复合材料圆筒切取环形试样拉伸性能检测方法研究

王宝瑞 韩蓉 李刚 张明睿 李金儒

摘 要 本文对纤维增强复合材料圆筒切取环形试样拉伸性能的检测方法进行了研究，本方法试样制备和试验操作方便、快捷，可有效检测筒体环向的拉伸强度。本文明确了使用此方法具体的试样形式、外观尺寸以及试验夹具的形式。试验制备了多种规格的环形试样，且对试样尺寸、U型缺口半径和加载速率等进行了相应的验证试验。结果表明，环形试样采用180°对称U型缺口形式，缩减面最小宽度应≥14mm，U型缺口半径应≥9mm，试验夹具采用劈裂圆盘形式，加载速度在2.5 mm/min～12.5 mm/min之间时，试验数据稳定，具有较好的可重复性，且试样破坏形式正常。

关键词 复合材料；环形试样；拉伸性能；圆筒

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

復合材料科学是当今科学技术发展的四大重要支柱（材料、能源、信息、生物）之一。先进材料对高精尖技术的发展有重要作用，其轻质、高比模、高比强、抗高低温、耐腐蚀的优良特性在军工、民用上均受到了青睐[1]。复合材料不仅在航空工业的发展中发挥着重要作用，还在汽车、生物医疗、军工制造、海洋工程技术、电子硬件等方面具有广泛的应用并取得了改善人类生活的巨大成果[2]。在新材料的研发过程及工程应用中，经常要对不同的组分材料试样、复合材料试样和构件试样进行各种形式的材料性能实验，以获取所需的材料和结构性能参数。近年来，国内外研究人员除了在材料制备和试验方面做了大量工作外[3，4]，还从不同的侧面提供了大量有用的实验数据，为指导材料的设计和改进制备工艺提供了有力依据。目前衡量复合材料界面匹配性的宏观测试方法有很多，其中，环形试样具有试样制备方便、节省材料、测试操作简单、降低测试成本等优点，广泛应用于原材料的择优选择与成型工艺设计，纤维增强塑料制品的性能评价为工艺方法和工艺参数的确定提供依据，为选材、产品质量评定提供技术支持，特别是缠绕成型的工艺评价与产品质量控制方面，为复合材料正式生产前提供简单有效的测试方法。环形试样是一种缠绕成型的复合材料环形试验件，其性能优劣是衡量树脂基体与纤维的表面浸润性、界面粘结性及传递应力能力的重要指标，它的宏观力学测试可以用来同时表征复合材料的拉伸强度和界面结合强度。所以，环形试样是纤维增强树脂基复合材料力学性能研究的重要手段。

以往的标准环形试样是单向的、具有固定外观尺寸的复合材料环，本文研究的检测方法是可以由复合材料圆筒构件直接切取，并施以机械加工获得。此方法可更为直观的获得筒状构件环向拉伸性能，方法简单、便捷。复合材料构件中，筒状构件应用较多，诸如深水耐压筒、通信塔杆、直升机传动系统尾轴管、火星车探测雷达定向天线压紧座、水处理管道等，以及薄壁、高刚度、定膨胀系数、高剪切、耐空间环境、柱形压力容器等构件，所以，本文研究的测试方法可广泛应用于纤维缠绕增强塑料筒状构件环向拉伸性能的检测。

2 试验方法

拉伸性能是复合材料力学性能中最为基础，且最为重要的参数之一。许多结构铺层的设计、优化都是以拉伸数据作为依据。本文将分别从试样形式及外观尺寸、夹具形式、试验参数等方面进行试验研究。

2.1 试验材料

试验中，试样制备选用碳纤维和玻璃纤维两种增强材料，树脂体系为环氧树脂的复合材料圆筒，可以使用任何适宜的机械加工方法，从增强热固性树脂筒体上切割下完全直径、完全壁厚的环形试样，并加以后续的机械加工。加工其缩减面可以是一个或是两个，如果有两个缩减面，应在相距180°的位置，横断面应在相对于试样宽度的中心位置。试验选用的筒体内径分别为80mm、90mm、100mm、111mm、135mm和145mm，筒体壁厚分别为0.7mm、1.0mm、1.2mm、1.9mm、2.1mm和2.4mm，其中，碳纤维复合材料圆筒和玻璃纤维复合材料筒体各3种规格，每种规格试样的铺层均不相同。本文选用两个缩减面形式，试样形式示意如图1所示，试样实物如图2所示。

2.2 試验设备

试验仪器选用INSTRON5900系列复合材料万能静力试验机，载荷传感器量程内精度保证0.5%，数据采集频率最大2.5KHz，速度控制范围0.00005mm/min～1000mm/min。试验夹具采用劈裂圆盘形式，其拉力圆盘宽度应大于试样宽度，直径应尽可能与试样内径相近，即与复合材料圆筒内径相近。试验加工了两种开口宽度的U型夹具，以及多种直径的拉力圆盘。试验夹具示意如图3所示，试验夹具实物如图4所示。

2.3 性能检测及结果

试验中，首先测量试样缩减面的最小宽度和厚度，精度精确到0.01mm；将试样安装至试验夹具内，试样缩减面中心处对准拉力盘的缝隙处，如图5所示，试样与拉力圆盘的接触表面要加以润滑；启动试验机均匀、连续地对试样施加载荷，直到破坏，记录破坏载荷及破坏形式，最后，按照公式（1）进行计算。

