拉伸速度在碳纖維拉伸過程中的影響研究

摘要：

碳纖維的高強(qiáng)和脆性使其拉伸試驗(yàn)過程有別于柔性紡織纖維。為了得到更精確的結(jié)果，本文研究了T300-12K碳纖維單絲拉伸過程中，拉伸速度對(duì)測(cè)試系統(tǒng)誤差的影響。通過研究系統(tǒng)誤差的角度，分析拉伸速度影響的大小和趨勢(shì)。


1 引言

碳纖維的高比強(qiáng)、高比模[1]、耐高溫等優(yōu)良性能使其得到廣泛的應(yīng)用[2]。作為理想的高性能材料，被廣泛應(yīng)用于航空、航天等高科技領(lǐng)域以及化工、電子、冶金、汽車、醫(yī)療和體育等一般工業(yè)領(lǐng)域[3]，具有廣泛的發(fā)展前景[4]。作為結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用時(shí)，碳纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能很大程度上依賴于碳纖維的力學(xué)性能[5]，因而對(duì)碳纖維的伸長(zhǎng)率、模量的準(zhǔn)確測(cè)試是對(duì)其評(píng)價(jià)的一個(gè)重要內(nèi)容[6]，它涉及碳纖維復(fù)合材料的設(shè)計(jì)與使用[7-9]。

在碳纖維的幾個(gè)力學(xué)參數(shù)中，纖維的伸長(zhǎng)率和模量是很難準(zhǔn)確測(cè)試的。原因是碳纖維極細(xì)(5μm～8μm) ，為脆性、高強(qiáng)低伸纖維。它的伸長(zhǎng)率在0.5%～2.0%之間。這就使得拉伸過程的各種因素對(duì)結(jié)果極易產(chǎn)生顯著影響。

這些因素有很多，例如拉伸的速度、隔距、測(cè)試系統(tǒng)本身的傳感和誤差、固定纖維用的膠水的黏性和固化后的剛度，以及固定紙卡的種類及剛度、環(huán)境的溫濕度、人為操作的誤差等等。

查閱國(guó)內(nèi)外大量的關(guān)于碳纖維力學(xué)性能測(cè)試的文章，發(fā)現(xiàn)測(cè)試過程中的拉伸速度對(duì)碳纖維模量測(cè)試方面僅有少量研究，未能找到拉伸速度對(duì)結(jié)果的影響具體有多大，從而對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。



本文主要研究的是不同的拉伸速度對(duì)系統(tǒng)誤差具體產(chǎn)生多少影響，從而對(duì)伸長(zhǎng)率、模量等測(cè)試結(jié)果進(jìn)行修正，并提出更為適合碳纖維的拉伸速度。
為了研究方便，假設(shè)碳纖維的拉伸變形和系統(tǒng)受力產(chǎn)生的伸長(zhǎng)都是彈性形變。利用線性回歸的數(shù)學(xué)方法，找到當(dāng)隔距為零時(shí)，不同拉伸速度下，所產(chǎn)生的伸長(zhǎng)量。這個(gè)伸長(zhǎng)量，就是系統(tǒng)誤差所產(chǎn)生的，進(jìn)而可以計(jì)算出測(cè)試過程的系統(tǒng)誤差的影響大小，單位是mm/cN，又可稱為系統(tǒng)軟度。根據(jù)這個(gè)數(shù)值就可以修正測(cè)試數(shù)據(jù)了。

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2 碳纖維單絲強(qiáng)伸試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)樣品

試驗(yàn)采用市售商品日本東麗公司聚丙烯腈( PAN) 基碳纖維，牌號(hào) T300B-12K，簡(jiǎn)稱 T300，它是國(guó)際公認(rèn)的通用級(jí)標(biāo)準(zhǔn)碳纖維，性能參數(shù)見表1。

2.2 儀器與設(shè)備

試驗(yàn)采用上海新纖儀器有限公司的XQ-1A型單纖維拉伸試驗(yàn)機(jī)。

2.3 制樣


碳纖維單絲的強(qiáng)伸試驗(yàn)不同于其他柔性纖維的單纖維試驗(yàn)。碳纖維不能直接夾持在預(yù)定隔距的兩夾頭間。其原因很簡(jiǎn)單，一是纖維的脆性使整個(gè)夾持成功率極低，纖維往往在夾持過程中因彎折而斷裂。二是即使夾持成功，夾持端會(huì)對(duì)纖維產(chǎn)生損傷，使纖維的斷裂發(fā)生在鉗口處，所測(cè)數(shù)據(jù)不能反映纖維的真實(shí)特性。因此，碳纖維單絲的強(qiáng)伸試驗(yàn)首先要求將單根碳纖維粘貼于特制的試樣卡上，
如圖1所示 。之后再用顯微鏡逐根觀察確定所固定的纖維是否是碳纖維。


2.4 試驗(yàn)方案

設(shè)定4個(gè)不同的拉伸速度，2mm/min、4mm/min、10mm/min、20mm/min。在每種拉伸速度下用3個(gè)不同的隔距10mm、20mm、60mm進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。每個(gè)拉伸速度每個(gè)隔距測(cè)量的樣品數(shù)量至少為30根纖維。



