复合材料增强体纤维性能分析

胡玮

(江苏恒神股份有限公司，江苏丹阳 212300)

复合材料增强纤维是一种当今社会的新型复合材料，其可以应用到汽车制造、航天航空以及国防工业等领域当中，主要的增强体则作为复合材料常用的构成成分之一，本质上也属于复合材料[1]。该类材料通过织物纤维来分布于基体内，以提高力学性能[2]。由于其力学性能容易调整，被应用到各类场合，但同样由于该特性，需要对增强体性能进行分析[3]。目前分析方法中，通常采用的样品测试实验来得出增强体性能，缺乏对增强纤维参数的计算，增强体性能和实际性能差别较大，难以满足需求。

1 复合材料增强体性能分析方法设计

1.1 增强纤维参数计算

在纤维增强材料中，各项参数对增强体性能存在一定的影响，因此需要对相关参数进行确定[4]。而增强纤维细度对于复合材料的性能之间存在一定影响[5]。本文在进行纤维参数运算中，采用中段称重法通过对分析对象材料的中段称重并通过对材料的纤维公制指数的换算来得出对应的数值，见公式（1）：

在公式（1）中Nm 代表称重中的公制指数，单位为m/g，n 代表换算得出的纤维根数，G1 代表分析对象中段纤维重量，单位为mg。而根据纤维基体特性，可以得出对应的纤维特数Ntex，即Nm×Mtex=1000。而影响纤维参数的还包括纤维的含水率[6]。通常情况下，未干燥条件下的纤维参与制作后，形成的水分蒸发后产生小孔隙，导致应力缺陷。而过于干燥的条件下，纤维增强弹性在凝固后，受到外界机械力时容易断裂，材料抗剪性能降低，因此需要将增强体的含水率作为材料抗剪力和其它力学性能分析的一个指标[7]，而含水率以及回潮率的分析公式见公式2 和3。

本文的实验过程所利用到的是FA2004B 电子天平，同时要采用Y802 型干燥箱来配合使用，来测量纤维的干湿中。

1.2 增强纤维力学性能测试计算方法

在增强纤维力学性能测试中，本文采用电子多功能试验机来进行纤维力学性能测试。在给定的温度，湿度和拉伸载荷率下，纵向载荷会施加到材料上，并且材料会塌陷。材料性能指标见公式（4）。

在公式（4）中，代表拉伸过程中的断裂负荷或最大负荷，取值根据不同增强体的特性来得出，单位为N[8]。b 代表被分析材料进行实验时的样品宽度，单位为mm，d 则代表分析材料进行实验时的样品厚度，单位为mm。而对材料的断裂伸长率计算见公式（5）。

在公式（5）中，G 代表样品在拉伸力作用下断裂时的标线距离，单位为mm。G0则代表样品在实验开始前的标线距离，单位为mm。

而材料的弹性模量[9]则可以通过在测试时绘制的纤维在基体中的分布排列图中计算。

对图1 中的初始直线排列部分进行计算来得出，即：

图1 纤维在基体中的分布排列

在公式（6）中，σ 代表材料的拉伸应力，单位为N/mm2，ε 代表材料的拉伸应变[10]，单位为mm/mm。同时搭载三点简支梁来对增强材料进行测试，将被分析样本放置在支梁上，并在中间施加载荷，测试器弯曲强度，计算公式见公式（7）。

在公式（7）中，σf代表材料的弯曲强度，单位为MPa，P 代表在测试中对材料施加的破坏荷载，单位为N。L 代表材料的跨距，单位为mm。h 代表弯曲测试材料的样品厚度，单位为mm，b 代表弯曲测试材料的样品宽度，单位为mm。而材料的弯曲弹性模量计算[11]则为：

在公式（8）中，Er代表在基体中的纤维材料的弯曲弹性模量，单位为MPa，VP 表示在实验过程中绘制的载荷，扰动曲线的直线段上的材料的载荷增量，单位为N，Vf 代表和VP 相对应的中点扰度增量[12]，单位为cm。最后再根据上述中基体内纤维体的影响参数得出分析结果，由于不同型号基体中纤维体影响情况不同，但可以直接从该型号基体参数上得知，因此本文不做赘述。

2 实验测试分析

为了验证分析方法的可行性，本文对某款复合材料基体进行测试分析实验，并使用本文分析方法与传统分析方法进行对比，验证设计方法的优劣性。

2.1 实验试剂与设备

在本文实验中，采用的电动搅拌机型号为JB90-D，电子天平型号为FA2004B，硫化机型号为XLB-DQ，八篮恒温干燥箱型号为Y802A，电子测试机型号为INSTR0N4302，扫描电镜型号为JSM-6390LV，红外光谱仪型号为NICOLET5700，热失重分析仪，型号为HTG-1。电子单纤维强力仪，型号为LLY-04E。以及氢氧化钠试剂，纯度为分析纯。

2.2 增强纤维参数分析结果

本文实验中采用的纤维为某型号的黄麻纤维，并以该增强体的设定性能指标作为标准值。构建纤维复合材料顶网模型，在顶网模型中设置实验基体纤维特性参数。纤维复合材料顶网模型如图2 所示。

图2 纤维复合材料顶网模型

本文方法和传统方法分别进行三次分析，并分别进行记录并与实际参数进行对比，实验中使用的增强体纤维的设定重量为9.51±0.01mg，纤维根数为90，纤维Nm 值为95.50±0.05 实验结果如表1 所示。

表1 实验基体纤维特性参数分析

从表1 中可以看出：本文设计的分析方法在进行分析中，平均纤维重量为9.52mg，纤维平均Nm 值为95.46。而传统方法下的平均纤维重量为9.32mg，纤维平均Nm 值为91.64。可以发现本文分析方法得出的纤维特性参数更接近实际值。此时的黄麻纤维载荷-位移关系如图3所示。

图3 黄麻纤维载荷-位移关系图

以图3 黄麻纤维载荷-位移关系为实验依据，进一步得出增强体性能数值，进行力学性能测试，实验中使用的增强纤维中力学性能设定值中，拉伸强度为10.85±0.04MPa，拉伸模量为2.00±0.03，弯曲强度为29.88±0.03MPa，弯曲模量为2.83±0.05GPa，实验结果如表2 所示。

在表2 中可以看出：本文分析方法中，平均拉伸强度为10.90MPa，平均拉伸模量为1.98GPa，平均弯曲强度为29.06MPa，平均弯曲模量为2.87GPa。可以看出本文分析方法得出的结果更接近实际结果，证明本文分析方法的有效性。

表2 实验基体力学性能分析结果

3 结束语

本文通过对传统增强体性能分析方法进行改进，设计出准确度更高的增强体分析方法。该方法对材料在成型工艺方面的微观理论计算尚存在不足，同时无法实现对混杂纤维方式下的性能分析研究，仍需进一步深入研究。