10-12]認為，試件尺寸越小，試驗測得的力學數據越具有代表性，能有效減少試件尺寸對試驗結果的影響；但是如果試件尺寸過小，試件裁剪過程中很容易造成纖維損傷，從而導致離散性較大.試件尺寸的確定是結合拉伸設備的特點及數值模擬的結果，選取合適的尺寸使試件在拉伸過程中邊界條件的影響最小、試件應力分布盡量均勻，同時考慮到與現有規程的規定[5,16]保持一致，最終確定試件尺寸為長度為1 000 mm，寬度為50 mm，其中應變測距為200 mm.

圖1 試件裁剪示意

為了更有利于把握材料性能，本文減小了偏軸試驗的角度間隔，偏軸角度(偏離緯向的角度)分別取0°、5°、15°、25°、35°、45°、55°、65°、75°、85°和90°，參考文獻[15]確定試驗中的拉伸速率分別為10、25、50、100、200和500 mm/min.試驗中每組相同的試件為25個.

2 PTFE膜材偏軸拉伸性能

2.1 偏軸拉伸曲線

由圖3可以看出FGT600和杜肯B18039材料的試驗曲線規律比較一致，且與已有試驗結果[10-12]規律比較接近，而FGT800膜材的拉伸曲線與以往試驗[10-12]略有不同.因此本文結合已有試驗結果，以FGT800膜材為主、另兩種材料為輔來進行試驗結果分析.本小節以規程[16]規定的正常拉伸速率100 mm/min時的拉伸試驗結果為例進行介紹.

圖2 不同尺寸試件偏軸拉伸試驗有限元分析

從圖3可以發現：對于FGT800而言，偏軸角度從0°增加到35°過程中，膜材料的抗拉強度逐漸減小，而斷裂延伸率逐漸增大；從35°增加到90°過程中，抗拉強度逐漸增大，而斷裂延伸率逐漸減小；在35°方向拉伸時抗拉強度最小，斷裂延伸率最大.35°為臨界值較以往的試驗來說比較少見，文獻[11-12]得出的結果與杜肯B18039(圖3(b))和FGT600(圖3(c))規律一致，即在偏軸45°拉伸時，抗拉強度最小，而斷裂延伸率最大.結合兩種角度斷裂的形態分析，發現在FGT800的試驗中，35°試件斷裂形態中兩邊邊部抽出的纖維量大于45°的試件，而完全斷裂的纖維數量少于45°的試件，破壞模式以纖維和涂層界面破壞為主，纖維拉斷為輔，從而導致35°試件的抗拉強度小于45°.該現象在不同拉伸速率的試驗中均可觀察到，經分析這可能與試驗膜材的經、緯向纖維編織密度差別較大、編織過程中產生的卷曲以及纖維-涂層界面的粘結強度等因素有關[4,10].其中經、緯向纖維編織密度差異也在圖3(a)中的拉伸曲線中得到了體現，正交角度曲線的相似性較以往的試驗差，尤其表現在小角度偏軸拉伸試驗中[11-12].

對在100 mm/min拉伸速率下的FGT800膜材抗拉強度進行統計分析，得到相應的統計數據見表1，總體而言，試驗結果的離散性較好，符合正態分布.對比0°與5°以及90°與85°的拉伸數據，發現偏軸拉伸時，在拉剪耦合作用下，膜材料的抗拉強度有了明顯的下降，且隨著偏軸角度的增加，強度降低速度變緩.從表1中還可以看出偏軸角度接近緯向的試件(5°、15°)的斷裂延伸率大于角度接近經向的試件(85°、75°)，這主要與材料的平織編織方式和編織密度有關，在基布編織過程中，一般是經向纖維被拉直，而緯向纖維纏繞編織，此時會產生較大的屈曲.受拉初始階段，緯向纖維由彎曲狀態被拉直，會產生較大的變形，使得材料的初始模量較小，而在拉伸的后半段，當纖維充分伸直后，材料的拉伸模量主要取決于基布中纖維的拉伸模量和編織密度.

