1  引言

       碳纖維及其復合材料具有高比強度、高比模量的特點，目前已應用于航天產品的外層材料、人造衛星、火箭機架、殼體和天線構架。隨著科學技術的發展，人們又相繼開發出高強度、高模量MJ系列碳纖維，這類纖維與高韌性熱固性樹脂復合時可大大改善其破壞韌性，更適于飛機、航天飛行器、導彈等的結構材料。

       中、低模量碳纖維復合材料的測試比較容易實現。由于高強度、高模量碳纖維復合材料具有顯著的各向異性，拉伸試驗時存在試樣破壞異常的情況，不能真實地反映材料性能。試樣斷裂形式多為根部斷裂及加強片脫落，測試數據偏低、數據離散性大。目前國內尚未制定出針對高強度、高模量碳纖維單向板拉伸性能測試的方法。筆者結合IN-STRON6025電子萬能試驗機，對高強度、高模量碳纖維單向板拉伸性能的測試進行了探索和分析，為制定高強度、高模量碳纖維單向板拉伸性能測試的試驗方法提供依據。

2  試樣制備及試驗方法

2.1試樣制備

       將厚度為0.1 mm的高強度、高模量碳纖維預浸料粘合成縱向10層，橫向20層疊層板，按相關固化工藝制備成縱向、橫向層合板，經機加工切割成長、寬度不同的試樣，試樣尺寸見表1。在縱向層合板試樣兩端粘貼1. Smm厚的鋁合金加強片，橫向層合板試樣兩端粘貼2mm厚的鋁合金加強片，加強片的粘貼采用Redux 420膠粘劑。制成的試樣形狀見圖1。 2.2試驗設備及試驗方法

       在IN STRON-6025電子萬能試驗機上進行力學性能測試，用lOOkN載荷傳感器進行力值測量，用D H-3815靜態應變測量儀進行應變測量，最后運用IN STRON-6025電子萬能試驗機的Series- IX軟件進行數據處理。

3試驗控制

       拉伸性能是最基本的材料力學性能，高強度、高模量碳纖維復合材料拉伸性能測試包括縱向(0°)拉伸強度及拉伸模量、泊松比及橫向(90°)拉伸強度和拉伸模量。盡管拉伸試驗方法很簡單，但由于高強度、高模量碳纖維復合材料性質和結構的原因，其拉伸試驗仍會出現一系列問題。主要問題是難于在整個標距段建立均勻的應力狀態并保證破壞發生在工作部分以內。這些特點使高強度、高模量碳纖維復
合材料測試難度加大，復合材料的試驗結果分析變得復雜。筆者從制定試驗方法、試驗拉伸速度、試驗夾具、試樣裝卡等方面進行了研究，從而制定出一套適合于高強度、高模量碳纖維復合材料拉伸性能測試的試驗方法。

3.1試樣尺寸的選擇

       碳纖維復合材料單向拉伸試樣分三個部分，即一個標距部分，兩個過渡段和兩個加載段。在試樣標距段上測量變形，并按其幾何尺寸和載荷量計算應力：過渡段用來減少同試樣夾持和外載有關的應力干擾（端頭效應）；加載區用作在試驗機上夾緊試樣、承受拉伸載荷并將其傳遞到試樣標距段上。因高強度、高模量碳纖維復合材料具有高各向異性，在測定彈性常數和強度時，它們對應力均勻狀態的要求是不同的，故一般采用不同形狀的試樣進行研究。其中直條型試樣形狀簡單，易于加工，在一根試樣上可以同時測定拉伸強度、拉伸模量和泊松比，因此對高強度、高模量碳纖維復合材料進行測試時選用直條型試樣。

       由于碳纖維復合材料是脆性材料，碳纖維復合材料在靜載下受均勻應力時，對尺寸效應較敏感。對于較厚試樣，隨其拉伸強度的減小，由于試樣橫截面積增大會使出現缺陷的可能性增加；較薄試樣的強度降低則是由于表面損傷進而造成連續介質破壞所致（層片數量不夠）。只有當單層片超過6片以上鋪疊成試樣時，力學性能才趨于穩定。拉伸試樣應具有足夠的長度，以保證標距段應力的均勻性。增加試樣的長度可以降低由于加載的偏心引起的附加彎矩，但是試樣越長，試樣中可能存在的缺陷越多，如試樣的平面度、平行度。所以，應對厚度不同、試樣長度不同的高強度、高模量碳纖維復合材料進行測試，從中選出滿足拉伸性能試驗的試樣尺寸。

3.2試驗夾具的選擇

       拉伸試驗是利用夾具與試樣之間摩擦力進行的，夾具應和試樣的縱向軸線成一直線，并且與作用在試樣寬度和厚度平面上的載荷方向一致。對于高強度、高模量碳纖維復合材料，應保證試樣對中，因為它對垂直于增強纖維方向的方位極敏感，并且常在夾頭中打滑。對于所測試樣的夾持，應當有足夠的橫向壓力，以防止夾具表面與加強片之間產生滑動。由于碳纖維復合材料單向板的高各向異型特點，試驗裝卡要保證對中。當試驗機的加載軸與試樣的幾何中心不一致時，在受力過程中，由于缺乏自身形變機制，附加彎曲應力很大，使整個標距段的應變分布不均勻，致使試樣提早破壞。另外，在試驗機夾頭中的試樣若有些歪斜，常會引起滑動，影響測量結果。因此，測試高強度、高模量碳纖維單向板拉伸性能，選用表面刻有節距為Imm的±45。花紋的鋼制鉗口，摩擦系數廠在0. 26～0. 32范圍內的自鎖楔形夾具。

3.3加載方式的選擇

       由于碳纖維復合材料基體的蠕變對材料的影響主要取決于加載速度和加載條件（分級加載和連續加載），在同一根試樣上測試拉伸強度、拉伸模量和泊松比，其加載方式要有所不同。測定材料彈性性能時，要保證試樣標距段內有均勻的應力狀態，加載方式選擇為分級加載；測試強度性能時，要減小試樣任一部位應力集中的影響，保證試樣在標距段內破壞，加載方式選擇為連續加載，直至試樣破壞。

3.4加載速度的選擇

       若在同一根試樣上測定拉伸強度、拉伸模量和泊松比，其加載速度要有所區別。測定材料彈性性能時，拉伸速度V= Imm/ min。測試強度性能時，分縱、橫向試樣，縱向拉伸強度速度V= 6mm/ min；由于橫向拉伸強度比縱向拉伸強度約低20～40倍，加載一定要平穩，防止沖擊以免試樣提前破壞，測定橫向拉伸強度時，拉伸速度選擇V= Imm/ min。

資料下載：   高強度_高模量碳纖維復合材料拉伸性能測試方法的研究.pdf