碳纤维管状复合材料整体拉伸强度测试方法优化

王礼法， 李雪清， 孙志宏， 单鸿波

(1.东华大学 纺织装备教育部工程研究中心，上海201620；2.中国纺织机械器材工业协会，北京100028)

碳纤维管状复合材料整体拉伸强度测试方法优化

王礼法1， 李雪清2， 孙志宏1， 单鸿波1

(1.东华大学 纺织装备教育部工程研究中心，上海201620；2.中国纺织机械器材工业协会，北京100028)

针对目前碳纤维管状复合材料测试方法单一、整体拉伸测试方法存在不足的现状，提出一种新的碳纤维管状复合材料试样处理方法，优化改进整体拉伸强度测试方法，设计制备了试样处理模具和整体拉伸专用夹具，并通过试验验证了新测试方法的优越性，从而解决了管状复合材料整体拉伸测试中夹持困难、失败率高、耗时长的问题.

碳纤维；管状复合材料；整体拉伸；强度；灌胶模具；夹具

碳纤维复合材料因其质量轻、比刚度与比强度高、耐疲劳性能优异、耐腐蚀性能好等特点，被广泛应用于航空航天飞行器元件.碳纤维复合材料通常采用树脂基复合而成，属脆性材料，其韧性较差.碳纤维管状复合材料的力学性能的试验和评价在其开发和应用中具有重要的作用[1].

碳纤维复合材料的微观构造是一个复杂的多相体系，具有不均匀和多向异性特点.由于复合过程中常常含有低分子杂质、空气等，极易在复合材料成型过程中形成孔隙、分层等缺陷，碳纤维管状复合材料整体试验在对其力学性能的研究和评价中显得尤为重要[2]. 碳纤维管状复合材料由于其特殊的结构性能，在做拉伸性能的测试研究时不仅对夹具结构要求很高，同时碳纤维管状复合材料与夹具配合部位对测试结果的可靠性也有很大的影响，因此，研制适当的测试设备，优化改进试样与夹具的接触面对碳纤维管状复合材料整体拉伸性能的研究具有重要意义.本文主要围绕碳纤维管状复合材料构件整体拉伸强度测试方法，分别从试验方案设计、试样制备、整体拉伸试验夹具的设计制作、具体试验实施、试验结果比较等方面进行分析，并对本测试优化方法进行验证.

1　碳纤维管状复合材料现有拉伸方法

碳纤维管状复合材料的拉伸主要为轴向拉伸，可分为整体拉伸和取样拉伸，主要测定其在一定环境条件下受到轴向力时的轴向抗拉力和抗拉强度，并以此来评价其优劣性.由于碳纤维型号、复合基体、复合方法等的多样化，再加之应用领域的巨大差别，使得对碳纤维复合材料力学性能的要求不一，同时行业中又尚未形成一套专门针对碳纤维复合材料拉伸试验的标准.

文献[3-4]通过对GB/T 5349—2005《纤维增强热固性塑料管轴向拉伸性能试验方法》[5]中整体拉伸专用夹具进行设计改进，研制出一套适用于碳纤维管状复合材料的拉伸试验夹具.通过理论计算和试验验证，证明该夹具能够较准确地测出碳纤维薄壁管的拉伸强度，具有应用可行性.该夹具结构图如图1所示.

2　碳纤维管状复合材料整体拉伸试验

采用文献[3]设计改进的专用拉伸夹具进行碳纤维管状复合材料的整体拉伸试验.试验所用的碳纤维管状复合材料采用市场通用的T300(3K)碳纤维环氧树脂预浸布缠绕成型复合圆管，参数如表1所示.

表1　试样参数Table 1　Test specimen parameters

本试验分别制备了直径为30，40，50mm的碳纤维管状复合材料各2根作为试样.

