聚合物基复合材料动态拉伸力学性能研究进展.pdf
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1、第 4期 2 0 0 9年 1 2 月 纤维复合材料 FI BER Co【PoSI r r ES N o 4 43 De c,2 0 0 9 性能研究 聚合物基 复合材料动态拉伸 力学性 能研 究进展 杨俊 杰,沈军,张 密林(哈尔滨工程大学 材料科学与化学工程学 院,黑龙江 哈尔滨 1 5 0 0 0 1)摘要阐述 了国内外对 于纤维 增强聚合物基复合 材料动 态拉伸 力学性 能 的研 究进 展,主要包括:应 变率相关 和 温度相关的宏观与细观统计本构理论,玻璃纤维和纤维束动态力学量之间的关系等。并介绍了旋转盘式杆杆型与 反射 式 S H P B型实验装置。对 目前 复合材料力学性能研究 中
2、存 在的问题提出了建议,并 对其研究前景进行 了展望。关键 词复合材料;动态拉伸;力学性 能;应变率 S t u d y o n t he Dy n a mi c Te n s i l e M e c h a n i c a l Pe rfo r ma n c e o f Fi b e r Re i n f o r c e d Co mp o s i t e s wi t h Po l y me r M a t r i x Y A N G J u n j i e,S H E N J u n ,Z H A N G Mi l i n (C o l l e g e o f M a t e r i a
3、 l S c i e n c e a n d C h e m i c a l E n g i n e e r i n g,H a r b i n E n g i n e e r i n g U n i v e r s i t y,H a r b i n,H e i l o n g j i a n g 1 5 0 0 0 1)AB S TR ACT T h e r e s e a r c h p r o g r e s s o n t h e d y n a mi c t e n s i v e me c h a n i c a l b e h a v i o r s o f fi b e r
4、r e i n f o r c e d c o mp o s i t e s w i t h pol y me r ma t r i x wa s i n v e s t i g a t e d i n t h e p a p e r,wh i c h i n c l u d e d t h e ma c r o an d mi c r o s t a t i s t i c al c o ns t i t u t i v e t h e o r y r e l a t e d t o t he s t r a i n r a t i o a n d t e mp e r a t u r e,
5、and t h e r e l a t i o n s h i p o f d y n a mi c me c h a n i c al b e h a v i o rs be t w e e n g l a s s fi be r a n d fi b e r s tr a n d T h e e x p e r i me n t a l a p p a r a t u s o f t h e r o t a t i n g c i r c u l ar p l a t e i mp a c t b a r s y s t e m a n d r e fl e c t i v e S H P
6、 B t y p e s y s t e m w e r e d e mo n s t r a t e d i n d e t a i l T h e s u g g e s t i o n o n t h e r e s e a r c h o f me c h a n i c al perf o r m an c e o f c o mp o s i t e s i s d e v e l o pe d and the f lu t U r e p r o s pe c t i s p r e d i c t e d K E Y WOR D S F i ber r e i n f o r