圖3 PTFE膜材的偏軸拉伸曲線

偏軸角度/(°)平均值/(kN·m-1)標準差/(kN·m-1)離散系數標準值/(kN·m-1)0103.598.2690.079889.99578.563.1000.039573.461563.032.4380.038759.022563.811.2070.018961.823562.611.1730.018760.684566.282.0490.030962.915572.731.1410.015770.856578.630.9460.012077.087588.402.6820.030383.998599.042.9010.029394.2790150.298.6960.0579135.98

2.2 破壞模式及機理研究

圖4是試驗膜材試件沿不同角度拉伸拉斷后的斷裂形態.通過觀察試件拉伸破壞過程及拉斷后的斷裂形態，發現主要有3種破壞模式，纖維斷裂破壞、剪切破壞、拉剪混合型破壞.第一種是纖維斷裂破壞，主要指的是純拉伸破壞(圖4(a))，該種情況下主要承受的是正應力(圖5(a))，主要是由基布承擔，最終材料破壞是由纖維直接被拉伸斷裂所致，該類破壞只發生于0°或90°拉伸試驗中.該類破壞模式主要呈現為兩種破壞形態：一種是發生在同一橫斷面的纖維整齊斷裂破壞，該類破壞形態出現頻率較低；另一種是斜向斷裂破壞，該類破壞形態出現頻率較高，由于材料中存在隨機分布的微觀缺陷，部分位置纖維會首先發生斷裂，此時纖維斷裂沿邊緣斷口間的連線發展以致試件完全破壞.

圖4 試件在不同拉伸方向下的斷裂形態

第二種破壞模式呈拉剪混合型破壞(圖4(b))，該類破壞模式在試驗中出現頻率最高.在該類試件的拉伸過程中，由于纖維的方向與荷載方向呈一定夾角，主受力纖維受力后發生偏轉，此時經緯向纖維間的夾角逐漸發生改變，材料處于拉剪耦合狀態下，最終材料的破壞狀態與試件偏軸角度有較大關系(圖5(b)).在小偏角(5°、15°、75°、85°)拉伸試件中，大部分纖維貫穿整個試件，發生斷裂破壞，而邊緣處的少數纖維會被拔出，此時材料仍是以拉應力為主，因此相比經、緯向試件而言，強度降低明顯，這與上一節試驗統計結果一致.當偏軸角度相對較大(25°、35°、55°、65°)時，在試件拉伸過程，由于纖維與拉伸方向呈一定的夾角，纖維有被拉直的趨勢，但涂層會對這種趨勢產生一定的束縛，此時剪力所起的作用較大，相比小偏角試件而言.最終的破壞模式是在拉剪耦合作用下，面層與基布纖維逐漸剝離，試件邊部纖維從基體中被抽拔出來，中間部分纖維被拉斷而導致膜材破壞，斷口方向總是平行于或者垂直于纖維方向.第三種破壞模式為剪切破壞(圖4(c))，主要發生在45°試件，表現為試件在拉伸過程中面內剪應力起主導作用(圖5(c)).

在45°試件中端部直接受拉纖維覆蓋面積較小且呈均勻對稱分布，如圖6所示，這導致破壞首先會出現在受約束較小的試件邊緣纖維上.試件邊緣纖維在剪應力的作用下從面層中抽拔出來，然后該截面上的其余纖維會被拉斷并導致膜材的最終破壞，斷口方向總是垂直于加載方向且多呈現在試件中部.

