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            FT0105 回歸本源:碳纖維增強塑料材料測試

            樓主:賽奧碳纖維技術 時間:2021-11-09 10:16:21

            Carbon Fiber Reinforced Plastics


            碳纖維增強塑料(以下簡稱CFRPs)由于其重量輕、強度高的特點,在航空航天、汽車工業以及高性能體育用品等領域中都有應用。

            “與傳統的硬質塑料相比,它們的強度和重量比確實有了很大的提高,” 羅斯-霍曼理工學院的機械工程系助理教授Matt Riley博士如是說。 “與金屬相比,它們的強度一般不高,但它的強度重量比可以帶來巨大的好處?!?/p>


            顧名思義,CFRPs是由一種以特定方向編織的碳纖維細絲為增強體的聚合物。與諸如硬塑料或金屬等各向同性材料不同,CFRPs是各向異性的,并且僅在編織纖維的方向上具有強度。CFRPs的各向異性既提供了優良的材料性能,又提供了測試時應考慮的固有復雜性。


            里利說:“你可以通過設計,使CFRPs主要只在一個或幾個有限的方向具出難以置信的強度?!爸辉谝粋€或兩個方向對它做出調整,使其具有較高的強度,你就可以得到非常顯著的重量減輕,因為你不必在每一個方向都使它變得具有同樣的強度,就像例如塑料或者金屬之類的同位素材料?!?/p>


            變異性的產生

            “相較于傳統聚合物,CFRPs對其制造條件更為敏感,它可靠且能按可預見的結果重復塑造?!?Riley解釋道?!坝辛薈FRPs,樣品之間的差異性隨著制造方法的不同而有著很大的變化,這就是困難的來源。 這給最終產品引入了許多不確定性?!?/p>


            CFRPs慣有的不一致性增加了測試的重要性,以確保材料呈現符合預期。對于熟悉測試不同材料強度的聚合物及金屬的工程師而言,由于其各向異性和更復雜的結構,繪制完整的CFRPs樣品的材料性能時還需要注意其中額外的細微差別。


            “人們總是希望能夠捕捉到適當程度的不確定性,當然這可能存在于[制造商]發布的結果中” 他說?!暗诙€原因,我要說的是,事實上,我和很多人談過,這就是為什么他們最終要測試這些東西的原因,因為這些CFRPs在本質上是各向異性的,制造商實際上不可能展示每一種材料的特性?!?/p>


            他說,除了介紹碳纖維復合材料的每種材料特性外,制造商還會列出一些基本的組成材料屬性,例如纖維的強度,基體的強度和纖維的縱向模量。 然后,工程師將確定CFRPs的特定強度或模數,以便設計或實施該組件。


            測試

            正在做聚合物及金屬檢測向CFRPs轉變測試的技術人員或工程師應該記住,通常對各向同性材料進行的許多測試不一定會完全表征各向異性的材料,如CFRPs,Riley說。


            “所以,如果你在測試一種可能是各向同性的材料,你只需進行拉伸測試,”他說?!叭绻闶褂脙x器監測得當,就可以得到你的測試樣本的縱向和緯度位置,理論上你可以從一次測試中得到每一種材料的特性-或者至少是基本力學性能?!蹦憧梢缘玫剿械哪A?,泊松比、剪切模量、強度等。


            “但是當你在處理被設計成各向異性的CFRPs時,它并不是像聚合物那樣只存在一個彈性模量,實際上它總共有三個彈性模量。除此之外,泊松比和剪切模量也不只有一個,泊松比和剪切模量也都各有三個。實際上,比起傳統的各向同性材料來,CFRPs還有很多方面需要進行表征 ?!?/p>


            為了充分表征CFRPs樣品的性能,技術人員或工程師需要在所有三個正交軸上進行測試。 為了實現這一點,可以從一塊大的CFRP層合板上切下多個試樣,每個試樣相對于碳纖維編織方向以不同的角度切割。 通常,每個測試角度至少重復三次,但精確要求由ASTM根據測試和具體材料確定。


            技術人員和工程師應該期望CFRPs在測試中的行為與傳統材料有所不同,或者考慮做一個彎曲測試。 對于各向同性聚合物,一般來說,彎曲和拉伸的彈性模量通常是相同的。


            “但對于各向異性的材料,如CFRPs來說,這些實際上是兩個不同的值。材料在張力控制下會有不同的剛度。 另外,還有不同的故障模式發生,“Riley補充。 “聚合物在彎曲過程中的故障模式通常與拉伸載荷中的故障模式相同,但是CFRPs可能有多種故障模式。


            在拉伸試驗中,故障模式可能是由將碳纖維從聚合物基體中拉出的負載造成的,或者測試可能會使纖維斷裂。 當彎曲同樣的CFRP時,經常會發生的故障模式稱為分層,或者由于表面產生的剪切應力導致層合板層間剝離。這是一種純聚合物不會發生的故障模式。


            “我想給那些希望實現這種轉變(從聚合物或金屬到CFRPs)的人的一個重要的建議是,了解它的各向異性,并至少了解引入的額外復雜性,”Riley說。 “還要認識到這不是一件壞事。 它為設計者提供了更多的功能,使得CFRP構件更適合您的特定應用,而無須為其在操作中可能出現的其他荷載作用進行過度設計?!?/p>


            文章來源:?Quality Magazine,原文題目為?Back to Basics: Material Testing Carbon FiberReinforced Plastics,賽奧碳纖維翻譯整理。若有不當之處,歡迎批評指正!轉載請注明,違者必究。


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