復(fù)合材料增強(qiáng)體纖維性能分析

胡瑋

(江蘇恒神股份有限公司，江蘇丹陽(yáng) 212300)

復(fù)合材料增強(qiáng)纖維是一種當(dāng)今社會(huì)的新型復(fù)合材料，其可以應(yīng)用到汽車制造、航天航空以及國(guó)防工業(yè)等領(lǐng)域當(dāng)中，主要的增強(qiáng)體則作為復(fù)合材料常用的構(gòu)成成分之一，本質(zhì)上也屬于復(fù)合材料[1]。該類材料通過(guò)織物纖維來(lái)分布于基體內(nèi)，以提高力學(xué)性能[2]。由于其力學(xué)性能容易調(diào)整，被應(yīng)用到各類場(chǎng)合，但同樣由于該特性，需要對(duì)增強(qiáng)體性能進(jìn)行分析[3]。目前分析方法中，通常采用的樣品測(cè)試實(shí)驗(yàn)來(lái)得出增強(qiáng)體性能，缺乏對(duì)增強(qiáng)纖維參數(shù)的計(jì)算，增強(qiáng)體性能和實(shí)際性能差別較大，難以滿足需求。

1 復(fù)合材料增強(qiáng)體性能分析方法設(shè)計(jì)

1.1 增強(qiáng)纖維參數(shù)計(jì)算

在纖維增強(qiáng)材料中，各項(xiàng)參數(shù)對(duì)增強(qiáng)體性能存在一定的影響，因此需要對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行確定[4]。而增強(qiáng)纖維細(xì)度對(duì)于復(fù)合材料的性能之間存在一定影響[5]。本文在進(jìn)行纖維參數(shù)運(yùn)算中，采用中段稱重法通過(guò)對(duì)分析對(duì)象材料的中段稱重并通過(guò)對(duì)材料的纖維公制指數(shù)的換算來(lái)得出對(duì)應(yīng)的數(shù)值，見公式（1）：

在公式（1）中Nm 代表稱重中的公制指數(shù)，單位為m/g，n 代表?yè)Q算得出的纖維根數(shù)，G1 代表分析對(duì)象中段纖維重量，單位為mg。而根據(jù)纖維基體特性，可以得出對(duì)應(yīng)的纖維特?cái)?shù)Ntex，即Nm×Mtex=1000。而影響纖維參數(shù)的還包括纖維的含水率[6]。通常情況下，未干燥條件下的纖維參與制作后，形成的水分蒸發(fā)后產(chǎn)生小孔隙，導(dǎo)致應(yīng)力缺陷。而過(guò)于干燥的條件下，纖維增強(qiáng)彈性在凝固后，受到外界機(jī)械力時(shí)容易斷裂，材料抗剪性能降低，因此需要將增強(qiáng)體的含水率作為材料抗剪力和其它力學(xué)性能分析的一個(gè)指標(biāo)[7]，而含水率以及回潮率的分析公式見公式2 和3。

本文的實(shí)驗(yàn)過(guò)程所利用到的是FA2004B 電子天平，同時(shí)要采用Y802 型干燥箱來(lái)配合使用，來(lái)測(cè)量纖維的干濕中。

1.2 增強(qiáng)纖維力學(xué)性能測(cè)試計(jì)算方法

在增強(qiáng)纖維力學(xué)性能測(cè)試中，本文采用電子多功能試驗(yàn)機(jī)來(lái)進(jìn)行纖維力學(xué)性能測(cè)試。在給定的溫度，濕度和拉伸載荷率下，縱向載荷會(huì)施加到材料上，并且材料會(huì)塌陷。材料性能指標(biāo)見公式（4）。

在公式（4）中，代表拉伸過(guò)程中的斷裂負(fù)荷或最大負(fù)荷，取值根據(jù)不同增強(qiáng)體的特性來(lái)得出，單位為N[8]。b 代表被分析材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)的樣品寬度，單位為mm，d 則代表分析材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)的樣品厚度，單位為mm。而對(duì)材料的斷裂伸長(zhǎng)率計(jì)算見公式（5）。

在公式（5）中，G 代表樣品在拉伸力作用下斷裂時(shí)的標(biāo)線距離，單位為mm。G0則代表樣品在實(shí)驗(yàn)開始前的標(biāo)線距離，單位為mm。

而材料的彈性模量[9]則可以通過(guò)在測(cè)試時(shí)繪制的纖維在基體中的分布排列圖中計(jì)算。

對(duì)圖1 中的初始直線排列部分進(jìn)行計(jì)算來(lái)得出，即：

圖1 纖維在基體中的分布排列

在公式（6）中，σ 代表材料的拉伸應(yīng)力，單位為N/mm2，ε 代表材料的拉伸應(yīng)變[10]，單位為mm/mm。同時(shí)搭載三點(diǎn)簡(jiǎn)支梁來(lái)對(duì)增強(qiáng)材料進(jìn)行測(cè)試，將被分析樣本放置在支梁上，并在中間施加載荷，測(cè)試器彎曲強(qiáng)度，計(jì)算公式見公式（7）。

