复合材料环形试样力学性能检测研究

王宝瑞 韩蓉 魏程 张明睿 李金儒

摘 要 本文对纤维增强复合材料环形试样的制备方法、剪切和拉伸性能的检测方法进行了研究。本文阐述了环缠绕法和圆筒切环法两种试样制备方法；明确了玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维和玄武岩纤维的干燥处理条件、缠绕张力、缠绕速度、固化前存放时间等技术参数；验证了剪切试验中，试样外观尺寸、加载头直径、加载速率等对剪切性能的影响；验证了拉伸试验中，试样外观尺寸、加载速率等对拉伸性能的影响。结果表明，剪切试验中，试样厚度为3mm，宽度为6mm，玻璃纤维试样长度为21mm～30mm，碳纤维、芳纶纤维试样长度为18mm～21mm，夹具加载头直径为6mm，加载速率为1mm/min～2mm/min；拉伸试验中，试样厚度为1.5mm，玻璃纤维增强塑料加载速率为3mm/min～5 mm/min，碳纤维和芳纶纤维增强塑料加载速率为2mm/min～3mm/min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；试样制备；剪切性能；拉伸性能

Study on Mechanical Properties of Composite

Ring Specimens

WANG Baorui1， HAN Rong2，WEI Cheng1，ZHANG Mingrui1，LI Jinru1

（1.Harbin FRP Institute Co.， Ltd.， Harbin 150028；

2.Harbin Institute of Petroleum， Harbin 150028）

ABSTRACT In this paper， the preparation method and the testing method of shear and tensile properties of fiber reinforced composite ring specimens were studied. Two specimens preparation methods were described， one was ring winding， the other was cylinder ring cutting. The drying conditions， winding tension， winding speed， storage time before curing and other technical parameters of glass fiber， carbon fiber， aramid fiber and basalt fiber were specified. The influence of specimen size， loading head diameter and loading rate on shear properties was verified. The effects of specimen size and loading rate on tensile properties were verified. The results show that： when the following parameters were reached， the test data was stable， had good repeatability， and the failure forms of the specimens were normal. In the shear test， the thickness of the specimen is 3mm， the width is 6mm， the length of the glass fiber specimen is 21mm～30mm， the length of the carbon fiber and aramid fiber specimen is 18mm～21mm， the diameter of the clamp loading head is 6mm， and the loading rate is 1mm/min～2mm/min. In the tensile test， the thickness of the specimen is 1.5 mm， the loading rate of glass fiber reinforced plastic is 3 mm/min～5 mm/min， and the loading rate of carbon fiber and aramid fiber reinforced plastic is 2 mm/min～3 mm/min.

KEYWORDS composite; circular specimens; specimen preparation; shear property; tensile property

1 引言

目前，衡量復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，可在性能优异的复合材料正式生产前提供简单有效的测试方法［1-2］。

典型的环形试样是一种环向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表面浸润性、界面粘结性及传递应力能力的重要指标，其宏观力学测试可以用来同时表征单向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。本文以科学技术和实践经验的综合结果为基础，从试样制备、剪切性能、拉伸性能等方面，对其重要参数进行多方面试验研究。

2 试样制备

纤维缠绕增强塑料环形试件可因制作方法、工艺条件不同而对其力学性能产生不同影响。

2.1 制作方法对环形试样性能的影响

环形试样的制作方法有两种：一是单环缠绕法；二是圆筒切环法。单环缠绕表面加工的试样比表面不加工的试样强度高，离散系数小。这是因为表面不加工的环，其表面不平，表面树脂层厚度不同，尺寸偏差大。表1是环形试样外表面加工与不加工的性能比较。

圆筒切环法比单环缠绕法复合强度低，这是因为从圆筒上切取环时，有的纤维被切断，而单个绕制的环是由一束连续纤维组成［3］，由于试样的含胶量存在差异，导致其折算强度基本相同。两种制备方法试验结果比较如表2所示。因此，以单环缠绕并经表面加工的制样方法较为适宜，但圆筒切环法也有绕制方便、效率高、数据稳定等优点。

