碳纤维及其线缆的拉伸测试方法

王京力 柳宝琴 原婷婷

(1.中山出入境检验检疫局，中山，528403;2.东华大学纺织面料技术教育部重点实验室，上海，201620)

碳纤维复合材料(CFRP)具有质量轻、比强度高、比模量高等优异性能，被广泛应用在各领域。由碳纤维制成的线缆和绳索，与传统的线缆和绳索如钢丝绳等相比，具有很多优越性，可用作大跨度斜拉索桥悬索、舰船用缆绳、登山用绳索等，有望代替自重大的钢缆，在新型复合材料领域受到了广泛关注。然而，碳纤维是一种高强高模的脆性材料，其剪切强力较低，在强伸性能测试时容易损伤纤维，造成测试结果无效。这是碳纤维复合材料研究中普遍存在的一个问题。

本文针对CFRP线缆试样的特点，设计了一种碳纤维复丝及碳纤维线缆拉伸测试用夹具辅助工具，配合万能试验机使用。它可防止夹具接触碳纤维而对其造成损伤，也可防止碳纤维从夹具内滑脱，保证碳纤维线缆在距离夹具较远处断裂，以提高测试的有效性和可靠性。

1 碳纤维丝束拉伸测试标准和方法

目前国内外对碳纤维复丝及其复合材料的拉伸测试标准不一，且多为浸胶法。

GB/T 3362—2005碳纤维复丝拉伸性能测试方法，采用浸胶法进行预处理。日本标准 JISK 7073—1988等国外标准也采用类似方法。但是碳纤维线缆浸胶后，制得的样品表面不光滑，有胶珠和孔洞，形成缺陷部位，易造成拉伸试验失败。

图1 国外标准中试样两端加强片的安装方法示意图

另外，浸胶后CFRP线缆头端在强力仪器的夹口中易碎裂，因此需对此处加强处理。美国标准(ASTM D4018—99)中采用树脂头固化加强［见图1(a)］，日本标准(JIS R7608—2007)采用三层铝板(中间层带1.5 mm×40 mm沟槽)固化［见图1(b)］，英国标准(BS EN ISO 10618—2004)中采用直径为3 mm的玻璃丝管固化［见图1(c)］。我国标准(GB/T 3362—2005)中采用纸片或金属片并用黏结剂黏贴(见图2)，其中图2(a)用于1K、3K 碳纤维复丝，加强片为0.2～0.4 mm 厚的纸片;图2(b)用于6K、12K碳纤维复丝，加强片为1.0 ～1.5 mm 厚的纸片或金属片［1］，实际使用中有学者将加强片和树脂一起固化。

采用以上加强方式测试CFRP线缆强度时，会出现树脂加强片从夹口滑脱，或者CFRP线缆从纸片或铝片中抽拔出来，甚至试样在距离夹口10 mm以内处断裂等现象而导致试验失败。

图2 我国标准中的试样形状及尺寸示意图

2 碳纤维线缆拉伸试验研究现状

在国内外已发表的关于CFRP线缆的拉伸试验中，试验者大多为大型工程材料研究机构和大型材料制造商。试验对象通常是线缆与其两端的锚固装置组成的锚固系统，试样线缆锚固部分(即夹持部分)直径多在80 mm以上。试验设备基本上由大型液压强力机、力传感器和应变传感器(引伸仪、应变片、百分表等)组成。

试验中所使用的锚固系统的锚固可靠程度是试验成功的关键。目前的CFRP线缆(筋)的锚固系统根据锚固方法基本上可分为两类:夹片式锚固系统和黏结型锚固系统。夹片式锚具的夹片类型有两片式塑料夹片、两片式铝夹片、四片式钢夹片、两片式钢夹片加铝套筒。黏结型锚具是用黏结材料(一般为树脂类)将CFRP筋和钢套筒黏结在一起，钢套筒外表面有丝扣，张拉后用螺母锚固在垫板上［2］。

2.1 夹片式锚固系统

夹片式锚具包括一个具有内锥孔的锚孔和2～4片夹片，夹片呈半圆形或扇形，内表面有的刻有细齿槽、有的则无。这种系统是以钢筋锚具为基础开发的，锚固原理也和钢筋锚具一样，都是用楔块原理来锚固预应力筋，结构如图3［3］所示。夹片有钢夹片、塑料夹片、铝夹片［2］。

图3 夹片式夹具、锚具

这种锚具通常的失效模式是:在锚固区由于夹片的夹持力过大，造成CFRP筋本身的局部破坏;也有的是在锚固区由于剪应力过大，造成CFRP筋剪切失效。尤其对于钢夹片，CFRP筋的局部破坏更易发生。

2.2 黏结型锚固系统

黏结型锚固系统包括树脂套管锚具和楔型树脂锚具。树脂套管锚具由圆柱形钢套筒、CFRP筋以及树脂构成(如图4［2］)，其锚固能力取决于高性能环氧树脂与CFRP筋的黏结性能。目前在树脂套管锚具黏结介质的应用中，已从树脂扩展到水泥、膨胀水泥等材料。树脂套管锚具的主要失效模式是因黏结强度不足，造成黏结失效，CFRP筋在锚具中滑移［2］。

