IV碳纖維復(fù)合材料力學(xué)性能測(cè)試及分析案例報(bào)告目錄TOC\o"1-3"\h\u10179碳纖維復(fù)合材料力學(xué)性能測(cè)試及分析案例報(bào)告 1149651.1拉伸性能測(cè)試及分析 1317241.1.1拉伸試樣制備 1120531.1.2拉伸性能相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及表征 3169911.1.3應(yīng)力-應(yīng)變曲線及拉伸強(qiáng)度 420161.1.4斷裂形態(tài)相貌分析 5266721.2彎曲性能測(cè)試及分析 7266161.2.1彎曲試樣制備 7114991.2.2彎曲性能相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與表征 8240301.2.3應(yīng)力-應(yīng)變曲線及拉伸強(qiáng)度 996131.2.4斷裂形態(tài)相貌分析 111.1拉伸性能測(cè)試及分析1.1.1拉伸試樣制備在本課題中拉伸試樣的制備按照GB/T1447-2005標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行制備裁樣，拉伸試樣的尺寸規(guī)格如下所示：圖4-1拉伸試樣圖（左正視圖，右側(cè)視圖）圖4-2拉伸試樣模擬圖表4-1拉伸試樣制備尺寸符號(hào)名稱尺寸（mm）L試樣長(zhǎng)度250±5L1測(cè)試長(zhǎng)度150L2加強(qiáng)片長(zhǎng)度50b試樣寬度25±1h試樣厚度2.5±0.1表4-2拉伸試樣測(cè)試尺寸規(guī)格試樣測(cè)試方向平均寬度（mm）平均厚度（mm）未改性復(fù)合材料0°251.190°251.1改性復(fù)合材料0°251.190°251.1制作試樣的過程如下：首先將固化完成的試樣從模具上拆卸下來，做好標(biāo)記，以防混淆。用記號(hào)筆畫出需要裁剪試樣的尺寸大小，標(biāo)記好試樣裁剪方向。用切割機(jī)進(jìn)行裁剪試樣操作，再將裁剪好的試樣貼好標(biāo)簽，標(biāo)注清楚試樣名稱、方向、次序等項(xiàng)目。裁剪好的試樣要進(jìn)行粘貼加強(qiáng)片的操作，貼加強(qiáng)片的目的是為了減少試樣在拉伸時(shí)拉伸機(jī)器的夾具對(duì)試樣造成的損傷失效。加強(qiáng)片規(guī)格為50mm（L）×25mm（W）×2mm（H），在加強(qiáng)片材料上進(jìn)行劃線切割。將加強(qiáng)片的光滑面用打磨機(jī)或者銼刀進(jìn)行打磨，使得加強(qiáng)片表面粗糙，增大加強(qiáng)片粘貼牢固度。粘貼使用的是302改性丙烯酸酯膠粘劑。使用時(shí)要均勻涂抹到試樣的預(yù)粘貼面，加強(qiáng)片也要進(jìn)行均勻的涂抹，涂抹厚度要適量，不得太厚也不得太薄。1.1.2拉伸性能相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及表征根據(jù)《GB/T1447-2005纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行相關(guān)拉伸實(shí)驗(yàn)。做拉伸實(shí)驗(yàn)的主要目的是為了檢測(cè)試樣的抗拉性能在拉伸過程中，拉伸速度規(guī)定1mm/min，進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)拉伸實(shí)驗(yàn)。拉伸試驗(yàn)中，一些拉伸性能指標(biāo)使得拉伸性能書面化，可視化，其主要有：（1）彈性模量，單向應(yīng)力狀態(tài)下應(yīng)力除以該方向的應(yīng)變。材料在彈性變形階段，其應(yīng)力和應(yīng)變成正比例關(guān)系（即符合胡克定律），其比例系數(shù)稱為彈性模量。（2）載荷，指零件或構(gòu)件工作時(shí)所承受的外力。（3）應(yīng)力，在所考察的截面某一點(diǎn)單位面積上的內(nèi)力稱為應(yīng)力。同截面垂直的稱為正應(yīng)力或法向應(yīng)力，同截面相切的稱為剪應(yīng)力或切應(yīng)力。（4）應(yīng)變，指在外力和非均勻溫度場(chǎng)等因素作用下物體局部的相對(duì)變形。公式如下：彈性模量計(jì)算公式：E_t=?P/(b????ε)式中：Et—彈性模量（GPa）；△P—應(yīng)力-應(yīng)變曲線初始直線段的載荷增量（N）；b—試樣的寬度（mm）；h—試樣的厚度（mm）；△ε—對(duì)應(yīng)應(yīng)力△P的應(yīng)變的增量（mm）。