3 結(jié)果與分析

根據(jù)對(duì)482根成功拉伸的碳纖維分析其拉伸曲線，計(jì)算得出表2數(shù)據(jù)。

從表2可以看出，同一拉伸隔距下拉伸速度越快，測(cè)試得出的模量越大。這與我們從理論上的判斷和其他學(xué)者的研究是一致的，且拉伸速度越快，不同隔距下測(cè)得的模量差異也更明顯。

為了計(jì)算出不同拉伸速度產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差，在每一根纖維拉伸的數(shù)據(jù)中，分別找出當(dāng)拉伸負(fù)荷為2cN、6cN和10cN時(shí)測(cè)試得出的伸長(zhǎng)量，然后對(duì)照相應(yīng)的拉伸速度和隔距，找到當(dāng)拉伸隔距為零時(shí)系統(tǒng)產(chǎn)生的伸長(zhǎng)量。

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從圖2可以看出，在拉伸速度為2mm/min下，拉伸負(fù)荷分別達(dá)到2cN、6cN、10cN時(shí)，拉伸隔距和測(cè)試結(jié)果的伸長(zhǎng)量為線性關(guān)系。




從圖3可以看出，拉伸速度在2mm/min下，找到當(dāng)拉伸隔距為零時(shí)的系統(tǒng)所產(chǎn)生的伸長(zhǎng)量?？梢钥闯霎?dāng)拉伸隔距為零時(shí)，系統(tǒng)隨著受力的增大，伸長(zhǎng)量也是在逐漸增大的，而且也呈線性關(guān)系。
從圖2和圖3可以發(fā)現(xiàn)，碳纖維的強(qiáng)伸過程和系統(tǒng)受力伸長(zhǎng)的過程都沒有發(fā)生緩彈性的形變，屬于彈性形變，證明了前言部分纖維變性和測(cè)試系統(tǒng)變形是彈性變形的假設(shè)是成立的。

其中當(dāng)拉伸負(fù)荷為2cN、6cN、10cN時(shí)，伸長(zhǎng)量為負(fù)值。從表面上看，似乎有悖于常理，但從拉伸儀器的傳動(dòng)和靈敏裝置的設(shè)計(jì)角度，也不是不能解釋，但仍有待進(jìn)一步的研究。由于這不是本文的重點(diǎn)，就不在此多言。 123456

從圖4我們同樣得到了和圖2一致的結(jié)論，拉伸的隔距和測(cè)試讀出的伸長(zhǎng)量為線性關(guān)系。圖5的結(jié)果有點(diǎn)出乎意料，似乎與預(yù)期的差異較遠(yuǎn)，無(wú)法完成線性回歸。至于原因還有待進(jìn)一步研究和分析。




圖6和圖7的結(jié)論與圖2和圖3一致，這里就不贅述了。

圖7 的擬合曲線幾乎經(jīng)過0—0點(diǎn)，這一點(diǎn)與理論上的狀態(tài)更加接近。



圖8和圖9的結(jié)論與之前的圖2和圖3基本一致。圖9的線性回歸方程的R 2值為0.86，接近0.9，屬于近似線性回歸。但由于之前圖3、圖7的結(jié)論和考慮到纖維本身的弱節(jié)分布不勻等因素，還是基本可以判斷應(yīng)該是線性關(guān)系的。

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根據(jù)圖3、圖7和圖9，得出，當(dāng)拉伸速度為2mm/min、10mm/min、20mm/min下，系統(tǒng)受力而產(chǎn)生的伸長(zhǎng)。如圖10所示。

同時(shí)我們可以看到，系統(tǒng)誤差產(chǎn)生的伸長(zhǎng)量與拉伸速度也是呈線性關(guān)系，而且是正比例關(guān)系。

從圖10我們還看到一個(gè)有待研究的問題，當(dāng)拉伸速度小于10mm/min時(shí)，系統(tǒng)伸長(zhǎng)為負(fù)值，這樣的倒伸長(zhǎng)量是如何產(chǎn)生的，仍有待進(jìn)一步的研究。

最后可以根據(jù)線性回歸后的分析結(jié)果，對(duì)測(cè)試讀出的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。將系統(tǒng)受力產(chǎn)生的伸長(zhǎng)量剔除，得到碳纖維真正的伸長(zhǎng)率和模量等力學(xué)指標(biāo)，見表3。

4 結(jié)論

試驗(yàn)結(jié)果證明了碳纖維的伸長(zhǎng)和測(cè)試系統(tǒng)受力產(chǎn)生的伸長(zhǎng)都為彈性伸長(zhǎng)，沒有發(fā)生緩彈性變形。隨著拉伸速度的增加，系統(tǒng)誤差也增加，而且呈線性關(guān)系。測(cè)試碳纖維時(shí)，可盡量使用10mm/min附近的速度拉伸，太慢或者太快，都容易增大系統(tǒng)誤差。對(duì)測(cè)試結(jié)果造成影響。 123,123



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