復合材料圓筒切取環形試樣拉伸性能檢測方法研究

王寶瑞 韓蓉 李剛 張明睿 李金儒

摘 要 本文對纖維增強復合材料圓筒切取環形試樣拉伸性能的檢測方法進行了研究，本方法試樣制備和試驗操作方便、快捷，可有效檢測筒體環向的拉伸強度。本文明確了使用此方法具體的試樣形式、外觀尺寸以及試驗夾具的形式。試驗制備了多種規格的環形試樣，且對試樣尺寸、U型缺口半徑和加載速率等進行了相應的驗證試驗。結果表明，環形試樣采用180°對稱U型缺口形式，縮減面最小寬度應≥14mm，U型缺口半徑應≥9mm，試驗夾具采用劈裂圓盤形式，加載速度在2.5 mm/min～12.5 mm/min之間時，試驗數據穩定，具有較好的可重復性，且試樣破壞形式正常。

關鍵詞 復合材料；環形試樣；拉伸性能；圓筒

ABSTRACT? In this paper， the testing method of tensile properties of circular specimens cut from fiber reinforced composite cylinders is studied. This method is convenient and fast for sample preparation and test operation. It can effectively test the tensile strength of the ring. This paper defines the sample structure， appearance dimension and fixture structure for using this method. Ring specimens of various specifications were prepared， and corresponding verification tests were carried out on specimen size， u-notch radius and loading rate. The results show that： When the ring sample adopts 180 ° symmetrical U-shaped notch， the minimum width of the reduced surface is greater than 14mm， the radius of the U-shaped notch is greater than 9mm， the test fixture adopts split disc， and the loading speed is between 2.5 mm/min and 12.5 mm/min， the test data is stable， and have good repeatability， and the sample failure form is normal.

KEYWORDS? composite; circular specimens; tensile strength; cylinders

１ 引言

復合材料科學是當今科學技術發展的四大重要支柱（材料、能源、信息、生物）之一。先進材料對高精尖技術的發展有重要作用，其輕質、高比模、高比強、抗高低溫、耐腐蝕的優良特性在軍工、民用上均受到了青睞[1]。復合材料不僅在航空工業的發展中發揮著重要作用，還在汽車、生物醫療、軍工制造、海洋工程技術、電子硬件等方面具有廣泛的應用并取得了改善人類生活的巨大成果[2]。在新材料的研發過程及工程應用中，經常要對不同的組分材料試樣、復合材料試樣和構件試樣進行各種形式的材料性能實驗，以獲取所需的材料和結構性能參數。近年來，國內外研究人員除了在材料制備和試驗方面做了大量工作外[3，4]，還從不同的側面提供了大量有用的實驗數據，為指導材料的設計和改進制備工藝提供了有力依據。目前衡量復合材料界面匹配性的宏觀測試方法有很多，其中，環形試樣具有試樣制備方便、節省材料、測試操作簡單、降低測試成本等優點，廣泛應用于原材料的擇優選擇與成型工藝設計，纖維增強塑料制品的性能評價為工藝方法和工藝參數的確定提供依據，為選材、產品質量評定提供技術支持，特別是纏繞成型的工藝評價與產品質量控制方面，為復合材料正式生產前提供簡單有效的測試方法。環形試樣是一種纏繞成型的復合材料環形試驗件，其性能優劣是衡量樹脂基體與纖維的表面浸潤性、界面粘結性及傳遞應力能力的重要指標，它的宏觀力學測試可以用來同時表征復合材料的拉伸強度和界面結合強度。所以，環形試樣是纖維增強樹脂基復合材料力學性能研究的重要手段。

以往的標準環形試樣是單向的、具有固定外觀尺寸的復合材料環，本文研究的檢測方法是可以由復合材料圓筒構件直接切取，并施以機械加工獲得。此方法可更為直觀的獲得筒狀構件環向拉伸性能，方法簡單、便捷。復合材料構件中，筒狀構件應用較多，諸如深水耐壓筒、通信塔桿、直升機傳動系統尾軸管、火星車探測雷達定向天線壓緊座、水處理管道等，以及薄壁、高剛度、定膨脹系數、高剪切、耐空間環境、柱形壓力容器等構件，所以，本文研究的測試方法可廣泛應用于纖維纏繞增強塑料筒狀構件環向拉伸性能的檢測。

