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拉伸速度在碳纖維拉伸過程中的影響研究

文章出處:網(wǎng)絡(luò)責(zé)任編輯:管理員人氣:發(fā)表時間:2015-06-21【

摘要:

碳纖維的高強(qiáng)和脆性使其拉伸試驗過程有別于柔性紡織纖維。為了得到更精確的結(jié)果,本文研究了T300-12K碳纖維單絲拉伸過程中,拉伸速度對測試系統(tǒng)誤差的影響。通過研究系統(tǒng)誤差的角度,分析拉伸速度影響的大小和趨勢。


1 引言

碳纖維的高比強(qiáng)、高比模[1]、耐高溫等優(yōu)良性能使其得到廣泛的應(yīng)用[2]。作為理想的高性能材料,被廣泛應(yīng)用于航空、航天等高科技領(lǐng)域以及化工、電子、冶金、汽車、醫(yī)療和體育等一般工業(yè)領(lǐng)域[3],具有廣泛的發(fā)展前景[4]。作為結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用時,碳纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能很大程度上依賴于碳纖維的力學(xué)性能[5],因而對碳纖維的伸長率、模量的準(zhǔn)確測試是對其評價的一個重要內(nèi)容[6],它涉及碳纖維復(fù)合材料的設(shè)計與使用[7-9]。

在碳纖維的幾個力學(xué)參數(shù)中,纖維的伸長率和模量是很難準(zhǔn)確測試的。原因是碳纖維極細(xì)(5μm~8μm) ,為脆性、高強(qiáng)低伸纖維。它的伸長率在0.5%~2.0%之間。這就使得拉伸過程的各種因素對結(jié)果極易產(chǎn)生顯著影響。

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這些因素有很多,例如拉伸的速度、隔距、測試系統(tǒng)本身的傳感和誤差、固定纖維用的膠水的黏性和固化后的剛度,以及固定紙卡的種類及剛度、環(huán)境的溫濕度、人為操作的誤差等等。

查閱國內(nèi)外大量的關(guān)于碳纖維力學(xué)性能測試的文章,發(fā)現(xiàn)測試過程中的拉伸速度對碳纖維模量測試方面僅有少量研究,未能找到拉伸速度對結(jié)果的影響具體有多大,從而對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。



本文主要研究的是不同的拉伸速度對系統(tǒng)誤差具體產(chǎn)生多少影響,從而對伸長率、模量等測試結(jié)果進(jìn)行修正,并提出更為適合碳纖維的拉伸速度。
為了研究方便,假設(shè)碳纖維的拉伸變形和系統(tǒng)受力產(chǎn)生的伸長都是彈性形變。利用線性回歸的數(shù)學(xué)方法,找到當(dāng)隔距為零時,不同拉伸速度下,所產(chǎn)生的伸長量。這個伸長量,就是系統(tǒng)誤差所產(chǎn)生的,進(jìn)而可以計算出測試過程的系統(tǒng)誤差的影響大小,單位是mm/cN,又可稱為系統(tǒng)軟度。根據(jù)這個數(shù)值就可以修正測試數(shù)據(jù)了。

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2 碳纖維單絲強(qiáng)伸試驗

2.1 試驗樣品

試驗采用市售商品日本東麗公司聚丙烯腈( PAN) 基碳纖維,牌號 T300B-12K,簡稱 T300,它是國際公認(rèn)的通用級標(biāo)準(zhǔn)碳纖維,性能參數(shù)見表1。

2.2 儀器與設(shè)備

試驗采用上海新纖儀器有限公司的XQ-1A型單纖維拉伸試驗機(jī)。

2.3 制樣


碳纖維單絲的強(qiáng)伸試驗不同于其他柔性纖維的單纖維試驗。碳纖維不能直接夾持在預(yù)定隔距的兩夾頭間。其原因很簡單,一是纖維的脆性使整個夾持成功率極低,纖維往往在夾持過程中因彎折而斷裂。二是即使夾持成功,夾持端會對纖維產(chǎn)生損傷,使纖維的斷裂發(fā)生在鉗口處,所測數(shù)據(jù)不能反映纖維的真實特性。因此,碳纖維單絲的強(qiáng)伸試驗首先要求將單根碳纖維粘貼于特制的試樣卡上,
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如圖1所示 。之后再用顯微鏡逐根觀察確定所固定的纖維是否是碳纖維。


2.4 試驗方案

設(shè)定4個不同的拉伸速度,2mm/min、4mm/min、10mm/min、20mm/min。在每種拉伸速度下用3個不同的隔距10mm、20mm、60mm進(jìn)行拉伸試驗。每個拉伸速度每個隔距測量的樣品數(shù)量至少為30根纖維。



3 結(jié)果與分析

根據(jù)對482根成功拉伸的碳纖維分析其拉伸曲線,計算得出表2數(shù)據(jù)。

從表2可以看出,同一拉伸隔距下拉伸速度越快,測試得出的模量越大。這與我們從理論上的判斷和其他學(xué)者的研究是一致的,且拉伸速度越快,不同隔距下測得的模量差異也更明顯。