如圖1所示，偏軸試驗時，基布纖維主要有兩種受力方式：貫穿試件的纖維兩端固定在夾具中，以承受拉力為主，材料利用率相對較高；而未貫穿試件的纖維只能承受部分拉力以及涂層界面對其的剪切作用，利用率相對較低.當偏軸角度逐漸增加時，試件中纖維的總數不變，貫穿試件的纖維數目逐漸減少.試件邊緣處纖維無法貫穿整個試件，承受拉力的能力降低，從圖6中可以看出這部分纖維所受剪力迅速增大，在拉剪耦合狀態下更易從周圍的纖維及涂層界面中拔出，導致試件的抗拉強度迅速降低.當偏軸角度從15°增加到25°(75°減少到65°)時，貫穿試件的纖維數量減少到0，主受力纖維所受的拉應力繼續降低，而剪應力繼續增大，此時試件的抗拉強度降低不明顯.當偏軸角度從25°增加到45°(65°減少到45°)時，試件邊緣處纖維變短，與周圍纖維及涂層界面的粘結強度降低，所受剪力繼續增大，最終剪應力起控制作用，試件呈現出剪切破壞的模式.這從試驗過程中的試件網格變形也能看出(圖7)，在小偏軸拉伸過程中，試件網格主要呈現拉剪變形，而偏軸角度較大時，試件網格主要呈現剪切變形，這與圖5所示的單元應力狀態一致.

圖5 不同破壞形式對應的單元應力狀態

Fig.5 Schematic diagram of stress of membrane units with different failure modes

圖6 偏軸拉伸試驗有限元分析

圖7 偏軸拉伸過程試件變形

2.3 拉伸速率

通過分析試驗結果，發現在不同拉伸速率下試驗膜材的應力-應變曲線變化趨勢大致相同.隨著拉伸速率的增加，抗拉強度逐漸增加，而斷裂延伸率逐漸減小.一般來講，拉伸速率的增加，導致纖維和基體間界面的剪切強度增加[17-18]，界面剪切強度的大小決定了基體傳遞載荷到纖維的程度，高的剪切強度將提高載荷傳遞率，在拉伸速率高的情況下，基體某處先開裂，使纖維受到很大的應力.由于界面剪切強度高，在基體與纖維尚未脫粘前，荷載已傳到纖維，使纖維在接近裂紋面的地方斷裂，因而阻礙了拉伸過程中纖維從基體中拔出，從而實現了較高的破壞強度.另外，試件內部存在的內部缺陷對于抗拉強度的變化也有影響[19-20].在速度較慢時，材料內部的缺陷能夠逐漸擴展，從而影響到材料的整體受力性能，降低材料的抗拉強度.而當拉伸速率變大時，材料的內部缺陷很難迅速擴展，對于材料的抗拉強度影響程度相對較小，這也相當于“變相”地提高了材料的抗拉強度.

由圖8可以看出在不同拉伸速率下，試件的破壞形態幾乎沒有改變，但是不同速度下不同破壞模式的出現幾率略有不同.從0°、90°試件的破壞模式來看，出現純拉伸破壞的幾率越來越大；從25°、35°試件的破壞模式來看，不難發現隨著拉伸速率的增加，被拔出纖維所在的涂層部分破壞越嚴重，這是因為界面剪切強度的增大提高了纖維與面層的共同作用，阻礙了纖維從基體中的拔出，從而在試件斷裂時涂層破壞較嚴重.綜上可見，膜材料的破壞總是出現在膜材料中較薄弱的部分，多發生于強度較低的纖維或纖維與涂層材料的界面上，然后裂縫的發展總是平行或垂直于纖維方向.在偏軸拉伸時，在拉、剪應力的耦合作用下，膜材料的抗拉強度會顯著降低，而且與破壞模式密切相關.

由于斷裂延伸率很大程度上取決于試件膜材的斷裂形態，隨機性較大，所以本文只對抗拉強度進行了擬合.對試驗拉伸曲線進行分析，擬合得到試驗膜材抗拉強度與拉伸速率、偏軸速度的關系公式，如式(1)所示，圖9中黑點為膜材的抗拉強度試驗值，直線為擬合公式的預測結果，從圖9看出該公式能夠較好預測不同拉伸速度及偏軸角度下的材料拉伸強度.

圖8 試件在不同拉伸速率下斷裂形態

(1)

式中：θ為偏軸角度；X、Y和S分別為拉伸速率為10 mm/min時緯向強度、經向強度及剪切強度，v為拉伸速率，A、B和C為擬合系數，可以通過試驗數據擬合得到.