2.1试验设备和方案

试验在YHS-229WJ-20T型微控电子万能试验机上进行，其最大承载能力为200kN，试验力分辨率为最大试验力的±1/300000. 参照文献[3]中的试验方案，按照图1所示，将试样与拉伸夹具装配后，再装载在试验机上.检查并确保安装无误后启动万能试验机进行拉伸，直到测试试样完全破坏断裂，试验停止.

2.2试验结果及分析

在试验过程中观察到，随着拉伸力的不断上升，拉伸试样不断传来纤维断裂的破空声.试验停止后发现，断裂破损部位基本都在弹性开口衬套与试样接触部位，未断裂的另一端瓣形摩擦内套与试样的接触口有很明显的凹槽.综合分析可知，夹持部位的管壁材料断裂的主要原因是由于夹具内套与弹性开口衬套在拉伸过程中不断收缩，对试样造成了不断增加的剪切应力，破坏了试样的局部尺寸，导致局部应力增加，引起局部破损，在巨大的受力作用下导致试样被整体破坏断裂.全部试样测试结束后选取其中试验成功的直径为40mm的碳纤维管测试结果作分析比较，该试样承受的最大力为86181.281N，其载荷-时间曲线如图2所示.由图2可知，在载荷上升过程中曲线不断出现上、下波动，其原因为试样在强拉力作用下与芯轴发生了细微的相对滑移.当拉力达到屈服点时，试样被破坏断裂，试验机断点保护停机，因此，拉力曲线陡然垂直下降.

图2　直径为40mm的碳纤维管状复合材料的载荷-时间曲线Fig.2　The load-time curve of 40mm diameter tubular carbon fiber composite material

本次碳纤维管状复合材料的整体拉伸测试结果如表2所示.由表2可知，使用该套夹具可以测试碳纤维管状复合材料的拉伸强度，但试验成功率不到40%，因试验失败后试样不能再做测试，试样浪费严重.

表2　碳纤维管状复合材料的整体拉伸测试结果Table 2　Overall tensile test results of tubular carbon fiber composite material

2.3试验方案评价

文献[3]的拉伸专用夹具从性能上可以满足拉伸要求,即被测试样在拉断之前夹具不会产生明显的塑形变形和断裂破坏，但是在试验过程中发现以下4个问题：

(1) 测试试样与专用夹具的装配要求较高，但是由于测试试样制备工艺的复杂性，其圆整度和平滑度都存在瑕疵，而装配要求尽量减小配合间隙，因此在装配时比较困难；

(2) 试验成功率较低，主要原因在于夹具与万能试验机的装配问题，如图3所示，夹具芯轴一端与万能试验机通过一对V型滑块的楔形下移而夹紧，因此，夹紧过程需要巨大的力推动滑块下移，同时要保证滑块与芯轴的摩擦力大于测试试样的理论抗拉力，才不至于在试验结束前芯轴被滑块拉离(在试验过程中曾多次出现芯轴滑落情况)；

图3　夹具与试验机连接图Fig.3　Fixture connect with machine

(3) 测试结束后，发现测试试样与拉伸夹具出现严重的过盈配合，在芯轴的作用下导致瓣形摩擦衬套、弹性开口衬套和刚性外套牢牢地嵌合在一起，试样和夹具很难分离，即使暴力拆卸分开后对夹具的精度损伤也是巨大的；

(4) 对测试结果分析发现，试样与夹具接触部位有严重的凹痕，试样破损基本都沿着该凹痕部位，属于非正常断裂破损，试验结果的有效性大大降低[6-8].

3　拉伸试样的优化处理

传统的拉伸测试方法对碳纤维会采取局部补强处理，但整体拉伸一般不做前期处理，试样直接与夹具配合后进行拉伸试验. 通过试验后发现试样不做前期处理很难获取有效的试验数据，因为试样断裂破损情况不符合选取标准(应在试样中段自然断裂).然而采用常规的补强手段，即在夹持端缠绕上工业胶带，试验后发现试样与夹具的配合不均匀，且由于碳纤维复合材料的整体抗拉力大，在测试中工业胶带的塑性变形严重，试样容易与夹具脱离导致试验失败.通过对旧方法的试验、探索、分析后，提出了新的试样制备优化方案，解决了原方法所存在的弊端.这里设计试样夹持段灌胶模具，如图4所示.

