新型熱塑性復(fù)合材料拉伸性能的檢測方法研究

一、前言

近年來，以熱塑性樹脂為基體的纖維增強熱塑性復(fù)合材料（Fiber Reinforced Thermal Plastics， 簡稱FRTP）發(fā)展迅猛，在世界范圍內(nèi)正掀起一股研究開發(fā)此類高性能復(fù)合材料的高潮。常見的熱塑性樹脂有聚丙烯、聚乙烯、尼龍、聚苯硫醚、聚醚醚酮、聚醚酮酮等;主要增強纖維包括碳纖維、玻璃纖維、編織纖維、聚酰亞胺、芳綸纖維等種類。增強纖維可提高熱塑性復(fù)合材料的強度、模量、延伸率等性能;熱塑性樹脂對增強纖維進行結(jié)合，在完全固化后所組成的熱塑性復(fù)合材料可發(fā)揮該復(fù)合材料的所有優(yōu)勢及特性。

由于新冠肺炎疫情導(dǎo)致的全球經(jīng)濟衰退，2020年全球FRTP市場出現(xiàn)下滑。然而，市場從2021年開始復(fù)蘇，預(yù)計到2026年將達(dá)到500億美元，2021年至2026年的年復(fù)合增長率為4.5%。該市場增長的主要驅(qū)動力是交通運輸、航空航天、風(fēng)能行業(yè)對輕質(zhì)材料的需求猛增;建筑、管道、儲罐行業(yè)對耐腐蝕、耐化學(xué)、高強高模材料的需求以及電氣電子和汽車行業(yè)對電阻率及高阻燃材料的需求增加。

碳纖維（Carbon Fiber，簡稱CF）作為一種新型的無機纖維材料，由于其具有高強度、高比模量、優(yōu)異的熱性能、化學(xué)穩(wěn)定性能和阻尼減震降噪性能，用于纖維增強熱塑性復(fù)合材料中可使復(fù)合材料具有高強、高模、耐腐蝕、耐高低溫等一系列優(yōu)異性能，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于航天、航空、汽車、體育器材等各個領(lǐng)域[1-2]。

熱塑性復(fù)合材料的主要突出優(yōu)點有：1.成型效率高;2.可回收和重復(fù)使用;3.易儲存和易運輸;4.優(yōu)異的材料性能。熱塑性復(fù)合材料的拉伸性能是熱塑性復(fù)合材料在外界拉伸力作用下表現(xiàn)出來的性能，它反映了復(fù)合材料抵抗外界拉力破壞能力的強弱。拉伸性能是復(fù)合材料最基本和最重要的力學(xué)性能。對復(fù)合材料的拉伸性能進行測試研究，不僅可以確定復(fù)合材料的拉伸性能指標(biāo)參數(shù)，而且還可以分析影響拉伸性能的因素及其關(guān)系，為復(fù)合材料拉伸性能的預(yù)測及結(jié)構(gòu)設(shè)計提供理論依據(jù)。

二、現(xiàn)狀研究

2.1現(xiàn)有檢測標(biāo)準(zhǔn)的試樣形狀及構(gòu)造

目前在做復(fù)合材料力學(xué)拉伸測試時，一般沿用ASTM D3039（圖1）、ISO 527-4、ISO 527-5[3-5]（圖2）等復(fù)合材料的相關(guān)測試標(biāo)準(zhǔn)把待測樣件固定到測驗機上（圖3）。通常加強片材質(zhì)可以是金屬、復(fù)合材料或塑料等，加強片共計4片。加強片能夠盡可能確保在測試過程中，試樣件可以在中間的工作段（即沒貼加強片的位置）發(fā)生有效斷裂，最大程度的避免試驗機夾持樣件根部時產(chǎn)生應(yīng)力集中而造成兩端根部斷裂（非工作區(qū)斷裂，非有效斷裂）。該測試方法在熱固性復(fù)合材料中測試已經(jīng)得到了大量的有效及系統(tǒng)性的驗證，實踐證明其測試方法準(zhǔn)確可靠。