為了計算出不同拉伸速度產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差,在每一根纖維拉伸的數(shù)據(jù)中,分別找出當(dāng)拉伸負(fù)荷為2cN、6cN和10cN時測試得出的伸長量,然后對照相應(yīng)的拉伸速度和隔距,找到當(dāng)拉伸隔距為零時系統(tǒng)產(chǎn)生的伸長量。

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從圖2可以看出,在拉伸速度為2mm/min下,拉伸負(fù)荷分別達(dá)到2cN、6cN、10cN時,拉伸隔距和測試結(jié)果的伸長量為線性關(guān)系。




從圖3可以看出,拉伸速度在2mm/min下,找到當(dāng)拉伸隔距為零時的系統(tǒng)所產(chǎn)生的伸長量??梢钥闯霎?dāng)拉伸隔距為零時,系統(tǒng)隨著受力的增大,伸長量也是在逐漸增大的,而且也呈線性關(guān)系。
從圖2和圖3可以發(fā)現(xiàn),碳纖維的強(qiáng)伸過程和系統(tǒng)受力伸長的過程都沒有發(fā)生緩彈性的形變,屬于彈性形變,證明了前言部分纖維變性和測試系統(tǒng)變形是彈性變形的假設(shè)是成立的。

其中當(dāng)拉伸負(fù)荷為2cN、6cN、10cN時,伸長量為負(fù)值。從表面上看,似乎有悖于常理,但從拉伸儀器的傳動和靈敏裝置的設(shè)計角度,也不是不能解釋,但仍有待進(jìn)一步的研究。由于這不是本文的重點(diǎn),就不在此多言。 123456

從圖4我們同樣得到了和圖2一致的結(jié)論,拉伸的隔距和測試讀出的伸長量為線性關(guān)系。圖5的結(jié)果有點(diǎn)出乎意料,似乎與預(yù)期的差異較遠(yuǎn),無法完成線性回歸。至于原因還有待進(jìn)一步研究和分析。




圖6和圖7的結(jié)論與圖2和圖3一致,這里就不贅述了。

圖7 的擬合曲線幾乎經(jīng)過0—0點(diǎn),這一點(diǎn)與理論上的狀態(tài)更加接近。



圖8和圖9的結(jié)論與之前的圖2和圖3基本一致。圖9的線性回歸方程的R 2值為0.86,接近0.9,屬于近似線性回歸。但由于之前圖3、圖7的結(jié)論和考慮到纖維本身的弱節(jié)分布不勻等因素,還是基本可以判斷應(yīng)該是線性關(guān)系的。

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根據(jù)圖3、圖7和圖9,得出,當(dāng)拉伸速度為2mm/min、10mm/min、20mm/min下,系統(tǒng)受力而產(chǎn)生的伸長。如圖10所示。

同時我們可以看到,系統(tǒng)誤差產(chǎn)生的伸長量與拉伸速度也是呈線性關(guān)系,而且是正比例關(guān)系。

從圖10我們還看到一個有待研究的問題,當(dāng)拉伸速度小于10mm/min時,系統(tǒng)伸長為負(fù)值,這樣的倒伸長量是如何產(chǎn)生的,仍有待進(jìn)一步的研究。

最后可以根據(jù)線性回歸后的分析結(jié)果,對測試讀出的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。將系統(tǒng)受力產(chǎn)生的伸長量剔除,得到碳纖維真正的伸長率和模量等力學(xué)指標(biāo),見表3。

4 結(jié)論

試驗結(jié)果證明了碳纖維的伸長和測試系統(tǒng)受力產(chǎn)生的伸長都為彈性伸長,沒有發(fā)生緩彈性變形。隨著拉伸速度的增加,系統(tǒng)誤差也增加,而且呈線性關(guān)系。測試碳纖維時,可盡量使用10mm/min附近的速度拉伸,太慢或者太快,都容易增大系統(tǒng)誤差。對測試結(jié)果造成影響。 123,123



參考文獻(xiàn):

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[2] D . J . Thorne . Distribution of internal flaws in acrylic fibers [J] . Journal of applied polymer science, 1970, (14):103-113.

[3] 姚江薇,于偉東.碳纖維單絲強(qiáng)伸試驗的影響因素

[J].材料科學(xué)與工程學(xué)報,2005.98(6):810-813.

[4] T . Tetsuy, M . Takashi . Size effect on tensile strength of carbon fibers [J] . Materials science and engineering, 1997, A238:336-342.

[5] K . L . Pickering, T . L . Murray. Weak link scaling anlysis of high-strength carbon fiber [J] . Composite: Part A, 1999,30:1017-1021.

[6] 張為芹,田艷紅.高強(qiáng)碳纖維束絲拉伸性能測試影響因素的研究

[J].理化檢驗-物理分冊,2006.42(11):541-553.

[7] 潘慧銘,黃素娟.表面、界面的作用于粘接機(jī)理[J] . 粘接,2003,24(3):41-46. 123,123

[8] 于偉東 . 纖維弱節(jié)的力學(xué)特征與判定[J] . 東華大學(xué)學(xué)報, 2003, 29(2):32-36.

[9] 董立民, 夏源明, 楊報昌. 纖維束的沖擊拉伸試驗研究

[J]. 復(fù)合材料學(xué)報, 1990, 7(4):9-15.



中國纖檢雜志 
 

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