CFRP 片材拉伸性能試驗(yàn)研究

朱之恒，李保亮，黃國(guó)君,3，程鳳琴

(1.淮安市建筑工程檢測(cè)中心有限公司， 江蘇 淮安 223001;2.淮安東華建筑設(shè)計(jì)院有限公司，江蘇 淮安 223001；3.淮陰工學(xué)院建筑工程學(xué)院, 江蘇 淮安 223001)

0 引言

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(Fiber Reinforced Polymer，簡(jiǎn)稱FRP) 加固砌體結(jié)構(gòu)可提高砌體結(jié)構(gòu)抗折、抗剪、抗彎性能[1-3]，作為纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中應(yīng)用最廣泛的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP），人們最關(guān)心它的力學(xué)性能，而拉伸性能是CFRP 各項(xiàng)力學(xué)性能中極為重要的一項(xiàng)。本文分析了CFRP 條狀試樣與碳纖維布性能的差異及影響CFRP 條狀試樣拉伸強(qiáng)度的因素。

1 原材料及試樣制備

1.1 原材料

（1）碳纖維布，上海某公司生產(chǎn)，型號(hào)：TC2-200，理論厚度0.111 mm。

（2）碳纖維環(huán)氧樹脂粘膠，上海某公司生產(chǎn)，型號(hào)：TGE-2，A∶B= 3∶1。

1.2 試樣制備及試驗(yàn)方法

（1）CFRP 及未浸膠碳纖維布制備參照 《纖維增強(qiáng)塑料性能試驗(yàn)方法總則（GB/T 1446-2005）》，其中CFRP 如圖1 所示，拉伸試樣制備見圖2。

圖1 浸膠硬化后的CFRP

（2） CFRP 及未浸膠碳纖維布片材拉伸試驗(yàn)方法， 參照 《定向纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法(GB/T 3354-1999)》，拉伸速度為2 mm/min。

圖2 碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料拉伸試樣

2 結(jié)果與討論

2.1 試樣破壞模式

試驗(yàn)中出現(xiàn)的破壞模式主要有：①斷裂，試樣受拉伸后，隨著拉伸外力的增大，在試樣的某一部位斷裂，是正常的破壞現(xiàn)象。②炸裂，正常的破壞現(xiàn)象。試樣拉斷時(shí)，碳纖維因受內(nèi)應(yīng)力作用，在整個(gè)拉伸區(qū)域破碎，如爆炸般迸出。 碳纖維織物試樣炸裂為織物碎片。 ③破裂，碳纖維布自身的缺陷或者在裁剪過(guò)程中造成纖維絲破壞導(dǎo)致碳纖維布在拉伸過(guò)程出現(xiàn)局部破壞，主要為未浸膠碳纖維布破壞現(xiàn)象。④滑移，指試樣受拉時(shí)，由于加強(qiáng)片與碳纖維布之間粘結(jié)力較小或夾具與加強(qiáng)片之間夾持力較小導(dǎo)致加強(qiáng)片與碳纖維布產(chǎn)生相對(duì)位移，碳纖維布從增強(qiáng)片中脫離出來(lái)或者加強(qiáng)片從夾具中滑出，為異常破壞現(xiàn)象。 CFRP 與碳纖維布破壞模式分別如圖3、圖4 所示。

圖3 CFRP 破壞模式

2.2 CFRP 與碳纖維拉力應(yīng)變曲線

CFRP 與未浸膠碳纖維布如圖5、 圖6 所示，CFRP 相比未浸膠碳纖維布，顏色有所加深，而且碳纖維成一整體，碳纖維束之間的空隙均由環(huán)氧樹脂膠浸滿，環(huán)氧樹脂在碳纖維材料之間起到傳遞應(yīng)力的作用，使碳纖維可以作為一整體承受某種載荷。

圖4 碳纖維布破壞模式

CFRP 的拉力應(yīng)變曲線是線性的，達(dá)到極限荷載后，易發(fā)生炸裂或脆性斷裂，如圖5，其拉力-應(yīng)變曲線主要分為2 個(gè)階段∶第一階段主要為彈性變形階段，第二階段為脆性斷裂階段；碳纖維布的拉力應(yīng)變曲線也是線性的，隨荷載增大，變形成正比例增大，達(dá)到極限荷載后，碳纖維逐次斷裂，拉力應(yīng)變曲線呈鋸齒形下降，見圖6。 可以認(rèn)為CFRP 與碳纖維布拉力-應(yīng)變?yōu)榫€性關(guān)系，該直線的斜率即為CFRP 與纖維布的拉伸彈性模量[4]。

