高溫試驗(yàn)環(huán)境下復(fù)合材料應(yīng)變檢測(cè)探討

Talking on strain detection of composite materials in high temperature testing environment

WANG Baorui'， SUN Yuanjun'，WU Weiping'，WU Haipeng' KUANG Naihang1，HAN Rong* *2 （1.Harbin FRP Institute Co.，Ltd.，Harbin 15O028；2.Harbin Institute of Petroleum，Harbin 150028）

Abstract：Thedetectionmethodsof straininmechanicaltestofcompositematerialsathigh temperaturearediscussedin thispaper.Several commonlyuseddetectionmethodsare summarized，and theelectronicextensometersandresistance straingauges are mainly introduced，including their working principles，applicable scope，precautions and soon.In this paper，the characteristics，curingconditions，aplicable temperatures of the adhesiveforresistance strain gaugesaresummarized，and the corresponding test verification is carried out.

Keywords：composites；specimens；testing；strain

1引言

隨著復(fù)合材料制造技術(shù)水平的不斷提高，以及耐高溫高性能樹脂的發(fā)展，復(fù)合材料的耐溫性能也越來越好，應(yīng)用的場(chǎng)景也越來越廣闊。科研生產(chǎn)使用的材料一直受檢測(cè)活動(dòng)所支撐，本文研究?jī)?nèi)容是復(fù)合材料力學(xué)試件高溫環(huán)境應(yīng)變的檢測(cè)方法。本文涉及的復(fù)合材料是指纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料，是由高性能纖維和高分子樹脂復(fù)合而成的結(jié)構(gòu)體，具有高比剛度和比強(qiáng)度，優(yōu)異的耐疲勞和耐腐蝕性能。

從復(fù)合材料結(jié)構(gòu)計(jì)算和設(shè)計(jì)的角度考慮，復(fù)合材料力學(xué)性能檢測(cè)有14項(xiàng)重要性能指標(biāo)，包含7項(xiàng)強(qiáng)度、6項(xiàng)彈性模量和1項(xiàng)主泊松比數(shù)據(jù)，即單向板的 0^°/90^° 拉伸強(qiáng)度和彈性模量、 0^°/90^° 壓縮強(qiáng)度和彈性模量、彎曲強(qiáng)度和彈性模量、層間剪切強(qiáng)度、主泊松比，以及正交板的縱橫剪切強(qiáng)度和剪切模量。各項(xiàng)檢測(cè)均有相應(yīng)的方法標(biāo)準(zhǔn)支撐，但高溫下的檢測(cè)方法未給予詳細(xì)的指導(dǎo)。

強(qiáng)度檢測(cè)由載荷傳感器記錄力值，計(jì)算獲得；彈性模量和泊松比需要先進(jìn)行應(yīng)變檢測(cè)，然后進(jìn)行計(jì)算。由于高溫下試驗(yàn)工況較為復(fù)雜，溫度越高，技術(shù)、材料和設(shè)備就越受限，所以高溫檢測(cè)一直較為困難，尤其高溫環(huán)境下應(yīng)變的檢測(cè)更值得研究。應(yīng)變檢測(cè)方法一般有電子引伸計(jì)、粘貼式電阻應(yīng)變計(jì)、植入入式應(yīng)變計(jì)、全自動(dòng)引伸計(jì)、視頻引伸計(jì)、數(shù)字圖像相關(guān)法（DIC）等。每種方法的原理、優(yōu)缺點(diǎn)、適用范圍都各不相同，在一般的檢測(cè)活動(dòng)中，需根據(jù)不同需求，采用不同的方法。

2 電子引伸計(jì)

電子引伸計(jì)一般指接觸式引伸計(jì)，是高溫應(yīng)變檢測(cè)中操作最為簡(jiǎn)便，且精度較高，適用性較好的一種方法。由于其原理簡(jiǎn)單，使用便捷，所以被比較廣泛應(yīng)用于高溫環(huán)境下的應(yīng)變檢測(cè)。電子引伸計(jì)一般由傳感器、放大器和記錄器三部分組成，機(jī)械部分與試件連接，并根據(jù)形變實(shí)時(shí)進(jìn)行采集。然后將變形量轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，處理器對(duì)電信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和放大處理。電子引伸計(jì)一般分軸向引伸計(jì)、拉/壓引伸計(jì)、橫向引伸計(jì)等種類，其可以夾持板材、棒材、以及部分異形材料，夾持介質(zhì)可以為彈簧、膠套、卡扣、工裝等多種形式。每種電子引伸計(jì)具有不同的標(biāo)距，不同的量程，不同的精度，檢測(cè)過程中，可根據(jù)需求進(jìn)行選擇。工作溫度適用于200% 以下的一般為電子應(yīng)變式引伸計(jì)，例如：IN-STRON2630-100系列的拉/壓引伸計(jì)等，如圖1所示。工作溫度適用于 200°～700° 的一般為電容電子引伸計(jì)，例如：Epsilon7675-012M，橫向引伸計(jì)，如圖2所示，Epsilon 7642-010M-025M 拉/壓引伸計(jì)等。