拉伸強(qiáng)度Fut與拉伸應(yīng)力σi計(jì)算公式：（4-2）（4-3）式中，F(xiàn)ut——極限拉伸強(qiáng)度，MPa；Pmax——破壞前最大載荷，N；σi——第i個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)拉伸應(yīng)力，MPa；Pi——第i個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)載荷，N；A——試樣平均截面面積，mm2。1.1.3應(yīng)力-應(yīng)變曲線及拉伸強(qiáng)度在進(jìn)行完拉伸式樣測(cè)試以后，由實(shí)驗(yàn)所得的原始數(shù)據(jù)用origin2019b繪圖軟件做出應(yīng)力-應(yīng)變曲線，得到如下所得應(yīng)力應(yīng)變曲線：圖4-3拉伸0°方向加納米（左）與不加納米（右）圖4-4拉伸90°方向加納米（左）與不加納米（右）由上面的四個(gè)應(yīng)力-應(yīng)變曲線去可以看出，在加入納米粒子與不加納米粒子的圖片相對(duì)比，可得加入納米粘土前后曲線走向大致相同，不加納米粘土的試樣曲線經(jīng)歷了經(jīng)典的應(yīng)力應(yīng)變曲線四個(gè)階段，各個(gè)階段的圖像均明顯體現(xiàn)出來，甚至在局部變形階段經(jīng)歷了多次的上升下降。反而加入納米粒子的應(yīng)力-應(yīng)變曲線平滑順直，說明應(yīng)力整體集中，不加納米粘土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線較加入納米粒子的應(yīng)力-應(yīng)變曲線沒有那么平滑順直，可以得出應(yīng)力整體不集中，分散在應(yīng)力-應(yīng)變曲線各個(gè)階段。開始載荷時(shí)，都是先由環(huán)氧樹脂承受應(yīng)力，伴隨著環(huán)氧樹脂的強(qiáng)度降低，環(huán)氧樹脂發(fā)生變形，緊接著與纖維剝離，繼而纖維開始承擔(dān)所承受的主要載荷；由于碳纖維的強(qiáng)力也較高，此時(shí)承受的載荷也會(huì)繼續(xù)大幅度上升；當(dāng)載荷達(dá)到一定程度后，纖維斷裂就會(huì)開始，隨著纖維斷裂數(shù)增加，斷裂面逐漸出現(xiàn)，樹脂、纖維與樹脂、纖維都得到不同程度的剝離、抽拔等不同形式的斷裂。在斷裂過程中，雙軸向0/90°、雙軸向±45°還會(huì)出現(xiàn)纖維由松散到緊縮的纖維聚合過程，此過程也會(huì)承擔(dān)一部分應(yīng)力。從整體對(duì)比分析可得，加入納米粘土后，碳纖維復(fù)合材料力學(xué)性能會(huì)得到不同程度的提升。加入納米粘土后，試樣0°方向的力學(xué)性能比90°方向的力學(xué)性能要提高的程度大，0°方向提高大約24%，90°方向提高大約14%。1.1.4斷裂形態(tài)相貌分析在進(jìn)行完拉伸實(shí)驗(yàn)后觀察到試樣的斷裂外貌，雙軸向0/90°與單軸向都出現(xiàn)了整齊的斷裂面，在雙軸向碳纖維±45°的試樣上，呈現(xiàn)出“<>”狀的拉伸斷裂痕跡，在此狀態(tài)下進(jìn)行了掃描電鏡觀察，所得圖片如下所示：圖4-50/90°加納米粘土90°方向截面形態(tài)圖4-60/90°不加納米粘土90°方向截面形態(tài)圖4-70/90°加納米粘土0°方向截面形態(tài)圖4-80/90°不加納米粘土0°方向截面形態(tài)圖4-9單軸向加納米粘土0°方向截面形態(tài)圖4-10單軸向不加納米粘土0°方向截面形態(tài)從電鏡掃描截面形態(tài)相貌看來，原本在肉眼看來整齊的斷裂面在放大倍數(shù)后觀察到的截面形貌時(shí)層次不齊的。雙軸向0/90°碳纖維復(fù)合材料在不加納米粘土情況下會(huì)出現(xiàn)樹脂基體與纖維結(jié)合不緊密，纖維抱合度不高，形成較少的纖維聚集，也形成了沒有樹脂和纖維的空隙。反觀加入納米粘土的同種織物同種方向，較不加納米粘土的織物樹脂與纖維結(jié)合的更多，纖維抱合度更高，形成了較多的纖維聚集在一起。添加了納米粘土的試樣中，納米粘土在樹脂與纖維中分布較多且均勻，纖維表面粘黏較多的樹脂和納米粘土。說明在加入納米粘土后，在一定程度上改善了樹脂與碳纖維的界面結(jié)合力，使得基體承受的應(yīng)力更多，力學(xué)性能更好。1.2彎曲性能測(cè)試及分析1.2.1彎曲試樣制備本課題在制備彎曲試樣時(shí)按照GB/T1449-2005標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試，彎曲試樣的尺寸規(guī)格如下所示：圖4-11彎曲試樣圖（左主視，右側(cè)視）圖4-12彎曲試樣模擬圖表4-3彎曲試樣制備尺寸符號(hào)名稱尺寸（mm）L試樣長(zhǎng)度50±0.1L1測(cè)試跨距19.2b試樣寬度13±0.1h試樣厚度1.2±0.1表4-4彎曲試樣測(cè)試尺寸規(guī)格試樣測(cè)試方向平均寬度（mm）平均厚度（mm）測(cè)試跨距（mm）未改性復(fù)合材料0°12.71.219.290°12.71.219.2改性復(fù)合材料0°12.71.219.290°12.71.219.2制作試樣的過程如下：首先將固化完成的試樣從模具上拆卸下來，做好標(biāo)記，以防混淆。