2 試驗方法

拉伸性能是復合材料力學性能中最為基礎，且最為重要的參數之一。許多結構鋪層的設計、優化都是以拉伸數據作為依據。本文將分別從試樣形式及外觀尺寸、夾具形式、試驗參數等方面進行試驗研究。

2.1 試驗材料

試驗中，試樣制備選用碳纖維和玻璃纖維兩種增強材料，樹脂體系為環氧樹脂的復合材料圓筒，可以使用任何適宜的機械加工方法，從增強熱固性樹脂筒體上切割下完全直徑、完全壁厚的環形試樣，并加以后續的機械加工。加工其縮減面可以是一個或是兩個，如果有兩個縮減面，應在相距180°的位置，橫斷面應在相對于試樣寬度的中心位置。試驗選用的筒體內徑分別為80mm、90mm、100mm、111mm、135mm和145mm，筒體壁厚分別為0.7mm、1.0mm、1.2mm、1.9mm、2.1mm和2.4mm，其中，碳纖維復合材料圓筒和玻璃纖維復合材料筒體各3種規格，每種規格試樣的鋪層均不相同。本文選用兩個縮減面形式，試樣形式示意如圖1所示，試樣實物如圖2所示。

2.2 試驗設備

試驗儀器選用INSTRON5900系列復合材料萬能靜力試驗機，載荷傳感器量程內精度保證0.5%，數據采集頻率最大2.5KHz，速度控制范圍0.00005mm/min～1000mm/min。試驗夾具采用劈裂圓盤形式，其拉力圓盤寬度應大于試樣寬度，直徑應盡可能與試樣內徑相近，即與復合材料圓筒內徑相近。試驗加工了兩種開口寬度的U型夾具，以及多種直徑的拉力圓盤。試驗夾具示意如圖3所示，試驗夾具實物如圖4所示。

2.3 性能檢測及結果

試驗中，首先測量試樣縮減面的最小寬度和厚度，精度精確到0.01mm；將試樣安裝至試驗夾具內，試樣縮減面中心處對準拉力盤的縫隙處，如圖5所示，試樣與拉力圓盤的接觸表面要加以潤滑；啟動試驗機均勻、連續地對試樣施加載荷，直到破壞，記錄破壞載荷及破壞形式，最后，按照公式（1）進行計算。

復合材料試樣存在非均勻性和泊松效應，試樣的外觀尺寸對強度有一定的影響。首先，對試樣縮減面的最小寬度進行試驗確定。試驗選用內徑111mm，壁厚2.4mm的碳纖維復合材料圓筒，切取并制備了U型缺口半徑為9mm，縮減面最小寬度分別為5mm、10mm、14mm和20mm四種規格的試件，我們對不同寬度的環形試樣進行了對比試驗，每組5件試樣，試驗結果如表1所示。數據分析可以看出，試樣縮減面最小寬度過小，未能覆蓋一個完整的纏繞單元，且邊界效應明顯，性能不穩定，離散系數較大，性能值也較低。而試樣縮減面最小寬度大于14mm時，拉伸強度較為穩定，破壞形式正常。因此，確定拉伸試樣的寬度為大于14mm較為適宜。

其次，對試樣U型缺口的半徑進行試驗確定。由于試驗的拉力盤夾具采用的是兩個劈裂圓盤形式，在對環形試樣施加拉伸加載時，會產生一定的應力集中，U型缺口試樣的弧面變化，可使應力梯度變化，約束了試樣的失效行為，使試樣在縮頸位置破壞，有效減小應力集中度。試驗選用內徑111mm，壁厚2.4mm的碳纖維復合材料筒，切取并制備了縮減面最小寬度為14mm，U型缺口半徑分別為2mm、5mm、9mm和15mm四種規格的試件，我們對不同寬度的環形試樣進行了對比試驗，每組5件試樣，試驗結果如表2所示。數據分析可以看出，試樣U型缺口半徑過小，應力集中度較大，性能值較低。而試樣U型缺口半徑大于9mm時，拉伸強度較為穩定，破壞形式正常。因此，確定拉伸試樣的U型缺口半徑大于9mm較為適宜。