電子引伸計(jì)使用過程中應(yīng)注意夾持力和夾持方式，避免夾持力過大對(duì)試件造成損傷；還應(yīng)注意避免夾持力過小導(dǎo)致打滑。另外，電子引伸計(jì)也具有一定的局限性，較小試件或較小空間的檢測(cè)，其適用性受到限制，例如復(fù)合材料壓縮試驗(yàn)，試件工作段空間較小，電子引伸計(jì)操作較為困難。所以，可根據(jù)不同的工況，選擇其它檢測(cè)方法進(jìn)行輔助。

3 電阻應(yīng)變計(jì)

電阻應(yīng)變計(jì)是最為常見的應(yīng)變檢測(cè)方法，一般配合應(yīng)變儀使用，其操作簡(jiǎn)單，通過膠粘劑粘接，消3mIPSLOn

試件工作區(qū)域的形變，將引起電阻絲電阻率的變化，電阻的變化通過電橋轉(zhuǎn)換成電壓和電流的變化，再通過放大器將應(yīng)變值表現(xiàn)出來。電阻應(yīng)變計(jì)主要優(yōu)點(diǎn)為測(cè)量精度和靈敏度較高、頻率響應(yīng)好、尺寸小、應(yīng)變采集簡(jiǎn)單，可在各種復(fù)雜環(huán)境下工作。國(guó)產(chǎn)高溫應(yīng)變片上限工作溫度一般為 ，例如：中航工業(yè)電測(cè)儀器股份有限公司型號(hào)BAB120-4AA250（11）－X應(yīng)變片；進(jìn)口高溫應(yīng)變片上限工作溫度一般為 ，例如東京測(cè)器TML AWH-8-7A-2-11.0 、HPI應(yīng)變片HFK等等。

目前，電阻應(yīng)變計(jì)檢測(cè)應(yīng)變的難點(diǎn)不是方法，而是膠粘劑的選用，應(yīng)變膠粘劑需要滿足蠕變小、滯后低、重復(fù)性好、粘度低等要求。本文主要對(duì)環(huán)氧高溫膠粘劑、3M膠粘劑、H-600粘結(jié)膠、貼片膠和環(huán)氧酚醛樹脂膠進(jìn)行了驗(yàn)證研究。

環(huán)氧高溫膠粘劑為高溫固化的三組分改性環(huán)氧糊狀膠粘劑，一般使用溫度范圍為 -60C～ 232°C 。其剪切性能為 ， MPa ， ，膨脹系數(shù)為 49×10^-6K^-1 固化條件為 180^°C ， ^2h 。

3M膠粘劑為雙組份的環(huán)氧、烯酸、聚氨酯結(jié)構(gòu)膠，耐溫區(qū)間為 ，固化條件為80C～85C ，初步固化時(shí)間 30～40min 。試驗(yàn)驗(yàn)證選用T700碳纖維單向板 0^° 拉伸試件，試驗(yàn)溫度200^°C ，數(shù)據(jù)如表1所示。結(jié)果表明，兩種膠粘劑數(shù)據(jù)離散較大，一致性較差，應(yīng)變傳輸滯后。

H-600粘結(jié)膠為雙組分環(huán)氧膠粘劑，具有蠕變小、滯后低、工作溫度范圍寬、粘度低、流動(dòng)性好、重復(fù)性好等特點(diǎn)，貼片周期短，使用方便。使用溫度范圍為長(zhǎng)期 -269%～210% ，短期 -269C～ 370^°C 。使用工藝為應(yīng)力在 0.1～0.3MPa 的范圍內(nèi)固化， 135°C ， ^2h ，隨爐冷卻至室溫后卸壓；再165^°C ， ^2h ，隨爐冷卻至室溫。但H-600粘結(jié)膠極易揮發(fā)，粘貼應(yīng)變片時(shí)，需快速操作。驗(yàn)證試驗(yàn)選用T700碳纖維單向板 0^° 拉伸試件，試驗(yàn)溫度250^°C ，采用H-600粘貼應(yīng)變片與電子引伸計(jì)兩種測(cè)量方法采集應(yīng)變，計(jì)算模量，數(shù)據(jù)如表2所示。

