玻璃纖維束拉伸力學性能影響參數試驗研究

朱德舉+歐云福+徐新華

摘 要：利用MTS萬能試驗機對不同標距（25，50，100，150，200和300 mm）的玻璃纖維束進行了準靜態（應變率為1/600 s-1）拉伸測試.同時，利用Instron落錘沖擊系統分別研究了標距為25 mm的試樣在不同應變率（40， 80， 120和160 s-1）和不同溫度（25， 50， 75和100 ℃）條件下的力學性能.結果表明，玻璃纖維束的拉伸力學性能與標距、應變率和溫度具有相關性：楊氏模量隨著標距和應變率的增加而增大，但隨著溫度的增加而減??；拉伸強度隨著標距的增加而減小，隨應變率的增加而增大，但隨著溫度的增加卻呈先減后增的趨勢；峰值應變隨著標距增加而減小，但隨溫度的增加而增大.最后，利用Weibull模型進行統計分析，量化了不同標距、應變率和溫度下纖維拉伸強度的隨機變化程度，獲得的Weibull參數可服務于工程應用.

關鍵詞：玻璃纖維；拉伸性能；標距；應變率；溫度效應；Weibull

中圖分類號：O316 文獻標志碼：A

近半個世紀以來，纖維增強樹脂基復合材料（Fiber Reinforced Plastic/Polymer，簡稱FRP）以其輕質、高強、絕緣、隔熱、耐久性好、可設計性強等優點，逐漸活躍在土木工程領域[1-3].其中玻璃纖維增強樹脂基復合材料（GFRP）的顯著特點是熱膨脹系數與混凝土接近、比強度高且價格相對便宜[4].國際上對FRP在土木工程中的應用研究首先從玻璃纖維開始.

單向纖維增強復合材料是工程結構復合材料的最基本單元，纖維又是單向復合材料承受拉伸載荷時的主要承載部分，它在沖擊荷載下的力學性能與復合材料的沖擊響應行為密切相關.而且，在沖擊和爆炸等極端荷載作用下，材料的變形瞬間發生，應變率和溫度效應同時影響材料的力學行為.因此理解纖維的尺寸效應以及在不同應變率和溫度作用下的破壞失效模式是優化復合材料結構設計的關鍵.目前，已經有許多學者[5-7]開展了相關方面的工作，但中等應變率下的相關數據較少，而考慮中等應變率與溫度耦合作用的試驗數據更是空白.

由于在地震和低速沖擊荷載作用下，建筑結構遭受的應變率處于中等水平（1～200 s-1）[8]，本文的主要任務是研究玻璃纖維束的尺寸效應以及在中等應變率范圍（40～160 s-1）和不同溫度條件（25～100℃）下的力學響應，以獲得其破壞強度、韌性等力學性能指標，進而為建立GFRP的動態本構關系及其增強結構在極端荷載和環境下的分析與評估方法奠定基礎.

1 試驗測試

1.1 試樣制備

本實驗所選單向玻璃纖維布由南京海拓復合材料有限責任公司生產.圖1給出了纖維布的單向編織結構和光學顯微鏡下的微觀結構.纖維束的橫截面積為0.473 mm2，可以通過其線密度除以體密度得到[9].制備試樣時，用薄刀片沿纖維布縱向小心裁取多根纖維束備用.將0.2 mm厚鋁片用圓齒壓痕、居中對折，涂上環氧樹脂膠，按所需標距（25，50，100，150，200和300 mm）夾持在纖維束兩側，待膠固化后，將兩端多余纖維去除，試件成型，如圖1（b）所示.

