CFRP 片材拉伸性能试验研究

朱之恒，李保亮，黄国君,3，程凤琴

(1.淮安市建筑工程检测中心有限公司， 江苏 淮安 223001;2.淮安东华建筑设计院有限公司，江苏 淮安 223001；3.淮阴工学院建筑工程学院, 江苏 淮安 223001)

0 引言

纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer，简称FRP) 加固砌体结构可提高砌体结构抗折、抗剪、抗弯性能[1-3]，作为纤维增强复合材料中应用最广泛的碳纤维增强复合材料（CFRP），人们最关心它的力学性能，而拉伸性能是CFRP 各项力学性能中极为重要的一项。本文分析了CFRP 条状试样与碳纤维布性能的差异及影响CFRP 条状试样拉伸强度的因素。

1 原材料及试样制备

1.1 原材料

（1）碳纤维布，上海某公司生产，型号：TC2-200，理论厚度0.111 mm。

（2）碳纤维环氧树脂粘胶，上海某公司生产，型号：TGE-2，A∶B= 3∶1。

1.2 试样制备及试验方法

（1）CFRP 及未浸胶碳纤维布制备参照 《纤维增强塑料性能试验方法总则（GB/T 1446-2005）》，其中CFRP 如图1 所示，拉伸试样制备见图2。

图1 浸胶硬化后的CFRP

（2） CFRP 及未浸胶碳纤维布片材拉伸试验方法， 参照 《定向纤维增强塑料拉伸性能试验方法(GB/T 3354-1999)》，拉伸速度为2 mm/min。

图2 碳纤维增强复合材料拉伸试样

2 结果与讨论

2.1 试样破坏模式

试验中出现的破坏模式主要有：①断裂，试样受拉伸后，随着拉伸外力的增大，在试样的某一部位断裂，是正常的破坏现象。②炸裂，正常的破坏现象。试样拉断时，碳纤维因受内应力作用，在整个拉伸区域破碎，如爆炸般迸出。 碳纤维织物试样炸裂为织物碎片。 ③破裂，碳纤维布自身的缺陷或者在裁剪过程中造成纤维丝破坏导致碳纤维布在拉伸过程出现局部破坏，主要为未浸胶碳纤维布破坏现象。④滑移，指试样受拉时，由于加强片与碳纤维布之间粘结力较小或夹具与加强片之间夹持力较小导致加强片与碳纤维布产生相对位移，碳纤维布从增强片中脱离出来或者加强片从夹具中滑出，为异常破坏现象。 CFRP 与碳纤维布破坏模式分别如图3、图4 所示。

图3 CFRP 破坏模式

2.2 CFRP 与碳纤维拉力应变曲线

CFRP 与未浸胶碳纤维布如图5、 图6 所示，CFRP 相比未浸胶碳纤维布，颜色有所加深，而且碳纤维成一整体，碳纤维束之间的空隙均由环氧树脂胶浸满，环氧树脂在碳纤维材料之间起到传递应力的作用，使碳纤维可以作为一整体承受某种载荷。

图4 碳纤维布破坏模式

CFRP 的拉力应变曲线是线性的，达到极限荷载后，易发生炸裂或脆性断裂，如图5，其拉力-应变曲线主要分为2 个阶段∶第一阶段主要为弹性变形阶段，第二阶段为脆性断裂阶段；碳纤维布的拉力应变曲线也是线性的，随荷载增大，变形成正比例增大，达到极限荷载后，碳纤维逐次断裂，拉力应变曲线呈锯齿形下降，见图6。 可以认为CFRP 与碳纤维布拉力-应变为线性关系，该直线的斜率即为CFRP 与纤维布的拉伸弹性模量[4]。