目前熱塑性復(fù)合材料測試在全球范圍內(nèi)基本沿用了傳統(tǒng)的在熱固性領(lǐng)域已經(jīng)得到充分驗證的ASTM D3039和ISO 527等相關(guān)測試方法。但是隨著復(fù)合材料技術(shù)的不斷發(fā)展，尤其是各類新型的熱塑性復(fù)合材料的不斷涌現(xiàn)，包括但不限于PP、PA、PBT、PET、PC、PPO、POM、PSU、PCTG、PEI、PEEK、PPS、PEAK等。

2.2現(xiàn)有檢測標(biāo)準(zhǔn)試樣的缺陷和不足之處

（1）缺陷

因大部分熱塑性復(fù)合材料其樹脂缺乏一些活性的官能團，如PP等材料。在粘貼加強片表面時，常規(guī)的各類膠黏劑如聚氨酯、環(huán)氧、丙烯酸等各類體系很難在復(fù)合材料基材形成的有效化學(xué)鍵，因而與膠黏劑很難形成有效的粘結(jié)。即使是對熱塑性基材進行各種表面處理和活化，如表面粗化、打磨、化學(xué)底涂、等離子處理、火焰處理后均難以實現(xiàn)非常強有效的粘接，加強片在各類測試中尤其是帶環(huán)境溫度及條件測試下特別容易脫落（圖4）。

但如果測試樣品表面兩端不貼加強片，測試樣件斷裂情況會非常復(fù)雜，斷裂區(qū)域分布比較隨機。即可能在中間工作段斷裂，也可能在兩端應(yīng)力集中區(qū)域斷裂，也可能會出現(xiàn)其它異于理想失效破壞形式的破壞。從而造成試驗測試的數(shù)據(jù)不可靠，隨機性和離散型偏大，標(biāo)準(zhǔn)差和離散性偏大，測試值偏小等情況。因而急需對現(xiàn)有的測試方法進行改善，本發(fā)明是在此基礎(chǔ)上對熱塑性復(fù)合材料測試試樣在不影響測試結(jié)果的前提下，對試樣的造型和設(shè)計進行改進，從而去掉貼加強片的步驟，簡化操作試樣的制備流程，且能夠充分發(fā)揮熱塑性復(fù)合材料試樣的性能，使其在理想的測試工作區(qū)域內(nèi)按照理想的失效模式破壞，從而得到準(zhǔn)確的測試數(shù)據(jù)（拉伸數(shù)據(jù)，包括強度、模量和泊松比等）。

同類產(chǎn)品的描述見（圖 1，圖 2和圖 3）。

（2）不足之處

1. 原有方法試樣制備繁瑣、熱塑性基材表面處理困難、人工耗費多，拉伸試樣難以與加強片進行有效的粘合、加強片在測試時容易脫落;

2. 加強片脫落造成拉伸試樣測試不在工作區(qū)域內(nèi)按照設(shè)計的失效模式進行破壞，從而造成測試結(jié)果和數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確。

三、新型檢測方法研究

3.1擬解決的技術(shù)問題

本方法從兩個角度入手，解決目前問題：

（1）對拉伸試樣造型和尺寸進行重新設(shè)計（見修改后設(shè)計附圖），從而在制作拉伸樣件時，確保試樣夾持的根部兩端有更多的纖維材料和基體材料，從而保證端部抗拉強度;

（2）測試前，如果液壓夾具能夠有效夾持試驗不滑移，將拉伸試樣直接在夾持的根部兩端。如果液壓夾具有滑移的可能，為了防止滑移，可在試樣上包上一層砂紙即可（如圖6所示）。