1—底板；2—外套；3—芯轴；4—立管；5—上支撑环；6—螺钉图4　灌胶模具Fig.4　Potting mould

将碳纤维管状复合材料一端竖直插在外套与芯轴之间，通过上支撑环侧面的3颗螺栓调节试样的垂直度，保证试样与水平面呈直角，然后拧紧螺栓固定试样.用刻度杯取一定量的液态环氧树脂，滴入适量的固化剂并搅拌均匀，沿着试样与外套的孔隙倒入树脂直到液面与外套壁等高，静置待树脂凝固即可.在试验前对试样进行两夹持段树脂复合，增大两夹持段的壁厚，增加了夹持段的强度，避免出现由于夹具对试样的剪切作用而导致试样的非正常断裂，确保试验结果选取的有效性.

4　拉伸专用夹具的优化设计及试验验证

针对上述试验方案所得到的结果以及在试验过程中发现的问题可知，只有进一步解决测试试样与夹具的装配问题、夹具和试验机的安装问题，才能更好地进行碳纤维管状复合材料的整体拉伸强度测试及其性能研究.

4.1拉伸专用夹具的设计

针对2.3节中拉伸专用夹具存在的不足，这里对夹具进行了重新设计.用外胀套来取代先前的弹性开口衬套和刚性外套，只需通过外胀套上一对内六角紧定螺钉即可完成夹紧或放松操作，极大地提高了试样与夹具的装配与拆卸速度，同时避免了暴力装配、拆卸对试样以及夹具造成损伤.拉伸专用夹具优化设计后的效果图和剖面图如图5所示.

(a)效果图

1—试样；2—瓣形摩擦内套；3—芯轴；4—外胀套；5—紧固螺母；6—内六角紧定螺钉(b) 剖面图图5　优化设计后的拉伸专用夹具Fig.5　Optimization design of special tensile fixture

为了解决夹具与万能试验机的安装问题，设计了如图6所示的连接头，取代万能试验机V型夹头与拉伸专用夹具的装配.连接头剖视图如图7所示，通过一端螺纹孔与芯轴轴段的螺纹联接，连接头圆孔与万能试验机通过插销固定，实现了拉伸专用夹具与试验机的安装，解决了旧夹具与试验机安装困难和芯轴打滑的问题.

图6　连接头与夹具装配效果图Fig.6　Fixture connect with connector

图7　连接头剖视图Fig.7　Connector structure

4.2新夹具性能的试验验证

首先，运用第3节中的方法对试样进行前期优化处理.然后，将试样按照步骤装配专用拉伸夹具，将夹具安装在万能试验机上，检查无误后启动万能试验机.随着时间的增加，碳纤维管状复合材料两端所受拉力也不断上升，在拉伸过程中不时传出细微的破空声，待拉力上升到一定值时试样从中部断裂，同时伴随着巨大的爆破声，万能试验机受断点保护停机.这里依然选取直径为40mm的碳纤维管测试结果作分析比较，通过万能试验机操控台所得其载荷-时间曲线如图8所示，该试样承受的最大力为89885.424N.由图8观察到在试验后期曲线存在下滑波动，经观察、分析后判断为夹具芯轴与瓣形摩擦衬套在受较大拉力时出现的轻微相对滑移.图8曲线整体趋势与图2类似.

图8　直径为40mm的碳纤维管状复合材料的载荷-时间曲线Fig.8　The load-time curve of 40mm diameter tubular carbon fiber composite material

对采用优化夹具的整体拉伸测试结果统计如表3所示.由表3可知，采用优化的专用夹具不仅能满足碳纤维管状复合材料拉伸试验要求，而且每次试验都能将试样成功拉断，成功率为100%.