圖9 公式(1)預測結果與試驗數據對比

Fig.9 Comparisons of formula 1 calculation results and experimental data

3 結 論

1) PTFE膜材是典型的各向異性材料.不同拉伸速率下的同一材料的偏軸拉伸曲線變化規律比較一致，隨著偏軸角度的增加，抗拉強度會有明顯的下降，且降低速率逐漸變緩，而斷裂延伸率與抗拉強度的變化趨勢相反.材料的抗拉強度取決于纖維編織密度、纖維自身強度及纖維-涂層界面的粘結強度.杜肯B18039和FGT600的抗拉強度最小值出現在偏軸45°處，而FGT800膜材偏軸拉伸試件的抗拉強度最小值出現在偏軸35°處，這主要與FGT800膜材的經、緯向纖維編織密度差別較大、紡織過程中出現的卷曲以及纖維-涂層界面的粘結強度等因素的耦合作用有關.

2)材料的抗拉強度與破壞模式密切相關，拉伸速率對膜材的斷裂形態影響不明顯，但是各種破壞模式出現的幾率略有變化.偏軸拉伸試驗中主要觀察到三種破壞現象：纖維斷裂破壞、剪切破壞、拉剪混合型破壞，這與材料微觀單元受力特性密切相關.經緯向試件中主要承受的是正應力，破壞模式是纖維斷裂破壞，此時強度最高；中間角度的試件處于拉剪應力耦合作用下，部分纖維并非完全斷裂，而是被拔出，強度降低明顯；剪切破壞出現在45°試件中，主要承受剪應力，試件邊緣纖維從基體中拔出及中間部分的纖維斷裂而導致破壞.

3)隨著拉伸速率的增加，抗拉強度逐漸增大，且與拉伸速率的對數值呈良好的線性關系.拉伸速率的增大，會導致纖維與基體間界面剪切強度增大，阻礙了拉伸過程中纖維的拔出，最終破壞以纖維斷裂為主，纖維利用率相對較高，因此材料抗拉強度隨之增大.最后擬合得到了一個能用于預測不同偏軸角度、拉伸速度的強度預測公式.由于破壞形態復雜，所以斷裂延伸率隨拉伸速率的變化規律不明顯.

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(編輯 趙麗瑩)

Off-axial tensile behaviors and failure mechanisms of PTFE coated fabrics

ZHANG Yingying1, XU Junhao1, CAO Yuan1, ZHANG Qilin2

(1.Jiangsu Key Laboratory of Environmental Impact and Structural Safety in Engineering (China University of Mining and Technology),Xuzhou 221116, Jiangsu,China; 2.College of Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China)

To understand the rate-dependent mechanical properties and failure mechanism, a series of uniaxial off-axial tensile tests were carried out to study the mechanical properties of three common PTFE (Poly tetra fluoro ethylene) coated fabrics under different tensile rates. The following parameters were considered in the tests including eleven in-plane directions (0°, 5°, 15°, 25°, 35°, 45°, 55°, 65°, 75°, 85°and 90°) and six tensile rates (10 mm/min, 25 mm/min, 50 mm/min, 100 mm/min, 200 mm/min, and 500 mm/min). The variations of main mechanical parameters of PTFE coated fabrics were analyzed and the corresponding tensile failure modes and mechanisms were studied. The results show that the variations of main mechanical parameters are consistent under different tensile rates and it shows significant anisotropic characteristic. The tensile strength is strongly related with the failure modes. With tensile rate increasing, the tensile strength increases slightly while the strain at break decreases. The tensile strength shows good linear relationship with the tensile rate’s logarithm, which is mainly related with the strain energy and the woven structure. The change of tensile rate has no significant effects on the material failure modes and the strain at break.

Poly tetra fluoro ethylene (PTFE) coated fabric; off-axial tensile test; mechanical properties; tensile rate; failure mechanism

10.11918/j.issn.0367-6234.2016.12.019

2015-08-17

國家自然科學基金 (51308532，90815003)

張營營(1985—)，男，副教授，碩士生導師; 張其林(1962—)，男，教授，博士生導師

張營營，zhangyingying85@163. com

TQ325.3,TU502.6

A

0367-6234(2016)12-0135-07