关键词：碳纤维复合材料拉伸性能 应变测量

一 引言

碳纤维及其复合材料具有高比强度、高比模量，此外在抗冲击、抗疲劳性能、减摩耐磨性能、自润滑性能、耐腐蚀以及耐热性等方面都有显著优点，它们即作为结构材料承载负荷，又可作为功能材料发挥作用。目前已应用在航天产品的外层材料、人造卫星、火箭的机架、壳体和天线构架。随着科学技术的发展，人们又相继开发出高强度、高模量MJ系列碳纤维，这类纤维与高韧性热固性树脂复合时可大大改善其破坏韧性，更适合于飞机、航天飞行器等的结构材料，本文对高强度、高模量碳纤维单向板，铺层方向纵向（00），铺层层数不同（6~20层）的试样进行拉伸强度、拉伸模量、泊松比性能测试，初步探讨不同铺层层数、应变测量方法、试验拉伸速度、试样装卡方面对高强度、高模量碳纤维复合材料单向板力学性能测试的影响。

二 测试方法

1 试样制备

　将厚度为0.1mm的高强度、高模量碳纤维预浸料贴合成不同厚度的叠层板，按相关固化工艺制备成纵向（00）方向层合板，经机加切割成长度为230mm，宽度15mm试样，并分别在试样两面三刀端粘贴1.5mm厚的铝合金加强片，制作成测试试样。试样见右图。

2 试验设备

通过电子万能试验机完成力学性能测试，用100KN载荷传达室感器进行力值测量。用静态应变测量仪器进行应变测量。最后运用电子万能试验机软件进行数据处理。

3 测试方法

3.1测定高强度高模量碳纤维单向板弹性性能

由于碳纤维复合材料自身的特点，高强度、高模量碳纤维单向板弹性性能的测试采用电阻应变片方法。应变片选用箔式电阻应变片，规格：5×3；电阻：120Ω；灵敏系数：2.18。应变片与试样的粘贴用502快速胶粘剂。在试样工作段分别粘贴纵、横向应变片，试样正反两面都要粘贴应变片，并与静态应变测量仪器相连接进行应变测量。测定高强度、高模量碳纤维单向板拉伸模量、泊松比时，拉伸速度为1mm/min，采用分级加载，级差为破坏载荷的5~10%，至少要加六级，并记录各级载荷与相应的应变值，将测式数据通过公式计算拉伸模量、泊松比。

3.2测定高强度、高模量碳纤维单向板拉伸性能

由于碳纤维复合材料是具有高各向异型的脆性材料，试验装卡要非常认真，要保证良好的中性。试验采用手动楔型拉伸夹具装卡试样，先将试样的下端夹紧，之后夹紧试样上端，手动夹紧试样时用力要缓慢均匀，避免不正确的试样装卡影响测试结果。测定高强度、高模量碳纤维单向板拉伸强度时，拉伸速度为5mm/min，连续加载直至试样破坏，记录试样破坏时的最大载荷值，通过公式计算拉伸强度。

3.3计算拉伸强度

拉伸强度σt=P/bh

式中：σt －－－－－－- 拉伸强度

Pb －－－－－－- 试样破坏时的最大载荷值（N）

b －－－－－－- 试样宽度（mm）

h －－－－－－- 试样厚度（mm）

拉伸模量 Et=△PL/bh△L

式中：Et －－－－－－ 拉伸弹性模量（Mpa）

△P －－－－－－ 载荷-变形曲线上初始直线段的载荷增量（N）

△L －－－－－－ 与△P对应的标距L内的变形增量（mm）

L －－－－－－ 测量标距（mm）

泊松比 μLT = —εT/εL

式中：μLT －－－－－－- 泊松比

εL －－－－－－- 与△P相对应的纵向（L向）应变

εT －－－－－－- 与△P相对应的横向（T向）应变

三 测试结果与分析

1 测试结果

试样规格：250mm×15mm×0.6~2.0mm 铺层方向：纵向（00）加强片规格：60mm×15mm×1.5mm 倒角（70）测试数据如下：层数n= 6 7 8 9 10 11 12 20 σt （Mpa） 1463 1737 1634 1609 1772 1606 1614 1310 Et（Gpa） 367 371 364 352 371 336 343 337 μLT 0.28 0.26 0.30 0.31 0.29 0.34 0.26 0.30

2 分析

2.1 从测试结果来看，试样层数6层、20层，拉伸强度数据偏低，因为碳纤维复合材料在静载下受力均匀应力时，对尺寸效应较敏感。对于较厚试样，其拉伸强度的减小，由于试样横截面积增大会使出现缺陷的可能性增加，较薄试样的强度降低则是由于表面损伤和转化成连续介质的条件遭到破坏所致（层片数量不够）。只有当单层片超过6片以上铺叠成试样时，力学性能才趋于稳定。由于碳纤维复合材料是脆性材料，对应力集中较敏感，进行拉伸试验时，厚度较厚时，样端部要受较大的夹持力，试样因应力集中而断于夹持部分或标距外的过渡区。层数20层试样破坏形式多为根部断裂和加强片脱落，不能真实反映材料的性能，这就要对加强片的材料以及粘贴强片所用胶粘剂重新进行研究。

2.2 由于碳纤维复合材料自身的特点，决定了试样变形一般比较小，必须用精度高、放大倍数大的仪器来测量。常用的应变测量方法很多其中电阻应变片与机械引伸计是比较常用的测量方法，它们各有特点。电阻应变片测量，就是将电阻应变片粘贴在试样上构成桥路，把试样上被测点的应变转化为应变片的电阻变化，并通过静态应变仪测出这一电阻变化量，从而得到应变。此方法适用于不同材料不同厚度的试样，而且测量精度高，是最常用的一种方法，但是应变片粘贴质量和胶层厚度对测试结果影响较大，另外，应变片本身也是一种消耗品。引伸计测量原理，即把应变片贴于弹簧片上，当弹簧片变形时，应变片的电信号发生变化，电信号的变化与试样的变形量成正比，从而测量试样应变。其特点是操作方便，可以重复使用，并能对应连续进行记录。必须注意测试前需进行引伸计标定。不足之处，对碳纤维单向板这样的脆性材料进行测变形时有时引伸计易从试样上滑脱，对于厚度小于1mm的碳纤维单向板，由于引伸计自身重量的原因，使应变测量的误差加大。

2.3 由于碳纤维复合材料的高各向异型特点，试验装卡要非常认真，要保证良好的对中性，当试验机的加载轴与试样的几何中心不一致时，在受力过程中，由于缺乏自身变机制，附加弯曲应力很大，使整个标距段的应变分布不均匀，致使试样提早破坏，另外，试样在试验机夹头中试样装得有些歪斜，常会引起滑动，影响测量结果。

2.4 在同一根试样上测试拉伸强度、拉伸模量、泊松比，加载方式及加载速度要有所区别。测试碳纤维单向板拉伸模量、泊拉比性能时，要保证试样标距段内有均匀的应力状态，加载方式选择为连续加载，拉伸速度控制为5mm/min，直至试样破坏。四 结束语 本文通过对高强度、高模量碳纤维单向板不同铺层层数的试样进行拉伸强度、拉伸模量、泊松比性能测试，为今后新型高强度、高模量碳纤维复合材料的力学性能测试提供了有价值的参考。