7、c e d c o m p o s i t e s;n ami c t e n s i o n;Me c h a n i c al b e h a v i o r;S t r a i n r a t i o 1 引 言 聚合物基复合材料 以其 比强度 高、比模量大 以 及优异的耐腐蚀性能,在航空、航天、国防军工 以及 交通运输、化工和建筑等领域 占据 着不 可替代 的巨 大市场。近年来,对于纤维复合材 料在动 态载荷下 的力学性能、变形和破坏机理的研究 愈来愈受到工 程界和学术界的关注 卜 J,日益成为研究热点。H a r d i n g 和 we l s h l 4 一 分别对编织状 C F
8、 R P、G F R P 和 K F R P三种纤 维增强复合 材料进行 冲击拉伸,比 较不同纤维增强的复合材料对应变率 的敏感度;还 对不 同纤维含量的复合材料采用不同编织方法(如 平面编织、缎面编织 等)以及不同的加载方 向(增强 纤维与外加载荷的取 向不 同)对应 变率 的敏感度进 行比较。研究结果表 明,应变率效应 明显受复合材 料增强结构(不同纤维、不同编织方法)、增强纤维与 基体之问相互作用 的影 响。在国内,比较有代表性 的工作是夏渊明等 7 】所完成的对纤维束及单 向纤 维增强复合材料层合板 的应变率相关性 的大量研*通讯联 系人 究,建立了应变率相关和温度相关 的宏观与细观统
9、 计本构理论。其他研究人员也做 了大量研究,取得 了一定成果。2国内研究 现状 夏源明l l。等 自行研制 了旋 转盘式杆杆型 冲击 拉伸实验装置,旋转盘式杆杆 型冲击拉伸试验装置 及其试验原理的示意图见图 1。在此实验装置上成 功地实施 了单 向玻璃纤维 环氧树脂复合材料、碳纤 维 环氧树脂复合材料的冲击拉伸实验,并获得了应 变率为 1 0 0 0 s 的应力 一应变曲线。碳纤维 环氧树 脂复合材料 的冲击拉伸实验结果表明,碳纤维 环氧 树脂复合材料是与应变率无关的材料,冲击加载 时 仍然为脆性(简称 高速脆性)。玻璃纤维 环氧树脂 复合材料是应变率相关材料,冲击加载时仍然为韧 性(简称高速
10、韧性)。在更大的应 变率范围内,对单 向玻璃纤维 环氧树脂复合材料 的动态力学性能进 行了进一步研究,发现当应变率大于 1 3 0 0 s 时,玻 纤维复合材料 2 0 0 9正 1 一锤头;2 一撞 块;3 一前 置金 属 短 杆;4一输 入 杆;5 一试件;6一输出杆;7 一应变 片 图 1 冲击拉伸试验装置及其试验原理示意图 在进 一步改进上 述实验技 术 的基础 上,袁建 明l 1 引 等对玻璃纤维束进行了较 大应变率范 围的冲 击拉伸实验,获得纤维和纤维束动 态力学量之 间的 关系,提出用纤维束的冲击拉伸实验来确定纤维动 态模量和动态强度参数 的方法。王镇“等对玻璃 纤维束实施不同应
11、变率和不同温度下的冲击拉伸实 验,建立了纤维和纤维束力学性能的应变率相关、温 度相关的统计本构方程,为研究单向复合材料 冲击 拉伸断裂机理提供了理论依据。在分析复合材料的 冲击拉伸实验结果,特别是卸载实验结果和瞬态温 升试验的结果基础上,夏源 明 等提出了完整 的复 合丝束模型,描述单向复合材料应变率相关 的力学 性能,推出了复合材料在 冲击拉伸载荷下 的一维本 构方程:设复合丝束 的模量为 E。,C点 的割线模 量为。,复合丝束的合力为,则有=a m A y(Nn)(1)Pc 州(Nn),、B C L z 或:l 一 =1 (3)肌=c c:E 0 c(1 一 )(4)(4)式即为复合丝束模
12、型所确定的基本本构方 程。韩小平 等以 C F R P和 G F R P两种复合材料为 例,研究正交复合材料在冲击载荷作用下的拉伸力 学性能。推导了应力 一应变的计算公式。对 C F R P、G F R P层合板进行 了冲击拉伸实验研究,得到不同加 载率下两种层板的应 力 一应变(o 一)曲线,以及断 裂强度、拉伸模量、断裂应变 随加载速率 的变化规 律,并获得对冲击拉伸载荷下复合材料层合板动态 力学行为和变形、破坏机理的初步认识。张子龙、程小全 等对复合材料层合板的准静 态横 向压缩特性和损伤,以及损伤后 的压缩破坏进 行了试验研究,采用 C扫描、热揭层等技术对层合 板内的损伤进行测量,并将
13、含准静态横压损伤层合 板的剩余压缩强度与低速冲击后层合板的压缩强度 进行了比较。结果表明:在横向压缩过程中存在分 层损伤起始压缩载荷值或压入深度值,以及横压载 荷极限值;小板试件各界面的分层面积沿厚度方 向 的分布和继后 的压缩破坏形式,与 S A C M A的 C A I 试 验标准的情况相异。姚学锋、杜慧英 等人利用实验模态分析方法 对碳纤维 环氧树脂编织 复合材料的动态力学特性 进行了初步的实验研究,确定 了编织复合材料梁和 复合材料管的振动模态参数与传递函数,并与钢质 梁和钢质管的动态性能相 比较。结果表 明,在冲击 脉冲载荷作用下,先进编织结构复合材料与传统金 属材料相比,编织复合材