楔型树脂锚具综合了夹片式锚具和树脂套管锚具的优点，将树脂套管锚具进行改进而成，其改进措施主要为将树脂套管锚具的圆柱形钢套管改成为锥形套管(如图5［4］)。其主要失效模式也是CFRP筋在锚具中滑移。

图4 树脂套管锚具

图5 楔型树脂锚具

在CFRP线缆拉伸试验实例中，最受关注的是德国 DSI公司对基于 DYWICARB锚固系统的CFRP筋拉伸测试，该锚固系统为楔型树脂锚具［5］，其外形如图 6［6］所示。拉伸试验得到了CFRP筋的应力—应变曲线，最终CFRP筋的断裂形式是在锚固处断裂(如图7［6］所示)。

图6 德国DSI公司DYWICARB锚固系统

图7 CFRP筋拉伸断裂情况

在国内，湖南大学对46个试件进行了静力张拉试验［7］，试验加载装置如图 8［7］所示。试件一端为试验锚具，另一端为夹片式锚具或试验锚具。试验中用振弦式力传感器测试张拉力，用百分表来测量CFRP筋的自由端和加载端的滑移量，加载速度为100 MPa/min。该试验的主要目的是为了检验试验CFRP线缆锚具系统的锚固程度，同时也得到CFRP筋的应力—应变曲线。试验中仅有6件试样被拉断，其余均在锚具内滑移或在锚具锚固处断裂。

图8 湖南大学所用试验加载装置

在江苏大学所进行的试验中，试样是由多根Leadline制得的CFRP拉索，锚具结构为楔型树脂锚具，采用张拉千斤顶对试样进行逐级加载直至试样破坏，用百分表来测试应变［8］。试验中未对锚具进行直接夹持，试验装置类似于图8 所示。试验得到CFRP拉索的应力—应变曲线，但各组试样均在锚具内有不同程度的滑移。

如图9［9］所示，河海大学选用新型楔块式锚具夹持直径为9.5 mm的螺纹碳纤维筋，然后粘贴应变片，用导线接到应变仪上，再将夹持好的试件放到电液式万能试验机的夹头里，连续加载观察试件的破坏形式［9］。为防止碳纤维筋夹持段被夹头夹碎而导致试验失败，试验机所用夹头经过了改造。试验测试了12个试样，得到5组有效数据。

图9 河海大学所用加载装置

此外，也有少数机构对小直径碳纤维索进行拉伸测试。试验所用设备多为万能材料试验机，试验结果可直接显示在与试验机所连接的计算机上。例如，山东大学材料学院参照GB 8834—1988《绳索有关物理和机械性能的测定》的规定，在Instron 1121型万能材料试验机上进行测试，得到了一系列试验数据。

3 一种碳纤维复丝及碳纤维线缆拉伸测试用夹具辅助工具

从上述分析中可以发现，拉伸测试的主要困难集中表现在碳纤维复合材料在夹持处或锚具中出现滑移或断裂现象。本文针对CFRP线缆试样的特点，设计了一种碳纤维复丝及碳纤维线缆拉伸测试用夹具辅助工具，装置于万能试验机夹口内，辅助拉伸测试。

该辅助装置如图10所示，包括三个部分:主体A，紧固块B，螺母C。其中主体部分由夹头1、连接杆2、有槽夹头3和螺杆4组成。试样在2上多圈缠绕，至3处从槽中经过，在3和B处绕一圈，并在试样头端打结，用B压紧，通过C推紧B。

该装置放入万能试验机夹口内夹持时，如图11所示，1和2的平面与夹具接触，保护2处缠绕的试样;试样多圈缠绕、头端打结并用C和B加固，能有效防止试样滑脱。

图10 夹具辅助工具示意图

图11 夹具应用示意图

该装置与现有技术比较，可以省去配胶、浸胶、固化工序，防止碳纤维试样在夹具内受到损伤或从夹具内滑脱，而且碳纤维试样在距夹具10 mm以外处断裂，所得测试结果为有效。

根据碳纤维复丝产品标签得12K碳纤维复丝参数，见表1。

表1 12K碳纤维复丝标签参数

用夹具辅助工具后测得12K碳纤维复丝的机械性能数据见表2。从表2中可以看出，断裂强度平均值比产品标识值小531.02 MPa，为标识值的80.6%。本测试方法所得的断裂强度和断裂伸长率与表1中的产品标签参数接近，证明其可靠性，数值均略偏小证明了本方法测试的稳定性。由此可见，本试验中系统误差为主要误差。另外，断裂伸长率值略高于标识值。

表2 12K碳纤维复丝的力学性能测试数据

用夹具辅助工具后测得12K碳纤维三维编织线缆(12K×8股)的力学性能数据见表3。由表3可知，编织线缆的断裂强度只有碳纤维的一半多一点，但断裂伸长率是碳纤维的5倍多，这些数据为碳纤维三维编织线缆的设计和应用提供了依据。

表3 三维编织碳纤维线缆(12K×8股)的力学性能

4 结语

本文设计的碳纤维及其线缆拉伸试验辅助装置提高了锚固的可靠程度，既避免了夹具接触碳纤维而对其造成损伤，又可防止碳纤维从夹具内滑脱，保证了碳纤维线缆在距离夹具较远处断裂，提高了测试的有效性，使测试结果具有可靠性和稳定性。

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