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碳纤维管的强度测试研究

时间:2021-07-07点击次数:42信息来源:Rev1

碳纤维复合材料具有质量轻、刚度好、比强度高、比模量高、耐高温、抗疲劳性能好可设计等特有的优越性能,用其制作的碳纤维管重量只有传统材料的80 %。由于碳纤维管在航空航天、海洋平台、工业生产、压力容器等众多领域有应用,所以其设计和力学特性必须满足使用需求。

测试试件采用碳纤维预浸料按照纵向和环向铺设层叠铺制,纵向纤维主要提供抗拉和抗压能力,环向纤维作为环向补强,并抵抗偶然横向剪力。铺层的角度为0°、±45°、90°,采用缠绕成型的方式进行加工,试件长度为500mm、厚度为1.5mm,受压的碳纤维管材的两端加强区为100mm,测试区域强度为300mm,内直径为150mm;受拉的碳纤维管两端加强区为150mm,试验长度为200mm,管的内直径为50mm。管的端部均采用机械加工,使其水平,减少偏心。

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测试采用电液伺服试验机上进行。该试验机最大拉压载荷2500kN。实验中,采用LVDT与MIS试验机同时工作,同步采集数据。另外,在每个试件的中部,按纵向和横向对称布置了8个应变片,采集试件的应变随加载变化情况,目的是与LVDT采集的数据进行比对。本次试验采用位移加载,加载速率为0.005mm/s,数据的采样频率为10Hz。

试验结果显示,该种碳纤维管具有很好抗压强度,平均强度在230MPa ,应变达到5.2 X10^ 3。在实验中,加载到破坏荷载的80%前,几乎没有肉眼可见的变化,当达到破坏荷载的80%时,可以听到噼啪的响声,属于脆性破坏,通过观察断面,树脂开裂,发现环向纤维拉断,纵向纤维折断。这说明碳纤维管受压时,荷载主要由基体承受,其强度取决于基体的强度,在测试的过程中未发现管壁屈曲,属于强度破坏。

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通过分析应变数据,可知当加载后试件变形应变达到0.005时,发出劈啪的响声,这时树脂开始有微裂纹,但肉眼观察不到,当应变达到0.015左右时,在拉断面上树脂大范围开裂,荷载主要由碳纤维承受,荷载继续增加,碳纤维管的变形量明显,刚度退化迅速,直至碳纤维拉断,试件破坏。破坏时,该碳纤维管的抗拉强度到800MPa以上,应变大到0.03 ,说明碳纤维管具有较好的抗拉伸性能。

从测试中可以看出,与钢材相比,碳纤维管材具有轻质高强的特性,尤其是拉伸强度达到了800MPa以上。但是,碳纤维材料属于脆性材料,受压破坏表现出明显的脆性断裂特性。碳纤维管材应变大约0.015以内时,应力呈线性变化,碳纤维管开裂比较严重,管材刚度退化迅速,变形增加很快。

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