14、料具有较高的固有频率和 阻尼比,比刚度大、稳定性好、对 冲击脉冲载荷作用 的减震效果 良好。这为进行编织复合材料的冲击拉 伸实验奠定了一定基础。沈军 等为 对 纤维 缠绕 聚合物 基 复合 材 料(F W R P)压力容器进行可靠性设计和安全测评,引入 可靠性理论;应用统计学原理,以同一失效概率为标 准进行 F WR P压力容器结构设计,以取代 目前应用 的传统安全系数法设计。通过大量实验研究获得纤 维强度、缠绕角、几何尺寸、爆破压力 等随机变量特 征值。G F WR P压力容器结构可靠性设计值(纤维缠 绕壁厚)与实验结果基本吻合,并明显小于传统安全 系数法设计值。通过对不 同纤维强度随机分布
15、下,可靠性分析结果的比较,确知纤维强度的离散程度 是 F wR P压力容器可靠性设计 的重要影响因素。可 靠性设计实现 了安全性与经济性的有效统一。3 国外研究现状 K a w a t a J 和 H a r d i n g J 几乎 同时在 自行 改制的 冲击拉伸试验装置分离式压杆装 置(S H P B)上 分别得到了应变率 为 1 0 0 0 I s的纤维织物增 强和单 向碳纤维增强复合材料的应力应变曲线,并进行了 复合材料动态力学性能 的研究。后来,经改装过的 S H P B广泛应用于复合材料的冲击拉伸实验上。J H a r d i n g 认为 复合材料 冲击拉 伸实验所面 4期 杨俊
16、杰 等:聚合物基复合 材料 动态拉 伸力学 性能研究进展 4 5 临的困难是:试样尺寸在适合实验装 置的同时难 以 避免应力集 中效应 的出现,并利 用实验数据对实验 中观察到的破坏状态建立三维 网格模型,以分析复 合材料在冲击拉伸载荷下的应力分布。I S C h o c r o n 通 过 S H P B装置和数据 自动采集 平行 光源 卡,分别获得芳纶和聚 乙烯纤维增 强复合材料的应 力 一应变、应力 一应变率、应变 一应变率 曲线,实验 结果表明这些复合材料的拉伸强度随应变率的上升 而变大,最大应变却随之减小。图 2 反射式 S H P B装置示意 图 C T S u n 等通过冲击拉伸
17、 实验建立模 型,用 来预测热塑性复合材料层合板的应变率相关力学响 应。利用 S H P B装置,基 于有 限元 理论建立三维粘 弹性模型来描述玻璃纤维 聚合 物基对称 层合板的 高应变率力学响应。并在应 变率达到 1 0 0 0 s时,将 模型分析所得结果与实验结果进行对 比分析,得 出 低应变率粘弹性模型同样适用于高应变率响应分析 的结论,这为深入研究复合材料层合板 的动态力学 行为提供 了实验依据。反射式 S H P B装置的试验原理基于 以下两个基 本假设 J:(1)平截面假设 假设输入杆、输 出杆和试样 的任意横截面在波 的传播过程中始终保持平面,即在输入杆、输 出杆和 试样 中传播
18、单 向应力状态的一维应力波。假设输入 杆和输出杆中的应力波为一维线弹性波。此假设实 际上忽略了输入杆、输 出杆 和试样 中质点 的横 向惯 性效应。(2)试样 中应力、应变沿轴 向均匀性 假设试样中应力、应变沿轴向均匀,忽略 了试样 中质点的纵 向惯性效应,也就是忽略 了波在试样 中 的传播效应,使细杆的动力学方程简化为一维杆的 动力学平衡方程,即一维线弹性应力波方程。依据一维应力波理论可导 出试样应 变率、应变 和应力方程依次如下:)=s f(f)(t)=(t)d t 仃()=,q _E A s ()(5)(6)(7)式中、E、C 依次为杆(装 置中撞击杆、输入杆 和输 出杆横截面积及材料性
19、质都相 同)的横截面积、杨氏模量和冲击杆速度;而,J、分别是试样测试 长度和横截面积;(t)和 s,(t)分别是作用在试样 上的人射波和透射波的应变值,分别通过输入杆和 输出杆上的应变片得到。4 前景及展 望 综上所述,国内外学者专家所进行 的大量实验 研究 已较好地描述 了纤维增强聚合物基复合材料的 宏观动态力学性 能,并建立起 了复合丝束模型一维 本构方程。但大部分工作只对单 向复合材料和复合 材料对称铺设层合板在动态拉伸载荷下的力学性能 进行 了研究,对正交铺层和其他任意铺 层复合材料 层合板 的冲击拉伸性能研究报道甚少。众所周知,树 脂 基 复 合 材 料 的 力 学 性 能 存 在
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- 聚合物 复合材料 动态 拉伸 力学性能 研究进展
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