貼片膠是酚醛樹脂和環(huán)氧樹脂經(jīng)共聚后，加入填料而制成的單組分中高溫電阻應(yīng)變計(jì)粘貼膠粘劑，具有粘結(jié)力強(qiáng)，絕緣性能突出，耐高溫，穩(wěn)定性好，使用溫度范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。使用溫度范圍為-60°T～250°C ，使用前至少提前 ^2h 從冰箱中取出，應(yīng)劇烈搖晃。應(yīng)力在 （0.1～0.3 ） MPa 的范圍內(nèi)固化， 100^°C ， ^1h ， ， ^2h ，隨爐冷卻至室溫后卸壓；然后 250‰ ， ^4h ，隨爐冷卻至室溫。驗(yàn)證試驗(yàn)選用國(guó)產(chǎn)碳纖維單向板 0^° 拉伸試件，分別在160^qC 和 250^°C 試驗(yàn)溫度下進(jìn)行，采用貼片膠粘貼應(yīng)變片、電子引伸計(jì)自動(dòng)采集、電子引伸計(jì)手動(dòng)采集等三種測(cè)量方法采集應(yīng)變，計(jì)算模量，數(shù)據(jù)如表3和表4所示。 160^qC 環(huán)境溫度下，粘貼應(yīng)變片彈性模量 ，引伸計(jì)手動(dòng)彈性模量139.95GPa ，引伸計(jì)自動(dòng)彈性模量 142.71GPa ； 250‰ 環(huán)境溫度下，粘貼應(yīng)變片彈性模量 ，引伸計(jì)手動(dòng)彈性模量 136.42GPa ，引伸計(jì)自動(dòng)彈性模量140.55GPa 。組內(nèi)離散系數(shù)最大值為 3.3% ，數(shù)據(jù)穩(wěn)定；組間比對(duì)，離散系數(shù)均小于 2% ，各種方法數(shù)據(jù)重復(fù)性較好，結(jié)果在可接受包絡(luò)范圍內(nèi)。

環(huán)氧酚醛樹脂膠為應(yīng)變片粘貼用環(huán)氧酚醛單組分樹脂膠，該膠具有耐 250‰ 高溫，溫度漂移小，線膨脹系數(shù)低，使用工藝性好等性能，其剪切性能為 ， 250‰ 。使用工藝為膠接表面涂膠， 23°C±2°C 晾置 10～15min ；涂第二遍膠， 23^°C±2^°C 晾置 10～15min 后， 80^qC ， 5～ 15min ，膠液不拉絲時(shí)，合攏試件；應(yīng)力在 0.1～ 0.3MPa 的范圍內(nèi)固化， ， ¹h 170C±2C ， ^4h ，然后卸去壓力。驗(yàn)證試驗(yàn)選用國(guó)產(chǎn)碳纖維單向板 0^° 拉伸試件，分別在 160^qC 和 試驗(yàn)溫度下，采用環(huán)氧酚醛樹脂膠粘貼應(yīng)變片、電子引伸計(jì)自動(dòng)采集、電子引伸計(jì)手動(dòng)采集等三種測(cè)量方法采集應(yīng)變，計(jì)算模量，數(shù)據(jù)如表5和表6所示。 160^°C 環(huán)境溫度下，環(huán)氧酚醛樹脂膠粘貼應(yīng)變片彈性模量 149.75GPa ，引伸計(jì)手動(dòng)彈性模量 145.91GPa ，引伸計(jì)自動(dòng)彈性模量 149.82GPa ： 環(huán)境溫度下，環(huán)氧酚醛樹脂膠粘貼應(yīng)變片彈性模量 ，引伸計(jì)手動(dòng)彈性模量147.49GPa ，引伸計(jì)自動(dòng)彈性模量 。組內(nèi)離散系數(shù)均小于 5% ，數(shù)據(jù)穩(wěn)定；組間比對(duì)，離散系數(shù)均小于 1.2% ，各種方法數(shù)據(jù)重復(fù)性較好，結(jié)果在可接受包絡(luò)范圍內(nèi)。

