单向复合材料弹性模量测试方法研究.pdf

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1、万方数据16单向复合材料弹性模量测试方法研究2001年3月单向复合材料弹性模■测试方法研究徐郁文马功勋何玉梅(南京化工大学机械工程学院21(3(309)摘要：本文对单向复合材料弹性模量的测试方法作了探索研究，将静力拉伸下的二种测试方法的实验结果与动态法测试结果进行了比较，说明本文所采用的测试方法是可行的，实验蛄果是可靠的。关键词：单向复夸材料弹性模量拉伸试验复合材料是两种或两种以上物理性能和力学性能各不相同的物质组合而成的，是指不同材料在宏观尺度上的复合。复合材料以其具有一定的强度和刚度、耐温、耐腐蚀、比重小等特点正逐步取代传统的钢材，受到了人们的重视和青昧。要正确使用复合材料就要首

2、先测定其力学性能，然而复合材料试验数据的离散度比金属材料要大得多，从而降低了试验数据的准确度和可比性，造成了对复合材料性能的评论不一。本文针对玻纤环氧复合材料试样，从拉伸试验着手，在测试方法上作了深入的比较和分析，总结出了一套测试单向复合材料弹性模量的方法和经验。1单向复合材料受轴向载荷作用的应力．应变关系。为了便于分析，可将由玻纤与环氧基体组成的非均质单层板看作一个均质正交异性体、其单层的应力可作为平面应力状态，其应变与应力之间可用下式表示[1】旧{=[si川^}(；f=1，2，3)(1)式中：[s。j]为柔度矩阵上式也可展开为：。I=S11口l+S1242+S130"3e2=$2

3、10"1+52292+$23口3532S3lO"I+S3202+S3343(1)式中柔度矩阵[si]是对称矩阵，即[50]=[％]，所以上式写成：e，=暑一些菱生“t20"2幻2一酉乱+瓦1幻2瓦”3且塑E2=酱其中E1、E2二个方向的弹性模量；Ⅱ12、u21为主泊松比、次泊松比G。2为剪切模量当试体受到一个方向的轴向载荷作用，只要知道加载大小，受力的截面积及该方向上的应变，就可根据上述表达式计算其弹性模量。复合材料层板是任意层数的，可以认为层板的变形相对于其厚度是很小的，层间区域内的变形也可认为很小，这样层板的状态仍服从上述线性应力一应变关系，层板中的应变分量沿层板厚度线性地变化【

4、2J、因此只要测量层板表面的应变，就可确定试样的应力和应变。2静力拉伸试验复合材料由于其复合的方法不同，其性能有很大的差异，找到一种简便又可靠的试验方法，对工程有着积极的意义。本文在拉伸试验中用二种不同的测试方法确定材料的弹性模量。2．1应力一应变法利用材料在弹性范围内，在单向拉力作用下应力与应变成线性关系的原理进行。试样采用了加工方便、几何形状容易得到保证的直边等截面矩形薄板(250×31．75×4．27ram)为了尽量避免试样装在试验机上由于上下夹头的偏心而造成试样在拉伸过程中产生的弯曲变形，在试样的正反两面的几何中心处沿轴向贴有单轴电阻应变片如图1所示。为保护试样端部的表面不受

5、损及改善拉伸载荷向试样的传递，在试样两端的正反二面粘贴有铝片作为接头片，厚度为1．5ram。试样上的接头J图1拉伸试样电阻应变片按全桥方式接入电桥盒，电路原理图如2。其中电阻应变片R2、R4是温度补偿片、分别粘贴在与试样相同材料的补偿块上。这样从静态电阻应变仪上读得的测量值为：万方数据垫!±!墨塾苎塑』墨鱼苎茎!!图2电阻片全桥接线6测=el一62+63—64(3)式中8I_e口一Em+ElE22e42eI6：32￡。+em+sf其中ED为拉伸应变；cm为弯曲应变；e。为温度应变。这样轴向拉伸引起的应变值为：1￡p=音8铡(4)在测定弹性模量时，对试样要重复加载多次。为了使每次加载的

6、最大应力不能超过应力一应变曲线上的第一个拐点，在应力一应变试验前，已对该试样先进行了拉伸强度试验。从△P一／"t关系的拉伸图上可以看到，其拉伸曲线基本上是线性的，没有拐点。当最高载荷为324．5N时，拉伸图突然中断，还可以看到试样是先从中部发生裂纹、继而发生了界面剥离状的破坏。这说明单向复合材料的强度是由基材环氧，增强用玻纤及粘结强度共同的作用来决定的。试验中采用5级载荷增量逐级加载，载荷增量△P取250N，最高载荷为破坏载荷的8％左右，加载速率控制在0．00002S。1左右，加载过程中应变增加量见表1。表1载荷增量△P作用应变增量△￡实验值从实验数据得，电阻应变仪的应变增量值的均值

7、为△6舅=164．6ue，即每个载荷增量△P的作用下拉伸应变均值△eP=告百=82．3ue。材料的弹性模量按下式确定：耻詈=等’走㈥式中A。为试样横截面面积(31．75x4．27×10“m2)。计算结果得玻纤环氧复合材料的静弹性模量值为22．4GPa。2．2应力一位移法由公式(5)得E=0薏告寺(6)式中Lo为试样的工作标距100mm，试样在单向拉力P的作用下，测出相对Lo的伸长量d(aL)，便可求得该材料的弹性模量E。试样加工成哑铃状。这种变截面试样标距