正交玻纤复合材料拉伸试验

1、正交玻纤/环氧复合材料两个方向的对比拉伸实验摘要：玻璃纤维增强环氧树脂是玻璃钢的一种。本文记录了正交玻纤/环氧复合材料两个方向的对比拉伸实验过程和结果，描述了玻璃纤维增强环氧树脂的一些力学性能，并且结合材料的微观结构，对其宏观力学性能的不同做出了解释；同时，概述了玻璃纤维增强环氧树脂的一些应用并提出了展望。关键词：玻璃纤维；环氧树脂；复合材料；应力集中；引言：相比传统材料，复合材料具有一系列不可替代的特性，自二次大战以来发展很快。尽管产量小，但复合材料的水平已是衡量一个国家或地区科技、经济水平的标志之一。美、日、西欧水平较高。北美、欧洲的产量分别占全球产量的33%与32%，以中国（含台湾省）、

2、日本为主的亚洲占30%。中国大陆2003年玻璃纤维增强塑料逾90万吨，居世界第二位。复合材料主要由增强材料与基体材料两大部分组成： 增强材料：在复合材料中不构成连续相赋于复合材料的主要力学性能，如玻璃钢中的玻璃纤维，CFRP（碳纤维增强塑料）中的碳纤维素就是增强材料。基体：构成复合材料连续相的单一材料如玻璃钢（GRP）中的树脂（本文谈到的环氧树脂）就是基体。按基体材料不同，复合材料可分为三大类：树脂复合材料、金属基复合材料、无机非金属基复合材料。复合材料与普通金属材料相比, 除了其细观的非均质性和宏观的各向异性外, 还具有明显的物理非线性, 且在加载过程中一般无明显的屈服点, 特别是由正交各向

3、异性单层板叠压成型的层合板即使在低应力水平时, 也有明显的非线性, 尤其以剪切非线性为突出。1.实验目的1o通过拉伸实验，观察分析正交编织复合材料在0o和45o两个方向上的拉伸过程，观察断口，比较其机械性能。2o测定材料在两个方向上的弹性模量、强度指标。3o分析玻璃纤维的弹性模量，分析强度（100cm3复合材料纤维体积分数为60%，纤维直径10m）。4o进一步熟悉电子万能材料试验机的使用。2.实验方案2.1使用设备WDW3050电子万能试验机、机械式引申计、光学引申计、计算机、游标卡尺、直尺等。2.2试样本试验采用板状切割的拉伸试样，几何形状如图1所示，采用两块试样，其拉伸方向分别为复合材料的

4、0o和45o方向。它有夹持、过渡和平行三部分组成，它的夹持部分稍大，与平行部分光滑连接，以保证试样破坏时断口在平行部分。 图1：试验件示意图2.3实验原理将试样安装在试验机的夹头中，按照教师预先规定的试验参数设定试验机（提高试验结果可比性），检查无误后开动试验机，使试样受到缓慢增加的拉力，直到拉断为止，并利用试验机采集的数据在Matlab上处理、绘图。2.4实验步骤1o测量试样原始尺寸：用游标卡尺测量试件基本尺寸，如标记段原始长度，宽度，厚度，多测几次取平均。光学引伸计实验中应该用快干墨水或带色涂料标出两个标记点。2o试验机准备： 预先开动试验机，确定试验机工作正常。打开相机，确认图像可以正常

5、采集。3o安装试样：夹持试样，使试样的纵轴与试验机的加载轴基本保持平行。4o设定实验方案： 再次检查试验机工作状态，调整相机位置，保证图像采集。5o进行试验：以预先设定的加载速度连续加载至试样破坏，记录破坏荷载和试样破坏的最大位移。6o试样断后尺寸测定：取出试样断体，观察断口情况。然后将试样在断裂处紧密对接在一起，并尽量使其轴线处于同一直线上，测量试样断后标距L（可直接用游标卡尺测量标距两端点的距离）。7o归整实验设备结束试验：完成全部测量后，将所使用的仪器设备全部复原，并将试验数据记录拷入U盘，关闭试验机。3 实验结果及分析3.1试验数据记录 表1： 实验测定的试件几何尺寸拉伸方向标记段长度

6、宽度原平均值b/mm厚度原平均值h/mm截面积A/mm2原长L0/mm改变量L/mm0o100.003.9224.601.7843.7945o22.461.5424.501.7943.863.2数据处理 表2： 实验测定的弹性模量、抗拉强度和延伸率拉伸方向抗拉强度b/MPa断后伸长率/弹性模量/GPa0o1603.92%11.7645o906.08%5.393.3结果分析3.3.1破坏过程及破坏特征加载初期试件外观等没有明显变化，加载过程中始终伴随“噼啪”的纤维断裂声，当加载到试件的极限荷载时试件破坏，此时玻璃钢纤维大部分被拉断，只有小部分相连。试件破坏典型形态见图2。 图2：玻纤/环氧复合材