2.2 缠绕张力对环形试样性能的影响

环形试样在制备过程中，纤维张力是一个比较重要的因素。张力大小直接影响环形试样的含胶量及其力学性能。玻璃纤维、碳纤维和芳纶纤维等，由于本身的力学性能不同，在制作试样的工艺过程中所施加的张力是不同的。我们分别以玻璃纤维、芳纶纤维、碳纤维和玄武岩纤维做增强材料，采用不同的张力制作环形试样，经试验，获得了不同纤维在缠绕环形试样时，所对应的最佳张力。

2.2.1 玻璃纤维的缠绕张力

用玻璃纤维作为增强材料，采用6种不同张力缠绕环形试样，进行拉伸和剪切强度试验，其结果如表3所示。缠绕张力太小时，纤维易屈曲，不能共同承载，纤维各层间压力也小，使环的强度偏低。而张力太大时，在环的缠绕过程中，纤维磨损严重，断纱的几率增加；同时张力过大，使环的含胶量降低。建议缠绕张力取纤维断裂强力的5%～8%。

2.2.2 芳纶纤维的缠绕张力

芳纶纤维的缠绕张力按照玻璃纤维缠绕的最佳张力范围进行试验，试验数据如表4所示。从数据中可以看出，拉伸强度和剪切强度均在缠绕张力为纤维拉断力的3.6%时最高，离散系数也相对较小。因此，芳纶纤维的缠绕张力应控制在其纤维断裂强力的3%～4%。

2.2.3 碳纤维的缠绕张力

碳纤维易产生断丝、起毛现象。缠绕过程施加张力大时，易出现断纱现象；施加张力如果小于纤维断裂强力的1.2%时，也无法缠绕。所以，缠绕碳纤维环形试样时，施加的张力值只要不使纤维损坏即可。

2.2.4 玄武岩纤维的缠绕张力

玄武岩纤维的性能与高强玻璃纤维相似，按照玻璃纤维缠绕的最佳张力范围进行试验，试验数据如表5所示，建议缠绕张力取纤维断裂强力的5%～8%。

2.3 纤维处理条件对环形试样性能的影响

玻璃纤维和玄武岩纤维对水有一定的吸附能力，但吸湿性较低；芳纶纤维和碳纤维均有很强的吸湿能力，这会影响纤维的浸胶性能，从而影响复合材料的力学性能。因此玻璃纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维和碳纤维在缠绕环形试样前都要对纤维进行干燥处理。

2.3.1 玻璃纤维的处理

在制造试件前对纤维要进行干燥处理，既要很快地除掉纤维表面的吸附水分，又要使纤维表面的处理剂不能因为加热而失效。将玻璃纤维放入烘箱，升温至80℃，用不同時间干燥，所得结果如表6所示。从表6中可知，只要恒温3h左右，纤维表面水分就可基本除去。由于纱团有大有小，因此将纤维烘干时间增加到8h。玻璃纤维在80℃恒温12h的数据如表7所示，表明恒温8h对纤维表面处理剂基本无影响。为提高效率，也可以在不影响表面处理剂条件下，采用105℃干燥2h的处理方法，数据如表8所示，表明105℃干燥2h对纤维表面处理剂无影响。纤维存放条件为室温23℃，相对湿度为65%。

2.3.2 玄武岩纤维的处理

由于玄武岩有较低的吸湿性，其吸湿性低于0.1%，吸湿性低于芳纶纤维、岩棉和石棉，和玻璃纤维吸湿性相近，所以借鉴上述玻璃纤维处理方案，在制造试件前对玄武岩纤维进行干燥处理，即在80℃±2℃的烘箱中干燥8h。在不影响表面处理剂条件下，可采用105℃±2℃干燥2h。