用記號(hào)筆畫出需要裁剪試樣的尺寸大小，標(biāo)記好試樣裁剪方向。用切割機(jī)進(jìn)行裁剪試樣操作，再將裁剪好的試樣貼好標(biāo)簽，標(biāo)注清楚試樣名稱、方向、次序等項(xiàng)目。共裁剪5個(gè)試樣，試樣尺寸為50mm（L）×1.2mm（W）。1.2.2彎曲性能相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與表征根據(jù)《GB/T1449-2005纖維增強(qiáng)塑料彎曲性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行試驗(yàn)，主要進(jìn)行沿試樣0°、90°方向的彎曲性能。做彎曲實(shí)驗(yàn)的主要目的是為了檢測(cè)試樣在三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)中的力學(xué)性能，在彎曲過程中，彎曲速度規(guī)定2mm/min，進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)彎曲實(shí)驗(yàn)。彎曲試驗(yàn)中，一些彎曲性能指標(biāo)使得彎曲性能書面化，可視化，其主要有：（1）彈性模量，單向應(yīng)力狀態(tài)下應(yīng)力除以該方向的應(yīng)變。材料在彈性變形階段，其應(yīng)力和應(yīng)變成正比例關(guān)系（即符合胡克定律），其比例系數(shù)稱為彈性模量。（2）彎曲載荷，指零件或構(gòu)件工作時(shí)所承受的外力。（3）彎曲應(yīng)力，在所考察的截面某一點(diǎn)單位面積上的內(nèi)力稱為應(yīng)力。同截面垂直的稱為正應(yīng)力或法向應(yīng)力，同截面相切的稱為剪應(yīng)力或切應(yīng)力。（4）彎曲應(yīng)變，指在外力和非均勻溫度場(chǎng)等因素作用下物體局部的相對(duì)變形。公式如下：彈性模量計(jì)算公式：E_t=?P/(b????ε)式中：Et—彈性模量（GPa）；△P—應(yīng)力-應(yīng)變曲線初始直線段的載荷增量（N）；b—試樣的寬度（mm）；h—試樣的厚度（mm）；△ε—對(duì)應(yīng)應(yīng)力△P的應(yīng)變的增量（mm）。拉伸強(qiáng)度Fut與拉伸應(yīng)力σi計(jì)算公式：（4-2）（4-3）式中，F(xiàn)ut——極限拉伸強(qiáng)度，MPa；Pmax——破壞前最大載荷，N；σi——第i個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)拉伸應(yīng)力，MPa；Pi——第i個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)載荷，N；A——試樣平均截面面積，mm2。1.2.3應(yīng)力-應(yīng)變曲線及拉伸強(qiáng)度在進(jìn)行完彎曲試樣測(cè)試后，由實(shí)驗(yàn)所得的原始數(shù)據(jù)用origin2019b繪圖軟件做出應(yīng)力-應(yīng)變曲線，得到如下所得應(yīng)力應(yīng)變曲線圖：圖4-13彎曲0°方向加納米（左）與不加納米（右）圖4-14彎曲90°方向加納米（左）與不加納米（右）由上面的四個(gè)應(yīng)力-應(yīng)變曲線去可以看出，在加入納米粒子與不加納米粒子的圖片相對(duì)比，可得加入納米粘土前后曲線走向大致相同，在彎曲應(yīng)力應(yīng)變曲線四個(gè)階段中，各個(gè)階段的圖像均明顯體現(xiàn)出來，甚至在各階段彎曲應(yīng)力經(jīng)歷了多次的上升下降。彎曲應(yīng)力在加入納米粘土后普遍高于不加納米粘土，而且其應(yīng)變也在加入納米粘土后得到增強(qiáng)。開始載荷時(shí)，都是先由環(huán)氧樹脂承受彎曲應(yīng)力，伴隨著環(huán)氧樹脂的強(qiáng)度降低，環(huán)氧樹脂發(fā)生變形，緊接著與纖維剝離，繼而纖維開始承擔(dān)所承受的主要載荷；由于碳纖維的強(qiáng)力也較高，此時(shí)承受的載荷也會(huì)繼續(xù)大幅度上升；當(dāng)載荷達(dá)到一定程度后，纖維斷裂就會(huì)開始，隨著纖維斷裂數(shù)增加，斷裂面逐漸出現(xiàn)，樹脂、纖維與樹脂、纖維都得到不同程度的剝離、抽拔等不同形式的斷裂。從整體對(duì)比分析可得，加入納米粘土后，碳纖維復(fù)合材料力學(xué)性能會(huì)得到不同程度的提升。加入納米粘土后，試樣的彎曲性能要提高的程度大。1.2.4斷裂形態(tài)相貌分析圖4-15彎曲試樣斷裂形貌從圖中可以看出，不同鋪層碳纖維作為增強(qiáng)體，它的彎曲形態(tài)也會(huì)不同