在公式（7）中，σf代表材料的彎曲強(qiáng)度，單位為MPa，P 代表在測(cè)試中對(duì)材料施加的破壞荷載，單位為N。L 代表材料的跨距，單位為mm。h 代表彎曲測(cè)試材料的樣品厚度，單位為mm，b 代表彎曲測(cè)試材料的樣品寬度，單位為mm。而材料的彎曲彈性模量計(jì)算[11]則為：

在公式（8）中，Er代表在基體中的纖維材料的彎曲彈性模量，單位為MPa，VP 表示在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中繪制的載荷，擾動(dòng)曲線的直線段上的材料的載荷增量，單位為N，Vf 代表和VP 相對(duì)應(yīng)的中點(diǎn)擾度增量[12]，單位為cm。最后再根據(jù)上述中基體內(nèi)纖維體的影響參數(shù)得出分析結(jié)果，由于不同型號(hào)基體中纖維體影響情況不同，但可以直接從該型號(hào)基體參數(shù)上得知，因此本文不做贅述。

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析

為了驗(yàn)證分析方法的可行性，本文對(duì)某款復(fù)合材料基體進(jìn)行測(cè)試分析實(shí)驗(yàn)，并使用本文分析方法與傳統(tǒng)分析方法進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證設(shè)計(jì)方法的優(yōu)劣性。

2.1 實(shí)驗(yàn)試劑與設(shè)備

在本文實(shí)驗(yàn)中，采用的電動(dòng)攪拌機(jī)型號(hào)為JB90-D，電子天平型號(hào)為FA2004B，硫化機(jī)型號(hào)為XLB-DQ，八籃恒溫干燥箱型號(hào)為Y802A，電子測(cè)試機(jī)型號(hào)為INSTR0N4302，掃描電鏡型號(hào)為JSM-6390LV，紅外光譜儀型號(hào)為NICOLET5700，熱失重分析儀，型號(hào)為HTG-1。電子單纖維強(qiáng)力儀，型號(hào)為L(zhǎng)LY-04E。以及氫氧化鈉試劑，純度為分析純。

2.2 增強(qiáng)纖維參數(shù)分析結(jié)果

本文實(shí)驗(yàn)中采用的纖維為某型號(hào)的黃麻纖維，并以該增強(qiáng)體的設(shè)定性能指標(biāo)作為標(biāo)準(zhǔn)值。構(gòu)建纖維復(fù)合材料頂網(wǎng)模型，在頂網(wǎng)模型中設(shè)置實(shí)驗(yàn)基體纖維特性參數(shù)。纖維復(fù)合材料頂網(wǎng)模型如圖2 所示。

圖2 纖維復(fù)合材料頂網(wǎng)模型

本文方法和傳統(tǒng)方法分別進(jìn)行三次分析，并分別進(jìn)行記錄并與實(shí)際參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，實(shí)驗(yàn)中使用的增強(qiáng)體纖維的設(shè)定重量為9.51±0.01mg，纖維根數(shù)為90，纖維Nm 值為95.50±0.05 實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1 所示。

表1 實(shí)驗(yàn)基體纖維特性參數(shù)分析

從表1 中可以看出：本文設(shè)計(jì)的分析方法在進(jìn)行分析中，平均纖維重量為9.52mg，纖維平均Nm 值為95.46。而傳統(tǒng)方法下的平均纖維重量為9.32mg，纖維平均Nm 值為91.64。可以發(fā)現(xiàn)本文分析方法得出的纖維特性參數(shù)更接近實(shí)際值。此時(shí)的黃麻纖維載荷-位移關(guān)系如圖3所示。

圖3 黃麻纖維載荷-位移關(guān)系圖

以圖3 黃麻纖維載荷-位移關(guān)系為實(shí)驗(yàn)依據(jù)，進(jìn)一步得出增強(qiáng)體性能數(shù)值，進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，實(shí)驗(yàn)中使用的增強(qiáng)纖維中力學(xué)性能設(shè)定值中，拉伸強(qiáng)度為10.85±0.04MPa，拉伸模量為2.00±0.03，彎曲強(qiáng)度為29.88±0.03MPa，彎曲模量為2.83±0.05GPa，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。

在表2 中可以看出：本文分析方法中，平均拉伸強(qiáng)度為10.90MPa，平均拉伸模量為1.98GPa，平均彎曲強(qiáng)度為29.06MPa，平均彎曲模量為2.87GPa。可以看出本文分析方法得出的結(jié)果更接近實(shí)際結(jié)果，證明本文分析方法的有效性。

表2 實(shí)驗(yàn)基體力學(xué)性能分析結(jié)果

3 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)增強(qiáng)體性能分析方法進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)出準(zhǔn)確度更高的增強(qiáng)體分析方法。該方法對(duì)材料在成型工藝方面的微觀理論計(jì)算尚存在不足，同時(shí)無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)混雜纖維方式下的性能分析研究，仍需進(jìn)一步深入研究。