另外，玻璃纤维、玄武岩纤维即使经过干燥处理后，但在环境湿度较大的情况下，还是会继续吸附水分。因此，在制备环形试样时，纤维放置环境的相对湿度不应大于55％。

2.3.3 芳纶纤维的处理

芳纶纤维处理方法为：先将整个纱团称重，然后放入烘箱加热至120℃除水，相隔一定时间快速取出再称重，直至恒重。纤维的除水时间与纤维多少有关。芳纶纤维纱团的除水曲线如图1所示。从图1中知，恒温1h，大部分水分被除去，恒温2h后，可基本除去所吸附的水分。纤维较少时，可用105℃干燥2h。

2.3.4 碳纤维的处理

由于碳纤维表面吸附的水分不易去掉，需要在高温下烘去。可用芳纶纤维去掉水分的方法，选取120℃恒温2h，经试验，碳纤维基本上除去了水分。

另外，芳纶纤维、碳纤维即使经过干燥处理后，在通常情况下，又会很快吸附水分。因此，应将经干燥处理的纤维置于恒温70℃～80℃的烘箱内，从烘箱内取出的纤维应立即浸胶。

2.4 缠绕速度对环形试样性能的影响

缠绕速度影响树脂基体对纤维的浸润程度及试样制作的效率。缠绕速度对环形试样性能的影响如表9所示。试验表明，高速缠绕时，虽然效率高，但设备工作状态不稳定，纤维浸渍状况不好，剪切强度明显降低；低速缠绕则制环效率太低。适宜的缠绕速度为60r/min左右。在这种缠绕速度下，设备工作稳定，张力易于控制和调整，效率较高。

2.5 固化前试样的存放时间

环形试样缠绕后，应立即固化。固化前的存放时间对拉伸强度、含胶量及层间剪切强度都有影响，具体数据如表10所示。随着存放时间的增加，层间剪切强度明显下降。

3 试验数据

3.1 纤维缠绕增强塑料环形试样剪切试验

纤维缠绕增强塑料环形试样剪切试验是将环形试样切割成一定长度的弧形试样，放在试验机上采用三点弯曲的方式，使试样产生层间剪切破坏，通过测量破坏载荷，测定其层间剪切强度［4］。

纤维缠绕增强塑料环形试样剪切性能可因厚度、长度、宽度、加载头直径、加载速度、跨距等因素而产生不同影响。

3.1.1 试样厚度的选择

试样厚度对剪切强度有一定的影响，本文选择碳纤维环形试样，其宽度为6mm，长度为20mm，跨距为11mm，上压头半径为3mm，分别对1.5mm、2.2mm、3.0mm和4.0mm等不同厚度的环形试样进行了对比试验，试验结果如表11所示。试样厚度偏小时，破坏形式大多为上表面压缩破坏，下表面拉伸破坏，呈现弯曲破坏；试样厚度偏大时，试样上表面挤压破坏。试验结果表明，试样厚度为3mm时比较合适。

3.1.2 试样长度的选择

试样的长度对剪切强度有一定的影响，对不同长度的玻璃纤维、碳纤维和芳纶纤维环形试样进行了对比试验。

3.1.2.1 玻璃纤维试样长度

对于玻璃纤维试样长度验证如表12所示。试样较长时，即跨距变大，試样容易受弯曲应力的影响，测定强度值明显降低。而试样较短时，加载头与支座距离太近，试样受挤压和断纹剪切作用严重，试样破坏时就不是完全层间剪切破坏，测定的强度值偏高。试验验证结果认为，试样长度定为21mm～30mm较为合理。

3.1.2.2 碳纤维和芳纶纤维试样长度

对于碳纤维和芳纶纤维试样长度比较如表13所示。试样较长时，试样易发生弯曲破坏，测定强度值较低。而试样太短时，试样不完全是层间剪切破坏。试验表明，碳纤维和芳纶纤维试样长度为18mm～21mm时，试样破坏形式为层间剪切破坏。

3.1.3 试样宽度的选择

因为短梁剪切跨度很小，所以试样宽度不应选太大，防止横向效应，保持短梁的单向受力，并参照ASTM标准，选定试样宽度为厚度的2倍，即6mm。

3.1.4 加载头直径的选择

加载头直径对剪切试验结果将产生一定的影响。加载头直径过小，对试样造成较大的挤压力，促使试样在受压区过早破坏。而大直径的加载头，又可造成试样载荷均布化，使测定值增高，如表14所示。在试验中，当加载头直径为4mm时，试样的上表面在压头处已有明显的压痕，因此选用6mm直径的加载头是比较合适的。

