復合材料增強體纖維性能分析

胡瑋

(江蘇恒神股份有限公司，江蘇丹陽 212300)

復合材料增強纖維是一種當今社會的新型復合材料，其可以應用到汽車制造、航天航空以及國防工業等領域當中，主要的增強體則作為復合材料常用的構成成分之一，本質上也屬于復合材料[1]。該類材料通過織物纖維來分布于基體內，以提高力學性能[2]。由于其力學性能容易調整，被應用到各類場合，但同樣由于該特性，需要對增強體性能進行分析[3]。目前分析方法中，通常采用的樣品測試實驗來得出增強體性能，缺乏對增強纖維參數的計算，增強體性能和實際性能差別較大，難以滿足需求。

1 復合材料增強體性能分析方法設計

1.1 增強纖維參數計算

在纖維增強材料中，各項參數對增強體性能存在一定的影響，因此需要對相關參數進行確定[4]。而增強纖維細度對于復合材料的性能之間存在一定影響[5]。本文在進行纖維參數運算中，采用中段稱重法通過對分析對象材料的中段稱重并通過對材料的纖維公制指數的換算來得出對應的數值，見公式（1）：

在公式（1）中Nm 代表稱重中的公制指數，單位為m/g，n 代表換算得出的纖維根數，G1 代表分析對象中段纖維重量，單位為mg。而根據纖維基體特性，可以得出對應的纖維特數Ntex，即Nm×Mtex=1000。而影響纖維參數的還包括纖維的含水率[6]。通常情況下，未干燥條件下的纖維參與制作后，形成的水分蒸發后產生小孔隙，導致應力缺陷。而過于干燥的條件下，纖維增強彈性在凝固后，受到外界機械力時容易斷裂，材料抗剪性能降低，因此需要將增強體的含水率作為材料抗剪力和其它力學性能分析的一個指標[7]，而含水率以及回潮率的分析公式見公式2 和3。

本文的實驗過程所利用到的是FA2004B 電子天平，同時要采用Y802 型干燥箱來配合使用，來測量纖維的干濕中。

1.2 增強纖維力學性能測試計算方法

在增強纖維力學性能測試中，本文采用電子多功能試驗機來進行纖維力學性能測試。在給定的溫度，濕度和拉伸載荷率下，縱向載荷會施加到材料上，并且材料會塌陷。材料性能指標見公式（4）。

在公式（4）中，代表拉伸過程中的斷裂負荷或最大負荷，取值根據不同增強體的特性來得出，單位為N[8]。b 代表被分析材料進行實驗時的樣品寬度，單位為mm，d 則代表分析材料進行實驗時的樣品厚度，單位為mm。而對材料的斷裂伸長率計算見公式（5）。

在公式（5）中，G 代表樣品在拉伸力作用下斷裂時的標線距離，單位為mm。G0則代表樣品在實驗開始前的標線距離，單位為mm。

而材料的彈性模量[9]則可以通過在測試時繪制的纖維在基體中的分布排列圖中計算。

對圖1 中的初始直線排列部分進行計算來得出，即：

圖1 纖維在基體中的分布排列

在公式（6）中，σ 代表材料的拉伸應力，單位為N/mm2，ε 代表材料的拉伸應變[10]，單位為mm/mm。同時搭載三點簡支梁來對增強材料進行測試，將被分析樣本放置在支梁上，并在中間施加載荷，測試器彎曲強度，計算公式見公式（7）。

在公式（7）中，σf代表材料的彎曲強度，單位為MPa，P 代表在測試中對材料施加的破壞荷載，單位為N。L 代表材料的跨距，單位為mm。h 代表彎曲測試材料的樣品厚度，單位為mm，b 代表彎曲測試材料的樣品寬度，單位為mm。而材料的彎曲彈性模量計算[11]則為：

在公式（8）中，Er代表在基體中的纖維材料的彎曲彈性模量，單位為MPa，VP 表示在實驗過程中繪制的載荷，擾動曲線的直線段上的材料的載荷增量，單位為N，Vf 代表和VP 相對應的中點擾度增量[12]，單位為cm。最后再根據上述中基體內纖維體的影響參數得出分析結果，由于不同型號基體中纖維體影響情況不同，但可以直接從該型號基體參數上得知，因此本文不做贅述。

2 實驗測試分析

為了驗證分析方法的可行性，本文對某款復合材料基體進行測試分析實驗，并使用本文分析方法與傳統分析方法進行對比，驗證設計方法的優劣性。

2.1 實驗試劑與設備

在本文實驗中，采用的電動攪拌機型號為JB90-D，電子天平型號為FA2004B，硫化機型號為XLB-DQ，八籃恒溫干燥箱型號為Y802A，電子測試機型號為INSTR0N4302，掃描電鏡型號為JSM-6390LV，紅外光譜儀型號為NICOLET5700，熱失重分析儀，型號為HTG-1。電子單纖維強力儀，型號為LLY-04E。以及氫氧化鈉試劑，純度為分析純。

2.2 增強纖維參數分析結果

本文實驗中采用的纖維為某型號的黃麻纖維，并以該增強體的設定性能指標作為標準值。構建纖維復合材料頂網模型，在頂網模型中設置實驗基體纖維特性參數。纖維復合材料頂網模型如圖2 所示。

圖2 纖維復合材料頂網模型

本文方法和傳統方法分別進行三次分析，并分別進行記錄并與實際參數進行對比，實驗中使用的增強體纖維的設定重量為9.51±0.01mg，纖維根數為90，纖維Nm 值為95.50±0.05 實驗結果如表1 所示。

表1 實驗基體纖維特性參數分析

從表1 中可以看出：本文設計的分析方法在進行分析中，平均纖維重量為9.52mg，纖維平均Nm 值為95.46。而傳統方法下的平均纖維重量為9.32mg，纖維平均Nm 值為91.64。可以發現本文分析方法得出的纖維特性參數更接近實際值。此時的黃麻纖維載荷-位移關系如圖3所示。

圖3 黃麻纖維載荷-位移關系圖

以圖3 黃麻纖維載荷-位移關系為實驗依據，進一步得出增強體性能數值，進行力學性能測試，實驗中使用的增強纖維中力學性能設定值中，拉伸強度為10.85±0.04MPa，拉伸模量為2.00±0.03，彎曲強度為29.88±0.03MPa，彎曲模量為2.83±0.05GPa，實驗結果如表2 所示。

在表2 中可以看出：本文分析方法中，平均拉伸強度為10.90MPa，平均拉伸模量為1.98GPa，平均彎曲強度為29.06MPa，平均彎曲模量為2.87GPa。可以看出本文分析方法得出的結果更接近實際結果，證明本文分析方法的有效性。

表2 實驗基體力學性能分析結果

3 結束語

本文通過對傳統增強體性能分析方法進行改進，設計出準確度更高的增強體分析方法。該方法對材料在成型工藝方面的微觀理論計算尚存在不足，同時無法實現對混雜纖維方式下的性能分析研究，仍需進一步深入研究。