圖1 （a）玻璃纖維的單向編織結構和光學顯微鏡下的微觀結構；（b）試件

Fig.1 （a） Unidirectional woven structure and microscopy image of glass fiber； （b） specimen

1.2 測試儀器與方法

單束纖維的準靜態拉伸測試采用MTS微機控制電子萬能試驗機（型號C43.304）.該試驗機機架的負荷上限為30 kN，數據采樣頻率最大可達1 000 Hz，控制器分辨率為20 bit.試驗時加載速度設定為2.5 mm/min，采用1 kN力傳感器，采樣頻率設為20 Hz.動態拉伸測試采用國際先進的Instron落錘沖擊系統（型號Ceast 9340）.本系統的沖擊高度為0.03～1.10 m， 速度范圍為0.77 ～4.65 m/s，最大落錘重量為37.5 kg， 最大沖擊能量為405 J.沖擊速度V可以自行設定，然后由落錘控制系統換算成相應的錘頭下落高度H.本實驗根據儀器的量程，設V為1，2，3，4 m/s，對應的應變率分別為40，80，120，160 s-1.本研究選取25，50，75和100 ℃作為溫度變量T進行一系列測試[10].

對于纖維束而言，其剛度遠小于儀器加載系統的剛度.為了檢驗MTS試驗機測量誤差，額外采用引伸計測量試件變形，并與試驗機記錄的夾持端位移進行對比，得知測量誤差在2%以內，因此將夾持端的相對位移近似作為試件標距內的變形，與標距的比值即為應變值.

2 結果與討論

2.1 應力應變曲線

圖2分別為玻璃纖維束在不同標距、不同應變率和不同溫度作用下的典型應力應變曲線.從圖中可以看出，在靜態拉伸作用下，應力應變曲線相對平滑；而在動態拉伸作用下，曲線波動較大.動態曲線的波動主要由沖擊過程激發的儀器振動引起[11]，其個數隨著應變率的增大而遞減.從這些應力應變曲線中獲得材料的基本力學性能參數：楊氏模量，拉伸強度，峰值應變和韌性.其中，楊氏模量代表曲線的線性段斜率.對于準靜態曲線而言，上升段基本為線性，因此所獲得的楊氏模量較為準確.而對于動態曲線而言，波動的影響使得楊氏模量的確定十分困難，因此本文以能夠描述曲線整體趨勢的直線斜率為代表值.相對而言，韌性的結果比較容易獲得，因其代表的是應力應變曲線下的面積，表征的是單位體積的變形能.具體計算公式如下：

2.2 不同標距、應變率和溫度下的力學性能

圖3～5給出了玻璃纖維束的楊氏模量、拉伸強度、峰值應變和韌性與標距、應變率和溫度的關系，結果表明，這些材料力學性能參數均與標距、應變率和溫度相關.從圖3可以得出，楊氏模量隨標距的增加而增大；而拉伸強度、峰值應變和韌性隨著標距的增大而減小.具體而言，當標距由25 mm增加到300 mm時，楊氏模量增加了23.6%，而拉伸強度、峰值應變和韌性分別降低了29.0%，40.9%和45.5%.從圖4可以得出，在40～160 s-1應變率范圍內，楊氏模量和拉伸強度都隨著應變率的增加而增大，而峰值應變與韌性呈先增后減的趨勢.具體而言，當應變率從40 s-1增加到160 s-1，楊氏模量和拉伸強度分別增加了22.0%和38.6%；而當應變率由40 s-1增加到120 s-1時，峰值應變和韌性先由原來的0.038 ± 0.004 mm/mm和40.2± 7.9 MPa增大到0.041 ± 0.004 mm/mm和50.8 ± 6.3 MPa，而當應變率繼續增加至160 s-1，其值又分別減小到0.037 ± 0.004 mm/mm和46.1± 5.9 MPa.但總體來看，峰值應變減小了1.8%，而韌性增大了14.6%.從圖5可以得出，楊氏模量隨溫度的增加而減小，峰值應變恰好相反，而拉伸強度和韌性卻呈現出先減后增的趨勢.具體而言，當溫度由25℃增加到100℃時，楊氏模量減小了36.7%；而峰值應變增大了19.9%.至于拉伸強度和韌性，當溫度由25℃增加到75℃，其值由1 729 ± 67 MPa和40.2± 7.9 MPa減小到1 292 ± 123 MPa和27.7 ± 4.8 MPa，分別減小了25.3%和31.1%；而當溫度增加到100 ℃，其值反而增加至1540 ± 107 MPa和40.0 ± 3.6 MPa，分別增大了19.2%和44.5%.

