復(fù)合材料在高低溫環(huán)境下測試拉伸性能的差異及注意事項
一、測試標(biāo)準與方法
1. 、國際/行業(yè)標(biāo)準
A、ISO 527-4/5:適用于復(fù)合材料拉伸試驗,規(guī)定試樣尺寸、加載速率及數(shù)據(jù)采集方法。
B、ISO 14126:針對復(fù)合材料壓縮試驗,適用于高低溫環(huán)境。
C、ISO 14129:規(guī)定剪切試驗方法,包括高低溫條件下的測試。
D、ASTM標(biāo)準:
E、ASTM D3039:低溫拉伸試驗標(biāo)準,適用于聚合物基復(fù)合材料,規(guī)定試樣制備、溫度控制及數(shù)據(jù)記錄要求。
F、ASTM D5083:高溫拉伸試驗標(biāo)準,涵蓋溫度范圍、加載速率及失效判斷準則。
G、ASTM D695:壓縮試驗標(biāo)準,適用于高低溫環(huán)境下的復(fù)合材料。
2、國家標(biāo)準:
AGB/T 1040:中國拉伸試驗標(biāo)準,結(jié)合國際標(biāo)準制定適合國內(nèi)需求的測試方法。
BGB/T 3355:壓縮試驗標(biāo)準,規(guī)定高低溫測試條件及數(shù)據(jù)處理的細節(jié)。
3、測試設(shè)備
A、高低溫環(huán)境箱:
B、溫度范圍:-100℃至350℃,配備液氮或二氧化碳冷卻系統(tǒng)(低溫)及電阻加熱系統(tǒng)(高溫)。
C、溫度均勻性:高溫下控制在±3℃,低溫下控制在±2℃。
4、拉伸試驗機:
A、載荷精度:0.5級或更高,配備高精度傳感器。
B、位移測量:使用引伸計或數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)(DIC),高溫下需耐高溫型號(如高溫引伸計)。
5、夾具:
A、材質(zhì):耐高溫/低溫材料(如不銹鋼、鈦合金),避免熱膨脹導(dǎo)致夾持力變化。
B、設(shè)計:確保試樣對齊,減少應(yīng)力集中,高溫夾具需防氧化,低溫夾具需防冷脆。
6、試樣制備
A、標(biāo)準試樣:矩形截面(寬25mm,長250mm),厚度根據(jù)材料類型調(diào)整(如陶瓷基復(fù)合材料通常為2-4mm)。
B、方向:根據(jù)測試需求(如0°、90°纖維方向)切割試樣。
C、打磨:去除加工缺陷,表面粗糙度Ra≤1.6μm。
D、清洗:使用酒精或丙酮清潔,避免油污影響測試結(jié)果。
E、高溫測試:試樣需在測試溫度下預(yù)處理1小時,消除熱歷史。
F、低溫測試:試樣需緩慢降溫至目標(biāo)溫度,避免熱沖擊。
二、高低溫對拉伸性能的影響
1、高溫環(huán)境(如800℃~1200℃)
A、彈性模量:
初始線性段彈性模量與室溫相近,但第二線性段(塑性變形階段)彈性模量顯著降低(如SiC/SiC復(fù)合材料在高溫下第二模量下降30%-50%)。
B、拉伸強度:
強度下降:高溫導(dǎo)致基體軟化,纖維與基體界面結(jié)合減弱,強度降低(如SiC/SiC在1200℃時強度下降約20%)。纖維強度下降:高溫下纖維(如SiC纖維)本身強度降低,加速材料失效。
C、斷裂伸長率:
增加:高溫下基體軟化,纖維拔出長度增加,失效應(yīng)變提高(如1200℃空氣環(huán)境中,失效應(yīng)變增加20%-40%)。
D、失效模式:
斷口特征:纖維拔出嚴重,基體開裂,界面脫粘,呈現(xiàn)韌性斷裂特征。
微觀機制:基體裂紋擴展,纖維斷裂,界面滑移主導(dǎo)失效過程。
2、低溫環(huán)境(如-40℃~-196℃)
A、彈性模量:
增加:低溫下基體分子鏈運動受阻,模量提高(如聚合物基復(fù)合材料在-40℃時模量增加10%-20%)。
B、拉伸強度:
強度提高:低溫下基體脆性增加,但纖維增強效果維持強度,部分材料(如碳纖維增強復(fù)合材料)強度略有上升。
C、斷裂伸長率:
顯著降低:基體脆性導(dǎo)致塑性變形能力下降,斷裂伸長率減少50%-70%。
D、失效模式:
斷口特征:脆性斷裂,斷口平整,纖維斷裂為主,基體開裂少。
微觀機制:微裂紋擴展,基體與纖維界面結(jié)合增強,但低溫導(dǎo)致裂紋快速貫穿。
三、測試關(guān)鍵差異與注意事項
1、溫度控制
A高溫測試:
保護氣體:使用惰性氣體(如氬氣)防止氧化,流量控制在5-10L/min。
溫度均勻性:通過熱電偶監(jiān)測,確保試樣區(qū)域溫差≤±3℃。
B、低溫測試:
降溫速率:控制在3-5℃/min,避免熱沖擊。冷凝控制:低溫箱內(nèi)濕度≤30%,防止試樣表面結(jié)霜。
2、數(shù)據(jù)采集
A高溫測試:
非接觸式測量:采用DIC技術(shù)記錄變形,避免高溫對引伸計的影響。
數(shù)據(jù)頻率:≥100Hz,捕捉快速變形過程。
B、低溫測試:
耐低溫引伸計:使用液氮冷卻的引伸計,或通過DIC遠程測量。數(shù)據(jù)穩(wěn)定性:低溫下傳感器信號需放大處理,確保精度。
3、試樣安裝
A、高溫測試:
夾具預(yù)熱:夾具與試樣同步升溫,避免熱梯度導(dǎo)致夾持力變化。
試樣對齊:使用激光對準系統(tǒng),確保拉伸軸與試樣中心線重合。
B、低溫測試:
夾具防冷脆:夾具表面鍍鎳或使用柔性材料,減少低溫下應(yīng)力集中。
試樣固定:采用砂紙或膠粘劑增強夾持,防止低溫下試樣滑動。
4、結(jié)果分析
A、溫度依賴性:
繪制應(yīng)力-應(yīng)變曲線,對比不同溫度下的彈性模量、強度、斷裂伸長率。
分析溫度對纖維-基體界面、裂紋擴展的影響(如通過SEM觀察斷口)。
B、失效機制:
高溫:關(guān)注基體軟化、纖維強度下降及氧化效應(yīng)。
低溫:關(guān)注基體脆性、熱收縮應(yīng)力及微裂紋擴展。
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