国产T800级碳纤维复丝拉伸强度测量不确定度的评定

刘高君，葛国杰，郭鹏宗，王芬，刘亮

(中复神鹰碳纤维股份有限公司，江苏 连云港 222069)

0 引言

碳纤维是一种含碳量在95%以上的高性能纤维，具有高比模量、高比强度、强耐疲劳性等优异性能，是理想的结构和功能材料，被广泛应用于风电、航空航天、体育用品、交通运输等领域[1]。碳纤维作为结构材料设计应用时，其拉伸性能通常为后者设计的核心性能指标。因此，碳纤维复丝拉伸性能的准确测量是对其性能评价的重要内容和关键参数[2]。

由于碳纤维复丝拉伸性能测试属于破坏性实验，具有不可重复性，且受样品、制样过程、测试过程的稳定性影响，尽管测试方法和实验设备一致，实验测试结果始终存在离散性。为了客观全面地表征拉伸性能测试结果的可靠性，有必要对其测量进行不确定度的评价。本文依据GB/T 3362—2017《碳纤维复丝拉伸性能试验方法》[3]和JJF 1059.1—2012《测量不确定度评定与表示》[4]的要求，以某型号国产T800级碳纤维复丝为试样，分析影响测量强度的各项因素，对其复丝拉伸强度测量不确定度进行评定。

1 实验方法和数学模型

1.1 实验方法

按照GB/T 3362—2017《碳纤维复丝拉伸性能试验方法》的规定，在温度为(23±2)℃，相对湿度为(50±10)%的环境条件下，采用万分之一天平测量复丝的线密度，采用密度梯度管法测量复丝的体密度，采用34TM-5拉力机测试复丝样条强度。复丝的线密度标准为(0.450±0.012)kg/m，体密度为(1.79±0.02)kg/m3，以拉伸速度20mm/min对试样施加载荷，保持试验条件不变，1组试样重复测量，共测试10组。

1.2 数学模型

依据实验原理建立数学模型：

δi=P*ρf*10-6/t

式中：δi——拉伸强度，MPa；

P——破坏最大载荷，N；

ρf——复丝的体密度，kg/m3；

t——复丝的线密度，kg/m。

2 结果和讨论

2.1 测量不确定度的来源

根据实验方法和计算公式，测量结果的不确定度来源主要有拉伸破坏的拉力试验机、复丝线密度和体密度的测量、测量结果重复性。测量时试样的选取、试样制样过程中的工艺操作等因素均会影响测试的强度，因这些因素不包含在测量体系对不确定度评定的范畴[4]，因此本文仅对拉伸破坏的拉力试验机、复丝线密度和体密度、测量结果重复性的测量进行不确定度的评定。

其中重复性测量属于测量不确定的A类评定，依据校准证书、仪器准确度等级的属于不确定的B类评定，如拉力试验机的不确定度依据校准证书计算为B类评定。

2.2 不确定度分量的评定

2.2.1 试样线密度t测量引起的不确定分度

(3)线密度t测量引起的不确定度UA(t)。在相同条件下，1组试样测量3个，共10组，表1为测数数据汇总表，由表1可计算出线密度t的合并样本标准差并得到UA(t)。测量次数n=3 ，组数m=10，则有：

其相对标准不确定度U3=0.004 809/0.450=1.068 6%。

表1 线密度测试数据汇总表

2.2.2 试样体密度ρf测量引起的不确定分度

(1)密度柱引起的不确定度UB(ρf)。由密度柱校准证书可知，密度柱的不确定度Urel=1%，k=2，则U4=Urel/k=0.5%。

(2)体密度ρf测量引起的不确定度，UA(ρf)。在相同条件下1组试样测量3个，共10组，表2为测数数据汇总表，由表2可计算出体密度ρf的合并样本标准差并得到UA(ρf)。测量次数n=3，组数m=10，则有：

其相对标准不确定度U5=0.002 514/1.79 =0.1404%。

表2 体密度测试数据汇总表

2.2.3 拉力试验机测量引起的不确定分度

由拉力试验机校准证书可知，拉力试验机的不确定度Urel=0.22%，k=2，则U6=Urel/k=0.22%/2=0.11%。

2.2.4 测量结果引起的不确定度UA(δi)

在相同条件下，1组试样测量6个有效样条，共10组，表3为拉伸强度数据汇总表，10组的平均强度为δi=5 923 MPa，由表3可计算出拉伸强度δi的合并样本标准差并得到UA(δi)。测量次数n=6 ，组数m=10，则有：

其相对标准不确定度U7=89.605 9/5 923 =1.512 7%。

2.3 合成相对不确定度

将各分量引入的相对不确定度汇总(表4、图1)，各输入分量间互不相关，将测量结果代入不确定度进行合成，则Urel(δi)2=U12+U22+U32+U42+U52+U62+U72，则Urel(δi)=1.927 6%.标准不确定度为U(δi)=Urel(δi)×δi=1.927 6%×5 923 MPa=114 MPa。

表3 拉伸强度测试数据汇总表

表4 各分量引入的相对不确定度汇总表

图1 各分量引入的相对不确定度

2.4 扩展不确定度的计算

在95%置信概率下，取包含因子k=2，则测量结果的扩展不确定度U=kU(δi)=2×114 MPa=228 MPa。

2.5 减小测量不确定度的方法

由图1可知，复丝拉伸强度测量不确定度的主要来源为测量结果重复性和线密度计算。根据建立的数学模型可知，线密度是引入不确定度的关键。为减小拉伸强度测量的不确定度，可通过以下方法降低引起的不确定度分量，一是采用合适的测量设备，如精准度更高的刻度尺；二是规范试样的制样过程，确保试样制样的均匀性；三是固化测试过程中样条的放置位置等；四是选择熟练的测试人员进行制样和测量，从而最大限度地稳定测量体系，以期确保测量的稳定性。

3 结论

(1)某型号国产T800级碳纤维复丝拉伸强度的扩展不确定度结果为(5 923±228)MPa，由各不确定度分量可得出，影响合成标准不确定度的主要因素为复丝线密度和测量结果。

(2)为减小拉伸强度测量的不确定度，可通过采用合适的测量设备、规范试样的制样过程，固化测试过程中样条的放置、选择熟练的测试人员进行制样和测量等方法确保测量的稳定性。