表3　采用优化专用夹具的碳纤维管状复合材料的整体拉伸测试结果Table 3　The overall tensile results of tubular fiber composite material with improved special fixture

4.3新夹具性能的评价

使用新设计的拉伸专用夹具进行碳纤维管状复合材料整体拉伸强度测试比使用旧夹具更加方便、快捷，同时提高了试验的成功率.由图2和8比较后可得：

(1) 新、旧夹具试验所得的结果相近，都能满足碳纤维管状复合材料整体拉伸测试要求；

(2) 新夹具测试用时比旧夹具约减少60%，测试时间的大幅度减少可降低对拉伸专用夹具的磨损，增加夹具的循环使用性能，同时保障了夹具下次使用的精确性.另外，测试试验机承受巨大拉力的时间减少，对试验机的损耗也大幅度降低，使试验机测试的精确性和使用寿命得到更好的保障；

(3) 新夹具测试所得曲线有更明显的屈服点，这是由于新夹具的夹持效果远大于旧夹具，当拉力不断增加时夹具与试样的相对滑移量较小，因此，试样在抗拉力屈服处破损断裂.由于旧夹具的夹持效果相对较低，在抗拉力到达屈服点时有一定程度的适应期，使得所得曲线的屈服点不显著.

5　结　语

本文优化了碳纤维管状复合材料整体拉伸强度测试方法，并验证了新方法的可行性.通过设计试样灌胶模具，改进整体拉伸专用夹具以及夹具与万能试验机的连接方式，在测试量程内对碳纤维管状复合材料进行整体拉伸测试，较准确地测得了碳纤维管状复合材料的拉伸性能.解决了拉伸夹具与试样的装配、夹具与试验机的连接难题，性能可靠且便于操作，极大地提高了拉伸试验的成功率，最大限度降低了夹具和试验机的损耗程度，提高了测试结果的有效性和精确性以及夹具使用的可重复性，避免了测试失败造成的试样浪费.试样灌胶模具与拉伸专用夹具结构简单，制作成本低廉，可根据测试试样大小调整尺寸.该方法为碳纤维管状复合材料的整体拉伸强度性能研究提供了技术保障.

[1] 李静.复合材料力学性能的试验评价方法及其标准化动向[J].中国标准化,2003(12): 30-32.

[2] 李志君.先进复合材料的无损检测[J].宇航材料工艺,2000, 30(5): 28-31.

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[5] 李建成，张海燕，刘庆云，等． GB/T 5349—2005纤维增强热固性塑料管轴向拉伸性能试验方法[S]． 北京: 中国建筑材料工业协会， 2005．

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[8] HUANG Z M. Ultimate strength of a composite cylinder subjected to three-point bending: Correlation of beam theory with experiment[J]. Composite Structures, 2004, 63(3): 439-445.

Optimal Testing Methods of Overall Tensile Strength for Tubular Carbon Fiber Composite Materials

WANGLi-fa1,LIXue-qing2,SUNZhi-hong1,SHANHong-bo1

(1.Engineering Research Center of Advanced Textile Machinery，Ministry of Education, Donghua University,Shanghai 201620, China；2.China Textile Machinery Association,Beijing 100028,China)

Aiming at the tubular carbon fiber composite materials with single test method and the deficiencies in overall tensile test method, a new processing method to tubular carbon fiber composite sample is proposed, overall tensile strength test methods are optimized, the mould and fixtures are designed and prepared. By real tests, the usefulness and reliability of the mould and fixtures are confirmed, and this will make it more easier, reliable and time saving when testing the overall tensile strength of tubular composite materials.

carbon fiber; tubular composite materials; overall tensile; strength; potting mould; fixture

1671-0444(2015)03-0360-05

2014-04-25

科技部支撑计划资助项目(2011BAF08B03)

王礼法(1990—)，男，云南曲靖人，硕士研究生，研究方向为碳纤维复合材料力学性能.E-mail: aori12345@163.com

孙志宏(联系人)，女，教授，E-mail: zhsun@dhu.edu.cn

TS 101.9

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