图5 CFRP 拉力-应变曲线

图6 碳纤维布拉力-应变曲线

2.3 浸胶对碳纤维拉伸强度的影响

由表1 可知，CFRP 较碳纤维布条状试样拉伸强度有所提高。 CFRP 在受拉时，碳纤维和环氧树脂间有较强的粘结力，两者在受拉过程中呈现应力叠加。 另外，几乎所有的材料都存在某种程度的结构不完善性（缺陷）和裂缝，碳纤维的拉伸断裂发生在裂缝处，因此碳纤维材料拉伸强度的大小也取决于碳纤维结构缺陷或裂缝，缺陷或裂缝可能是纤维内部裂缝或者表面裂缝，浸环氧树脂胶后改善了碳纤维材料表面缺陷的状态，提高了其最小破坏承载力，提高了CFRP 的拉伸强度。

碳纤维在裁剪过程中，裁布时的切断面大部分位于纤维丝束的内部，且容易将丝束剪断，试件边缘部位的半束纤维丝易与其他丝束产生空隙，应力不能有效传递，进而影响碳纤维拉伸强度[5]。 表2 显示碳纤维布拉伸强度离散程度较大也与此有关，试件尺寸制作越小，碳纤维布拉伸强度离散越大。 另外，CFRP 较碳纤维条状试样伸长率有所提高，这也与浸胶后提高了CFRP 极限承载力有关。

表1 CFRP 与碳纤维性能比较

表2 不同制样尺寸条件下CFRP 与碳纤维的拉伸强度

2.4 制样尺寸对CFRP 拉伸性能的影响

CFRP 及碳纤维布试样制备尺寸越大原始标距越大，CFRP 及碳纤维布拉伸强度越小。 碳纤维的缺陷或裂缝是无序分布的，碳纤维的测试尺寸越大，长度越长，原始标距越大，出现的缺陷就越多，缺陷多为碳纤维丝原丝中的空隙或夹杂物，影响碳纤维丝的强度[6]。 碳纤维布的层数也会对CFRP 片材的拉伸强度产生影响。 层数越多，CFRP 破坏时需要的荷载越大，但是CFRP 的拉伸强度会有所降低。纤维布层数越多，缺陷出现的概率也越大，拉伸性能便会受到影响而降低。

2.5 浸胶量对CFRP 拉伸强度的影响

由图7 可知，CFRP 浸胶量存在一个最佳值，浸胶量多与少均不利于CFRP 拉伸强度的发挥。当浸胶量较少时，碳纤维得不到较好的浸润，浸胶量较多时，碳纤维量较少，浸胶容易不均匀，强度也较低，本实验中最佳的浸胶量在35%～38%。

图7 浸胶量对CFRP 拉伸性能的影响

3 结语

CFRP 较碳纤维布条状试样拉伸强度、伸长率均有所提高， 碳纤维布拉伸强度离散系数较大，而在实际工程中CFRP 及碳纤维布尺寸均较宽，因此本实验结果在实际应用中不具有代表性。

制样尺寸、层数对CFRP 及碳纤维拉伸强度影响较大，制样尺寸越大，制样层数越多，CFRP 拉伸强度越低，增加碳纤维布制样宽度可降低拉伸强度离散系数，因此建议在实际应用中应增加碳纤维布制样宽度。 浸胶量在35%～38%时，CFRP 拉伸强度最大。

[1] 黄国君, 李保亮, 丁百湛. CFRP 加固砌块抗折性能试验研究[J]. 砖瓦世界，2014(11):34-37.

[2] 李保亮, 丁百湛, 朱强强. CFRP 嵌入式加固砌体结构抗剪性能试验研究[J]. 砖瓦世界，2014(7):33-36.

[3] 李保亮，丁百湛，黄国君，等.CFRP 嵌入式加固砌体结构抗弯性能试验研究[J]. 新型建筑材料，2014（9）91-94.

[4] 李苏苏, 陈凤山, 刘毅. 碳纤维增强复合材料力学性能的试验与分析[J]. 工业建筑, 2007, 37(5):69-72.

[5] 郭春红, 岳清瑞, 杨勇新, 等. 碳纤维布增强复合材料力学性能评价[J]. 工业建筑，2006,36(2):90-93.

[6] 孙九霄, 王继辉, 岳清瑞, 等. 结构加固用CFRP 片材拉伸性能的试验研究[J]. 武汉理工大学学报, 2007, 29(3): 90-93.