7、料典型破坏图3.3.2顺纤维（0o）方向力学性能该复合材料顺纤维方向拉伸典型荷载-位移曲线、应力-应变曲线分别如图3，图4所示。 图3：0o顺纤维方向 拉伸荷载-位移曲线 图4：0o顺纤维方向 拉伸应力-应变曲线以及拟合曲线注：图中的应力为名义应力，利用荷载值除以试件截面面积得到，后文中应力均为名义应力。图3中荷载-位移曲线上升阶段基本呈一条直线，直到最大应力达到160MPa，载荷值约为7kN时材料突然断裂，说明材料是一种脆性材料。断口见图5。图4为引伸计记录的数据，截取有效段，即0.18mm对应于50mm的最大应变值3.6×10-3，算出弹性模量值约为E=11.76GPa。图5：顺

8、纤维 拉伸断口 图5所示为顺纤维拉伸时的断口，理论上应该垂直纤维方向水平断裂，图中斜断裂是材料加工问题，不是完全的顺纹加工。3.3.3 沿45o纤维方向拉伸的力学性能该复合材料沿45o纤维方向拉伸典型载荷-位移曲线，应力-时间曲线，应变-时间曲线，应力-应变曲线分别见图6，图7，图8，图9所示。图6：沿45o纤维方向 拉伸载荷-位移曲线图7：沿45o纤维方向 拉伸应力-时间曲线图8：沿45o纤维方向引伸计记录的 拉伸应变-时间曲线图9：沿45o纤维方向插值得到的 应力-应变曲线以及拟合曲线实验所用材料依旧为正交材料复合，只不过拉伸方向改为45o，材料外形见图10，本次实验采用光学引伸计，黑点为

9、标记点。经过图7和图8数据线性插值得到图9，截取线性段线性拟合，得到材料模量E=5.39GPa，由实验现象知道该方向材料依旧为脆性材料，并且模量远小于顺纤维方向。 图10：45o方向拉伸实验试件 图11：45o方向拉伸实验断口 图11所示为试件断口图，理想情况下断口应该在试件中部，但是却出现在了材料根部，为应力集中现象，因此最大强度测量值偏高。 图12: 45o方向拉伸断口图 由图12可以看到，断口为斜45o方向，即依旧沿着纤维方向断裂。3.3.4由上述图表可得到该复合材料的力学性能特点：（1）没有明显拉伸屈服点，破坏征兆不明显，属于脆性材料。（2）弹性性能良好，直到破坏前，应力-应变基本成线

10、性关系。（3）顺纤维方向拉伸强度超过45o纤维方向，即表现出明显的各向异性。（4）复合材料性能不是组分性能的简单叠加，还与空间排布等因素有关。 3.3.5 微观分析： 表3： 复合材料及其组分性能参数材料 拉伸弹性模量/GPa抗拉强度/MPa复合材料（实验结果） 11.67 160环氧树脂（通常） 1.384.14 约80玻璃纤维（通常） 100300直拉伸时，试件的微观结构如图9（a）示，这样的结构在承受竖直方向上的作用力时，顺纤维方向上的纤维主要承受轴向力，而垂直于力方向上的纤维则承受力较小，这样，当试件承受的力很大以致试件断裂时，承受轴向力的纤维发生断裂而垂直于力方向的纤维仍然受力很小不

11、会发生严重变形，这样的约束条件下，试件的断裂就会沿着水平纤维方向发生。断裂处取决于材料最薄弱的地方。 （a） （b） 图9：纤维微观结构斜拉伸，由于纤维斜编织，所以更容易错位，导致应力更多的分布在强度小得多的环氧树脂上，导致环氧树脂更易于被破坏，导致材料结构失稳，进而导致断裂。断口应该沿45o方向，因为该方向有效纤维数量最少。如表3：环氧树脂强度为所测复合材料强度一半，与两次拉伸的结果相符（160:90），可以佐证猜想。现做计算估计：复合材料的强度表达式为：e=fVf+m(1-Vf) 式中，e，f，m分别表示复合材料、纤维和基体的强度。带入实验数据、体积分数为60%，估测玻璃纤维强度约200M

12、Pa，符合表3预测。由基本混合定律，复合材料弹性模量的表达式为：Ee=EfVf+Em(1-Vf)式中，Ee，Ef，Em，Vf分别表示复合材料、纤维和基体的弹性模量，以及纤维的体积分数。带入实验数据、体积分数为60%，估测玻璃纤维弹性模量约17GPa。结论：复合材料破坏模式主要是由于增强叠层形式、各组成的材料的力学性能及组分间的作用，工艺缺陷、以及试样尺寸所决定。玻璃纤维环氧树脂是脆性材料，没有明显拉伸屈服点，破坏征兆不明显，并且有明显的各向异性。因此，复合材料的力学性能可以设计，可以通过选择合适的原材料和合理的铺层形式使复合材料构件满足各种不同的使用要求。参考文献：1 张磊、孙清、王虎长等，E玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料力学性能试验研究，电力建设（Electric Power Construction），2010年9月，第31卷第9期，118页2 汪文学、高雄善裕，正交各向异性复合材料板的非线性弹性应力应变关系，固体力学学报（ACTA MECHANICA SOLIDA SINICA），1991年12月，第12卷第4期，353358页3 孙丽莉，玻璃纤维增强树脂基复合材料的细观破坏研究，2009年5月，博士论文附录：延伸率计算公式：顺纤维方向拉伸：=LL