3.2新型檢測方法結(jié)構(gòu)關(guān)系和試驗效果

（1）結(jié)構(gòu)關(guān)系

熱塑性復(fù)合材料的拉伸試樣根部部位，在試樣制作時，比中間工作段具有更多的纖維和樹脂基體，保證了試樣端部抗拉強度，在拉伸性能測試過程中產(chǎn)生較大夾持應(yīng)力情況下不會斷裂。同時由于根部具備較強抗拉強度，在實際測試中，確保試樣可在工作段斷裂，測得的性能數(shù)據(jù)具備參考價值。

該新型試樣，將原試樣總長度從250mm加到315mm，使得中間段具備足夠空間;同時將夾持部位從原50mm加長到55mm，該設(shè)計確保夾持部位具備更牢固的夾持效果;夾持部位到中間段的過渡段，考慮到不破壞及打斷連續(xù)纖維，固設(shè)計了超大R角，確保材料拉伸性能的數(shù)據(jù)可靠性;與此同時，綜合上述尺寸，試樣寬度方面設(shè)計了20mm的寬度。試樣的具體結(jié)構(gòu)和圖片如圖7所示描述。

試樣兩端在砂紙的包裹作用下，使整體有較強的抗摩擦系數(shù)，測試過程確保試樣不會因為受力而產(chǎn)生位移及滑脫，更好的確保了性能數(shù)據(jù)的可靠性和真實性。

（2）試驗效果

新型熱塑性復(fù)合材料拉伸試樣的方案，經(jīng)過實際拉伸性能的測試，測試后所達(dá)到的理想斷裂破壞，即在中間工作段斷裂，真實體現(xiàn)了熱塑性復(fù)合材料的拉伸性能，具備極強的設(shè)計參考，如圖8（拉伸試樣測試前）和圖9（拉伸性能測試后）所示。

3.3本新型檢測方法的其他收益

本新型檢測方法除了能反應(yīng)材料真實的拉伸性能外，還具備許多額外的收益。（1）節(jié)約材料：從輔助材料來看，該試樣省去了原先的4個端部加強片，也同時不再需要用于粘接試樣與加強片的粘結(jié)劑;（2）節(jié)約人力：不論試樣采取先制備后粘接或先粘接后制備的制樣模式，均不再需要人力因素做粘接處理;（3）從整體檢測周期來看，該新型試驗及檢測方法極大程度縮短了檢測流程周期，提高了效率，具備可持續(xù)發(fā)展特點。

四、本新型方法的數(shù)據(jù)參考和對比

通過結(jié)合實際反復(fù)的檢測效果和數(shù)據(jù)，經(jīng)過歸納與設(shè)計，得到了本新型檢測方法相對應(yīng)的試樣尺寸，該設(shè)計便于得到理想的拉伸性能檢測結(jié)果。尺寸總結(jié)了新型試樣的關(guān)鍵尺寸，以及新型試樣與原標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣的對比，具體設(shè)計尺寸如表1與表2所示。

五、結(jié)論

伴隨熱塑性復(fù)合材料的優(yōu)異性能和其對應(yīng)的迅猛增長勢頭，應(yīng)用的方向領(lǐng)域日趨增多，對力學(xué)性能包括拉伸性能的測試技術(shù)也提出了與時俱進的要求。新型的拉伸性能檢測方法的研究及試驗，成功突破了熱塑性復(fù)合材料在拉伸性能的層層阻力，解決了材料拉伸性能的測試難題。主要優(yōu)勢：（1）數(shù)據(jù)質(zhì)量可靠性的進一步提高，真實反映出材料拉伸性能;（2）測試全過程的降本增效，無需繁瑣的一系列過程;（3）為熱塑性復(fù)合材料其他力學(xué)做出技術(shù)參考;（4）助力熱塑性復(fù)合材料拉伸性能的標(biāo)準(zhǔn)及法規(guī)制定與執(zhí)行。

作者簡介：翁濤（1988-07.），男，籍貫：浙江舟山，漢，碩士，研究方向：復(fù)合材料分析及檢測技術(shù)