驗(yàn)證試驗(yàn)中，單向板 0^° 拉伸的彈性模量均在在1000με～3000με ， 的應(yīng)變范圍內(nèi)計(jì)算。綜上，對(duì)于復(fù)合材料應(yīng)變檢測(cè)，不同型號(hào)的電阻應(yīng)變計(jì)具有不同的溫度范圍，不同的膠粘劑具有不同的適用溫度范圍。電阻應(yīng)變計(jì)的溫度上限必須大于試驗(yàn)環(huán)境溫度，膠粘劑的使用溫度上限也必須大于試驗(yàn)環(huán)境溫度，而固化溫度應(yīng)低于試驗(yàn)環(huán)境溫度，避免對(duì)材料性能造成影響。所以，檢測(cè)活動(dòng)中，應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)環(huán)境溫度選擇相應(yīng)的電阻應(yīng)變計(jì)和膠粘劑。

4其他方法

4.1 全自動(dòng)引伸計(jì)

全自動(dòng)引伸計(jì)由上下兩對(duì)工作臂，以及一個(gè)主控制器組成。工作臂調(diào)節(jié)夾持力，自動(dòng)根據(jù)標(biāo)距裝卡于試件，且跟蹤至試件失效，自動(dòng)回位。其主要優(yōu)點(diǎn)有行程大、自動(dòng)定位、閉環(huán)應(yīng)變控制，效率高，數(shù)據(jù)重復(fù)性好等，但其對(duì)于復(fù)合材料適用性較低，尤其受高溫檢測(cè)局限性影響較大。

4.2 植入式應(yīng)變計(jì)

植入式應(yīng)變計(jì)一般植入試件內(nèi)部的元件為應(yīng)變絲、光纖光柵等。使用植入式應(yīng)變計(jì)，必須在試件制備時(shí)，將相應(yīng)元件預(yù)埋至樣品內(nèi)部，且預(yù)留接線端口。此方法制備試件，操作較為困難，易引入缺陷，對(duì)材料性能造成影響。而且，固化過程可能會(huì)對(duì)元件造成影響，對(duì)后期機(jī)械加工要求也較高。

4.3 視頻引伸計(jì)

視頻引伸計(jì)是利用亞像素法原理測(cè)量試樣變形的儀器，可以無接觸的檢測(cè)橫向和縱向的變形量。適用范圍較廣，檢測(cè)試件的尺寸范圍較大，可以圖像形式儲(chǔ)存形變過程。但該方法需預(yù)先進(jìn)行標(biāo)記或噴涂。目前，該方法已應(yīng)用于高溫檢測(cè)，但難點(diǎn)是如何進(jìn)行標(biāo)記，以及高溫環(huán)境下如何保留標(biāo)記。另外，環(huán)境箱觀測(cè)口的狀態(tài)也對(duì)其有一定的影響，如果試件工作段被夾具包裹或遮擋，也會(huì)導(dǎo)致測(cè)量誤差。

4.4數(shù)字圖像相關(guān)法

數(shù)字圖像相關(guān)法，即三維全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)，基本原理是：對(duì)變形前圖像中的待測(cè)區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將每個(gè)子區(qū)域看作剛性運(yùn)動(dòng)。再針對(duì)每個(gè)子區(qū)域，通過一定的搜索方法按預(yù)先定義的相關(guān)函數(shù)來進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，在變形后圖像中尋找與該子區(qū)域的互相關(guān)系數(shù)為最大值的區(qū)域，即該子區(qū)域在變形后的位置，進(jìn)而獲得該子區(qū)域的位移。對(duì)全部子區(qū)域進(jìn)行計(jì)算，即可獲得全場(chǎng)的變形信息。該方法對(duì)試驗(yàn)環(huán)境要求極為寬松，并且具有全場(chǎng)測(cè)量、抗干擾能力強(qiáng)、測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)。適用于動(dòng)態(tài)全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量、動(dòng)靜態(tài)拉伸應(yīng)變檢測(cè)、高溫試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)的應(yīng)變檢測(cè)。

5結(jié)語

本文介紹了常見的高溫試驗(yàn)環(huán)境應(yīng)變檢測(cè)方法。其中，著重介紹了電子引伸計(jì)和電阻應(yīng)變計(jì)，并對(duì)電阻應(yīng)變計(jì)的具有代表性的膠粘劑進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，并與電子引伸計(jì)的數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比。研究認(rèn)為，""以下應(yīng)變測(cè)試可考慮采用電阻應(yīng)變計(jì)。

每種引伸計(jì)均具有自身優(yōu)勢(shì)的適用范圍和應(yīng)用場(chǎng)景，目前也有許多創(chuàng)新的技術(shù)不斷涌現(xiàn)，應(yīng)根據(jù)檢測(cè)的具體需求，選擇客觀、正確的應(yīng)變檢測(cè)方法。

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