新型热塑性复合材料拉伸性能的检测方法研究

热塑性复合材料的拉伸性能是热塑性复合材料在外界拉伸力作用下表现出来的性能，它反映了复合材料抵抗外界拉力破坏能力的强弱。拉伸性能是复合材料最基本和最重要的力学性能。对复合材料的拉伸性能进行测试研究，不仅可以确定复合材料的拉伸性能指标参数，而且还可以分析影响拉伸性能的因素及其关系，为复合材料拉伸性能的预测及结构设计提供理论依据。一、现状研究1.现有检测标准的试样形状及构造目前在做复合材料力学拉伸测试时，一般沿用ASTMD3039（图1）、ISO527-4、ISO527-5[3-5]（图2）等复合材料的相关测试标准把待测样件固定到测验机上（图3）。通常加强片材质可以是金属、复合材料或塑料等，加强片共计4片。加强片能够尽可能确保在测试过程中，试样件可以在中间的工作段（即没贴加强片的位置）发生有效断裂，最大程度的避免试验机夹持样件根部时产生应力集中而造成两端根部断裂（非工作区断裂，非有效断裂）。该测试方法在热固性复合材料中测试已经得到了大量的有效及系统性的验证，实践证明其测试方法准确可靠。目前热塑性复合材料测试在全球范围内基本沿用了传统的在热固性领域已经得到充分验证的ASTMD3039和ISO527等相关测试方法。但是随着复合材料技术的不断发展，尤其是各类新型的热塑性复合材料的不断涌现，包括但不限于PP、PA、PBT、PET、PC、PPO、POM、PSU、PCTG、PEI、PEEK、PPS、PEAK等。图1标准ASTMD3039拉伸试样图2标准ISO527拉伸试样图3复合材料拉伸试样固定及测试方法2.现有检测标准试样的缺陷和不足之处（1）缺陷。因大部分热塑性复合材料其树脂缺乏一些活性的官能团，如PP等材料。在粘贴加强片表面时，常规的各类胶黏剂如聚氨酯、环氧、丙烯酸等各类体系很难在复合材料基材形成的有效化学键，因而与胶黏剂很难形成有效的粘结。即使是对热塑性基材进行各种表面处理和活化，如表面粗化、打磨、化学底涂、等离子处理、火焰处理后均难以实现非常强有效的粘接，加强片在各类测试中尤其是带环境温度及条件测试下特别容易脱落（图4）。但如果测试样品表面两端不贴加强片，测试样件断裂情况会非常复杂，断裂区域分布比较随机。即可能在中间工作段断裂，也可能在两端应力集中区域断裂，也可能会出现其它异于理想失效破坏形式的破坏。从而造成试验测试的数据不可靠，随机性和离散型偏大，标准差和离散性偏大，测试值偏小等情况。因而急需对现有的测试方法进行改善，本发明是在此基础上对热塑性复合材料测试试样在不影响测试结果的前提下，对试样的造型和设计进行改进，从而去掉贴加强片的步骤，简化操作试样的制备流程，且能够充分发挥热塑性复合材料试样的性能，使其在理想的测试工作区域内按照理想的失效模式破坏，从而得到准确的测试数据（拉伸数据，包括强度、模量和泊松比等）。图4常见热塑性复合材料拉伸加强片脱粘问题同类产品的描述见（图1，图2和图3）。（2）不足之处。①原有方法试样制备繁琐、热塑性基材表面处理困难、人工耗费多，拉伸试样难以与加强片进行有效的粘合、加强片在测试时容易脱落；②加强片脱落造成拉伸试样测试不在工作区域内按照设计的失效模式进行破坏，从而造成测试结果和数据的不准确。图5拉伸试样加强片易脱落区域示意图二、新型检测方法研究1.拟解决的技术问题本方法从两个角度入手，解决目前问题：（1）对拉伸试样造型和尺寸进行重新设计（见修改后设计附图），从而在制作拉伸样件时，确保试样夹持的根部两端有更多的纤维材料和基体材料，从而保证端部抗拉强度；（2）测试前，如果液压夹具能够有效夹持试验不滑移，将拉伸试样直接在夹持的根部两端。如果液压夹具有滑移的可能，为了防止滑移，可在试样上包上一层砂纸即可（如图6所示）。图6砂纸包裹夹持防滑移方案2.新型检测方法结构关系和试验效果（1）结构关系。热塑性复合材料的拉伸试样根部部位，在试样制作时，比中间工作段具有更多的纤维和树脂基体，保证了试样端部抗拉强度，在拉伸性能测试过程中产生较大夹持应力情况下不会断裂。同时由于根部具备较强抗拉强度，在实际测试中，确保试样可在工作段断裂，测得的性能数据具备参考价值。该新型试样，将原试样总长度从250mm加到315mm，使得中间段具备足够空间；同时将夹持部位从原50mm加长到55mm，该设计确保夹持部位具备更牢固的夹持效果；夹持部位到中间段的过渡段，考虑到不破坏及打断连续纤维，固设计了超大R角，确保材料拉伸性能的数据可靠性；与此同时，综合上述尺寸，试样宽度方面设计了20mm的宽度。试样的具体结构和图片如图7所示描述。图7新型热塑性复合材料拉伸试样设计及加工方案试样两端在砂纸的包裹作用下，使整体有较强的抗摩擦系数，测试过程确保试样不会因为受力而产生位移及滑脱，更好的确保了性能数据的可靠性和真实性。（2）试验效果。新型热塑性复合材料拉伸试样的方案，经过实际拉伸性能的测试，测试后所达到的理想断裂破坏，即在中间工作段断裂，真实体现了热塑性复合材料的拉伸性能，具备极强的设计参考，如图8（拉伸试样测试前）和图9（拉伸性能测试后）所示。图8新型热塑性复合材料拉伸试样图9新型热塑性复合材料拉伸试样拉伸性能后破坏照片3.本新型检测方法的其他收益本新型检测方法除了能反应材料真实的拉伸性能外，还具备许多额外的收益。（1）节约材料：从辅助材料来看，该试样省去了原先的4个端部加强片，也同时不再需要用于粘接试样与加强片的粘结剂；（2）节约人力：不论试样采取先制备后粘接或先粘接后制备的制样模式，均不再需要人力因素做粘接处理；（3）从整体检测周期来看，该新型试验及检测方法极大程度缩短了检测流程周期，提高了效率，具备可持续发展特点。三、本新型方法的数据参考和对比通过结合实际反复的检测效果和数据，经过归纳与设计，得到了本新型检测方法相对应的试样尺寸，该设计便于得到理想的拉伸性能检测结果。尺寸总结了新型试样的关键尺寸，以及新型试样与原标准拉伸试样的对比，具体设计尺寸如表1与表2所示。四、结论伴随热塑性复合材料的优异性能和其对应的迅猛增长势头，应用的方向领域日趋增多，对力学性能包括拉伸性能的测试技术也提出了与时俱进的要求。新型的拉伸性能检测方法的研究及试验，成功突破了热塑性复