3.1.5 试验速度的选择

试验速度对剪切试验结果将产生一定的影响。表15是不同试验速度的剪切强度对比。试验速度过小，在破坏前易产生蠕变效应，使试验结果偏小。而试验速度过大，易产生冲击应力。验证试验结果认为试验速度可在1～2mm/min范围内选择。

3.2 纤维缠绕增强塑料环形试样拉伸试验

拉伸试验采用内径150mm拉力圆盘形式［5］。

3.2.1 试样厚度的选择

试样的厚薄对强度有一定的影响，我们对不同厚度的环形试样进行了对比试验，试验结果如表16所示。试样厚度过小，性能不稳定，离散系数较大，性能值也较低。而试样厚度大于1mm时，一般随厚度的增加拉伸强度有下降的趋势。因此，确定拉伸试样的厚度为1.5mm。

3.2.2 加载速度的选择

由基本材料理论得知：过高或过低的加载速度会引起材料的蠕变效应或速度脆化效应，从而影响测定的强度值。加载速度对拉伸强度的影响如表17和表18所示。因此，确定玻璃纤维增强塑料的拉伸加载速度为3mm/min～5 mm/min，碳纤维和芳纶纤维增强塑料为2mm/min～3mm/min。

3.3 试验数据

依据验证试验确定的试验参数，选用不同的材料，对可操作性和重复性进行试验。试验结果稳定，重复性较好，破坏形式正常。数据如表19和表20所示；试样及破坏形式如图2、图3、图4和图5所示。

4 结语

（1）本文明确了单环缠绕法和圆筒切环法两种制样方法的差异及优劣。

（2）本文明确了玻璃纤维、碳纤维和芳纶纤维等增强材料制备环形试样过程中，缠绕张力、预处理、干燥条件、缠绕速度、固化前存放时间等技术参数。

（3）本文验证了玻璃纤维试样长度为21mm～30mm、碳纤维和芳纶纤维试样长度为18mm～21mm，厚度3mm，宽度6mm；加载头直径6mm，加载速率在1 mm/min～2mm/min范围内时，试样破坏形式为明显中性层界面层间剪切破坏，数据准

确性、重复性较好。

（4）本文验证的剪切方法适用范围较窄，只适用于单向纤维缠绕增强塑料环形试样。试样尺寸较单一，但有利于各种材料性能间的相互比较。

（5）拉伸试样的厚度为1.5mm，玻璃纤维增强塑料加载速度为3 mm/min～5 mm/min，碳纤维和芳纶纤维增强塑料加载速度为2 mm/min～3mm/min时，数据准确性、重复性较好。

（6）拉伸试验劣势在于试样外观尺寸较为固定、单一，局限于夹具形式，拉伸过程中无法避免试样弯曲形变。

本文研究的纤维缠绕增强塑料环形试样力学性能测试，是一种基于标准外观尺寸的试样，易于制备，便于试验室试验操作的检测手段，可方便、快速的满足材料性能评价、过程控制的需要。

参 考 文 献

［1］李金亮，高小茹，李文斌.不同双马树脂制备预浸料对复合材料单向板力学性能的影响［J］.纤维复合材料，2022，39（02）：20-23.

［2］范燕生，杨晓琳，贺靖，孙超明，王绍凯，顾轶卓，李敏.热压成型蜂窝板工艺质量与力学性能研究［J］.纤维复合材料，2021，38（03）：7-11.

［3］ASTM D2291/D2291M-16 Standard Practice for Fabrication of Ring Test Specimens for Glass-Resin Composites.

［4］ASTM D2344/D2344M-16 Standard Test Method for Short-Beam Strength of Polymer Matrix Composite Materials and Their Laminates.

［5］GB/T1458-2008 纤维缠绕增强塑料环形试样力学性能试验方法.