复合材料试样存在非均匀性和泊松效应，试样的外观尺寸对强度有一定的影响。首先，对试样缩减面的最小宽度进行试验确定。试验选用内径111mm，壁厚2.4mm的碳纤维复合材料圆筒，切取并制备了U型缺口半径为9mm，缩减面最小宽度分别为5mm、10mm、14mm和20mm四种规格的试件，我们对不同宽度的环形试样进行了对比试验，每组5件试样，试验结果如表1所示。数据分析可以看出，试样缩减面最小宽度过小，未能覆盖一个完整的缠绕单元，且边界效应明显，性能不稳定，离散系数较大，性能值也较低。而试样缩减面最小宽度大于14mm时，拉伸强度较为稳定，破坏形式正常。因此，确定拉伸试样的宽度为大于14mm较为适宜。

其次，对试样U型缺口的半径进行试验确定。由于试验的拉力盘夹具采用的是两个劈裂圆盘形式，在对环形试样施加拉伸加载时，会产生一定的应力集中，U型缺口试样的弧面变化，可使应力梯度变化，约束了试样的失效行为，使试样在缩颈位置破坏，有效减小应力集中度。试验选用内径111mm，壁厚2.4mm的碳纤维复合材料筒，切取并制备了缩减面最小宽度为14mm，U型缺口半径分别为2mm、5mm、9mm和15mm四种规格的试件，我们对不同宽度的环形试样进行了对比试验，每组5件试样，试验结果如表2所示。数据分析可以看出，试样U型缺口半径过小，应力集中度较大，性能值较低。而试样U型缺口半径大于9mm时，拉伸强度较为稳定，破坏形式正常。因此，确定拉伸试样的U型缺口半径大于9mm较为适宜。

复合材料试样在不同速率载荷作用下，会呈现出不同的力学承载能力，不同的加载速率，会导致不同失效模式和破坏形式，确定试验的有效加载速率范围，对评估出材料的实际力学性能尤为重要。试验选用内径111mm，壁厚2.4mm，U型缺口半径为14mm的碳纤维复合材料筒制备环形试样，对同批次试件进行分别为1mm/min、2.5mm/min、8mm/min、12.5mm/min和15mm/min五种加载速率作用下的拉伸力学性能试验。结果表明，随加载速率的增加，试件抗拉强度增大；加载速率高低影响复合材料内部损伤的扩展行为，在较低的加载速度下，引起蠕变效应，内部损伤较长的时间进行充分扩展，从而使复合材料结构的完整性降低，表现为破坏时的部分结构承载；在适当的加载速率下，内部损伤扩展均匀，保持了复合材料结构的相对承载能力，表现出了较高的承载能力；而过高的加载速率，引起脆化效应，导致承载能力一定程度下降。不同加载速度对拉伸强度的影响数据如表3所示。从数据可以看出，数据呈现正抛物分布，拉伸加载速度2.5 mm/min～12.5 mm/min之间，材料性能较为稳定，区间外呈衰减趋势。

根据上述验证试验确定的试样尺寸及试验参照数，选用不同的材料，不同规格的试样，对方法的可操作性和重复性进行试验，结果表明，试验数据稳定，重复性较好，破坏形式正常。试验数据如表4所示，破坏形式如图6所示。

3 结语

（1）复合材料圆筒切取环形试样拉伸方法，可以检测出筒体实际的环向拉伸强度，方法简便、高效，具有较好的操作性，结果具有较好的可重复性；

（2）试验证明，试样缩减面的最小宽度应≥14mm，宽度较小会导致边界效应明显，数据离散增大；

（3）环形试样的拉伸强度与过渡段U型缺口半径密切相关。U型缺口半径≥9mm时，过渡段圆弧半径较大，应力集中度降低，拉伸强度也相对较高；

（4）环形试样的拉伸强度与加载速率密切相关。加载速率在2.5 mm/min～12.5 mm/min之间时，可发挥出材料的实际性能，拉伸强度较大，超出速率区间，则强度略有降低；

（5）通过自动校直劈裂圆盘测试装置对被测试样加载。测试获得的是表观拉伸强度，与实际的拉伸强度仍存在较小的误差，因为在测试中，圆盘测试装置的裂口与裂口之间产生了弯矩[5]。在两圆盘分离时，环形试样在圆盘两部分间的外形变化引起了这一力矩。所以，试验中设置测试装置外径与环形试样内径相近，可使弯矩对试验的影响减至最小。

（6）U型缺口试样也有一定的应力集中度，但对于复合材料筒体构件环向拉伸强度来说，此方法较其它试样方法更为适用，数据更符合实际工况，试样制备更为简便。对于壁厚较大或内径较大的构件，此方法可能仍存在一定的局限性，不适用于实验室操作。

（7）劈裂圆盘拉伸试验在接近试验状态下使用时，为复合材料筒体环形拉伸强度提供了合理、准确的信息。为研究与发展、工程设计、质量控制、根据规范验收或拒收以及特殊用途提供数据支撑。

参考文献

[1]  蒋贵刚，孙天峰，陈静，房怡，周占伟.先进复合材料网格结构制备工艺及关键技术研究进展[J].纤维复合材料，2020，37（04）：101-105+109.

[2]  李春晓．碳纤维及其复合材料在汽车领域的应用[J]．新材料产业，2019（1）：5-7.

[3]  王夏涵. 碳纤维/石英纤维混杂树脂基复合材料力学性能研究[J]. 塑料工业，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