另外，圖3～5還對各力學性能參數隨標距、應變率和溫度的變化趨勢進行了曲線擬合，并給出了擬合方程，以便于工程應用.在25～200 mm的標距范圍內，隨著標距的增加，玻璃纖維束的楊氏模量隨之增加，但200 mm之后沒有顯著變化，而拉伸強度、峰值應變和韌性隨著標距的增加呈對數減??；在40～160 s-1的應變率范圍內，隨著應變率的增加，楊氏模量呈對數增加，而拉伸強度呈線性增加.峰值應變和韌性的變化趨勢可近似用二次多項式擬合；而在25～100 ℃的溫度區間內，隨著溫度的遞增，材料的楊氏模量呈線性減小，峰值應變呈線性增加，拉伸強度和韌性隨溫度的變化趨勢也可近似用一個二次多項式擬合.

2.3 尺寸、應變率及溫度效應機制

2.3.1 尺寸效應機制

玻璃纖維束的拉伸強度隨著標距的增加而減小，呈明顯的尺寸效應.Weibull尺寸效應統計理論認為[12]，這主要是由于材料強度的隨機分布所引起.沿纖維長度方向，強度是不均一的，纖維總是在最薄弱處斷裂，試樣愈長，出現最薄弱環節的概率越大，越容易發生斷裂.但是，當標距大于200 mm，纖維的拉伸強度不再發生明顯變化.這說明對于玻璃纖維束而言， 200 mm接近其強度受限臨界長度，當長度超過這個臨界值時，其內部包含最薄弱環節的概率極大.

2.3.2 應變率效應機制

玻璃纖維束的拉伸強度呈明顯的應變率相關性.當應變率由1/600 s-1（準靜態）增加到160 s-1（動態）時，拉伸強度由919 ± 102 MPa增長到1 727± 67 MPa，增幅近一倍.這種應變率相關性可作如下解釋：

如圖6所示，在準靜態拉伸荷載作用下，試件的斷裂部位比較集中，而在動態拉伸荷載作用下，斷裂部位延伸至整個標距范圍.這說明隨著應變率的增加，沖擊荷載在基本承載單元上的分布更為均勻，單絲有更多的部位參與耗能，使得其強度發揮得更充分.另外，在拉伸荷載作用下，構成纖維束的單絲不一定同步斷裂，斷裂位置也不一定平齊，因而纖維絲之間的摩擦在破壞變形過程中一直存在.隨著應變率的增加，纖維絲之間的相互擠壓作用也不斷再增大，因此滑動摩擦力也不斷增大（摩擦系數可視為常數），進而提高了纖維束的整體拉伸強度.

4 結 論

本文對玻璃纖維束進行了不同標距、應變率和溫度下的拉伸測試，并討論了標距、應變率和溫度對其力學性能參數的影響，最終得到以下結論：

1）玻璃纖維具有明顯的尺寸效應.楊氏模量隨標距的增加而增大，而拉伸強度、峰值應變和韌性隨著標距的增加而減小.當標距大于200 mm，纖維的楊氏模量和拉伸強度不再發生明顯變化.這說明對于玻璃纖維束而言， 200 mm接近其強度受限臨界長度，當長度超過這個臨界值，其內部包含最薄弱環節的概率極大.

2）玻璃纖維屬于應變率敏感材料，在40～160 s-1應變率范圍內，楊氏模量和拉伸強度都隨著應變率的增加而增大，而峰值應變與韌性呈先增后減的趨勢.

3）溫度對玻璃纖維的力學性能也有一定的影響.在25～100 ℃的溫度范圍內，楊氏模量隨溫度的增加而減小，峰值應變恰好相反，而拉伸強度和韌性卻呈現出先減后增的趨勢.

4）隨著應變率的增加，m值逐漸減小，表明更高的應變率下，玻璃纖維束表現出更隨機的破壞分布.當溫度從25℃逐步升高到100℃，m也在依次減小，體現出愈發離散的分布.

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