玻璃纤维束拉伸力学性能影响参数试验研究

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1、玻璃纤维束拉伸力学性能影响参数试验研究摘要：利用MTS万能试验机对不同标距（25，50，100，150，200和300mm）的玻璃�m的试样在不同应变率（40，80，120和160s-1）和不同温度（25，50，75和100℃）条件下的力学性能.结果表明，玻璃纤维束的拉伸力学性能与标距、应变率和温度具有相关性：杨氏模量随着标距和应变率的增加而增大，但随着温度的增加而减小；拉伸强度随着标距的增加而减小，随应变率的增加而增大，但随着温度的增加却呈先减后增的趋势；峰值应变随着标距增加而减小，但随温度的增加而增大.最后，利用TS微

2、机控制电子万能试验机（型号C43.304）.该试验机机架的负荷上限为30kN，数据采样频率最大可达1000Hz，控制器分辨率为20bit.试验时加载速度设定为2.5mm/min，采用1kN力传感器，采样频率设为20Hz.动态拉伸测试采用国际先进的Instron落锤冲击系统（型号Ceast9340）.本系统的冲击高度为0.03～1.10m，速度范围为0.77～4.65m/s，最大落锤重量为37.5kg，最大冲击能量为405J.冲击速度V可以自行设定，然后由落锤控制系统换算成相应的锤头下落高度H.本实验根据仪器的量程，设V为1

3、，2，3，4m/s，对应的应变率分别为40，80，120，160s-1.本研究选取25，50，75和100℃作为温度变量T进行一系列测试[10].　　对于纤维束而言，其刚度远小于仪器加载系统的刚度.为了检验MTS试验机测量误差，额外采用引伸计测量试件变形，并与试验机记录的夹持端位移进行对比，得知测量误差在2%以内，因此将夹持端的相对位移近似作为试件标距内的变形，与标距的比值即为应变值.　　2结果与讨论　　2.1应力应变曲线　　图2分别为玻璃纤维束在不同标距、不同应变率和不同温度作用下的典型应力应变曲线.从图中可以看出，在静

4、态拉伸作用下，应力应变曲线相对平滑；而在动态拉伸作用下，曲线波动较大.动态曲线的波动主要由冲击过程激发的仪器振动引起[11]，其个数随着应变率的增大而递减.从这些应力应变曲线中获得材料的基本力学性能参数：杨氏模量，拉伸强度，峰值应变和韧性.其中，杨氏模量代表曲线的线性段斜率.对于准静态曲线而言，上升段基本为线性，因此所获得的杨氏模量较为准确.而对于动态曲线而言，波动的影响使得杨氏模量的确定十分困难，因此本文以能够描述曲线整体趋势的直线斜率为代表值.相对而言，韧性的结果比较容易获得，因其代表的是应力应变曲线下的面积，表征的是

5、单位体积的变形能.具体计算公式如下：　　2.2不同标距、应变率和温度下的力学性能　　图3～5给出了玻璃纤维束的杨氏模量、拉伸强度、峰值应变和韧性与标距、应变率和温度的关系，结果表明，这些材料力学性能参数均与标距、应变率和温度相关.从图3可以得出，杨氏模量随标距的增加而增大；而拉伸强度、峰值应变和韧性随着标距的增大而减小.具体而言，当标距由25mm增加到300mm时，杨氏模量增加了23.6%，而拉伸强度、峰值应变和韧性分别降低了29.0%，40.9%和45.5%.从图4可以得出，在40～160s-1应变率范围内，杨氏模量和拉

6、伸强度都随着应变率的增加而增大，而峰值应变与韧性呈先增后减的趋势.具体而言，当应变率从40s-1增加到160s-1，杨氏模量和拉伸强度分别增加了22.0%和38.6%；而当应变率由40s-1增加到120s-1时，峰值应变和韧性先由原来的0.038±0.004mm/mm和40.2±7.9MPa增大到0.041±0.004mm/mm和50.8±6.3MPa，而当应变率继续增加至160s-1，其值又分别减小到0.037±0.004mm/mm和46.1±5.9MPa.但总体来看，峰值应变减小了1.8%，而韧性增大了14.6%.从图

7、5可以得出，杨氏模量随温度的增加而减小，峰值应变恰好相反，而拉伸强度和韧性却呈现出先减后增的趋势.具体而言，当温度由25℃增加到100℃时，杨氏模量减小了36.7%；而峰值应变增大了19.9%.至于拉伸强度和韧性，当温度由25℃增加到75℃，其值由1729±67MPa和40.2±7.9MPa减小到1292±123MPa和27.7±4.8MPa，分别减小了25.3%和31.1%；而当温度增加到100℃，其值反而增加至1540±107MPa和40.0±3.6MPa，分别增大了19.2%和44.5%.