復合材料試樣在不同速率載荷作用下，會呈現出不同的力學承載能力，不同的加載速率，會導致不同失效模式和破壞形式，確定試驗的有效加載速率范圍，對評估出材料的實際力學性能尤為重要。試驗選用內徑111mm，壁厚2.4mm，U型缺口半徑為14mm的碳纖維復合材料筒制備環形試樣，對同批次試件進行分別為1mm/min、2.5mm/min、8mm/min、12.5mm/min和15mm/min五種加載速率作用下的拉伸力學性能試驗。結果表明，隨加載速率的增加，試件抗拉強度增大；加載速率高低影響復合材料內部損傷的擴展行為，在較低的加載速度下，引起蠕變效應，內部損傷較長的時間進行充分擴展，從而使復合材料結構的完整性降低，表現為破壞時的部分結構承載；在適當的加載速率下，內部損傷擴展均勻，保持了復合材料結構的相對承載能力，表現出了較高的承載能力；而過高的加載速率，引起脆化效應，導致承載能力一定程度下降。不同加載速度對拉伸強度的影響數據如表3所示。從數據可以看出，數據呈現正拋物分布，拉伸加載速度2.5 mm/min～12.5 mm/min之間，材料性能較為穩定，區間外呈衰減趨勢。

根據上述驗證試驗確定的試樣尺寸及試驗參照數，選用不同的材料，不同規格的試樣，對方法的可操作性和重復性進行試驗，結果表明，試驗數據穩定，重復性較好，破壞形式正常。試驗數據如表4所示，破壞形式如圖6所示。

3 結語

（1）復合材料圓筒切取環形試樣拉伸方法，可以檢測出筒體實際的環向拉伸強度，方法簡便、高效，具有較好的操作性，結果具有較好的可重復性；

（2）試驗證明，試樣縮減面的最小寬度應≥14mm，寬度較小會導致邊界效應明顯，數據離散增大；

（3）環形試樣的拉伸強度與過渡段U型缺口半徑密切相關。U型缺口半徑≥9mm時，過渡段圓弧半徑較大，應力集中度降低，拉伸強度也相對較高；

（4）環形試樣的拉伸強度與加載速率密切相關。加載速率在2.5 mm/min～12.5 mm/min之間時，可發揮出材料的實際性能，拉伸強度較大，超出速率區間，則強度略有降低；

（5）通過自動校直劈裂圓盤測試裝置對被測試樣加載。測試獲得的是表觀拉伸強度，與實際的拉伸強度仍存在較小的誤差，因為在測試中，圓盤測試裝置的裂口與裂口之間產生了彎矩[5]。在兩圓盤分離時，環形試樣在圓盤兩部分間的外形變化引起了這一力矩。所以，試驗中設置測試裝置外徑與環形試樣內徑相近，可使彎矩對試驗的影響減至最小。

（6）U型缺口試樣也有一定的應力集中度，但對于復合材料筒體構件環向拉伸強度來說，此方法較其它試樣方法更為適用，數據更符合實際工況，試樣制備更為簡便。對于壁厚較大或內徑較大的構件，此方法可能仍存在一定的局限性，不適用于實驗室操作。

（7）劈裂圓盤拉伸試驗在接近試驗狀態下使用時，為復合材料筒體環形拉伸強度提供了合理、準確的信息。為研究與發展、工程設計、質量控制、根據規范驗收或拒收以及特殊用途提供數據支撐。

參考文獻

[1]? 蔣貴剛，孫天峰，陳靜，房怡，周占偉.先進復合材料網格結構制備工藝及關鍵技術研究進展[J].纖維復合材料，2020，37（04）：101-105+109.

[2]? 李春曉．碳纖維及其復合材料在汽車領域的應用[J]．新材料產業，2019（1）：5-7.

[3]? 王夏涵. 碳纖維/石英纖維混雜樹脂基復合材料力學性能研究[J]. 塑料工業，2021（7）： 87-90.

[4]? CALABRESE L，FIORE V，SCALICI T，et al．Experi- mental assessment of the improved properties during aging of flax /glass hybrid composite laminates for marine applications ［J］．Journal of Applied Polymer Science，2018，136 （1）： 47203．

[5]? ASTM D2290-16 Standard Test Method for Apparent Hoop Tensile Strength of Plastic or Reinforced Plastic Pipe