圖5 CFRP 拉力-應(yīng)變曲線

圖6 碳纖維布拉力-應(yīng)變曲線

2.3 浸膠對(duì)碳纖維拉伸強(qiáng)度的影響

由表1 可知，CFRP 較碳纖維布條狀試樣拉伸強(qiáng)度有所提高。 CFRP 在受拉時(shí)，碳纖維和環(huán)氧樹脂間有較強(qiáng)的粘結(jié)力，兩者在受拉過(guò)程中呈現(xiàn)應(yīng)力疊加。 另外，幾乎所有的材料都存在某種程度的結(jié)構(gòu)不完善性（缺陷）和裂縫，碳纖維的拉伸斷裂發(fā)生在裂縫處，因此碳纖維材料拉伸強(qiáng)度的大小也取決于碳纖維結(jié)構(gòu)缺陷或裂縫，缺陷或裂縫可能是纖維內(nèi)部裂縫或者表面裂縫，浸環(huán)氧樹脂膠后改善了碳纖維材料表面缺陷的狀態(tài)，提高了其最小破壞承載力，提高了CFRP 的拉伸強(qiáng)度。

碳纖維在裁剪過(guò)程中，裁布時(shí)的切斷面大部分位于纖維絲束的內(nèi)部，且容易將絲束剪斷，試件邊緣部位的半束纖維絲易與其他絲束產(chǎn)生空隙，應(yīng)力不能有效傳遞，進(jìn)而影響碳纖維拉伸強(qiáng)度[5]。 表2 顯示碳纖維布拉伸強(qiáng)度離散程度較大也與此有關(guān)，試件尺寸制作越小，碳纖維布拉伸強(qiáng)度離散越大。 另外，CFRP 較碳纖維條狀試樣伸長(zhǎng)率有所提高，這也與浸膠后提高了CFRP 極限承載力有關(guān)。

表1 CFRP 與碳纖維性能比較

表2 不同制樣尺寸條件下CFRP 與碳纖維的拉伸強(qiáng)度

2.4 制樣尺寸對(duì)CFRP 拉伸性能的影響

CFRP 及碳纖維布試樣制備尺寸越大原始標(biāo)距越大，CFRP 及碳纖維布拉伸強(qiáng)度越小。 碳纖維的缺陷或裂縫是無(wú)序分布的，碳纖維的測(cè)試尺寸越大，長(zhǎng)度越長(zhǎng)，原始標(biāo)距越大，出現(xiàn)的缺陷就越多，缺陷多為碳纖維絲原絲中的空隙或夾雜物，影響碳纖維絲的強(qiáng)度[6]。 碳纖維布的層數(shù)也會(huì)對(duì)CFRP 片材的拉伸強(qiáng)度產(chǎn)生影響。 層數(shù)越多，CFRP 破壞時(shí)需要的荷載越大，但是CFRP 的拉伸強(qiáng)度會(huì)有所降低。纖維布層數(shù)越多，缺陷出現(xiàn)的概率也越大，拉伸性能便會(huì)受到影響而降低。

2.5 浸膠量對(duì)CFRP 拉伸強(qiáng)度的影響

由圖7 可知，CFRP 浸膠量存在一個(gè)最佳值，浸膠量多與少均不利于CFRP 拉伸強(qiáng)度的發(fā)揮。當(dāng)浸膠量較少時(shí)，碳纖維得不到較好的浸潤(rùn)，浸膠量較多時(shí)，碳纖維量較少，浸膠容易不均勻，強(qiáng)度也較低，本實(shí)驗(yàn)中最佳的浸膠量在35%～38%。

圖7 浸膠量對(duì)CFRP 拉伸性能的影響

3 結(jié)語(yǔ)

CFRP 較碳纖維布條狀試樣拉伸強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率均有所提高， 碳纖維布拉伸強(qiáng)度離散系數(shù)較大，而在實(shí)際工程中CFRP 及碳纖維布尺寸均較寬，因此本實(shí)驗(yàn)結(jié)果在實(shí)際應(yīng)用中不具有代表性。

制樣尺寸、層數(shù)對(duì)CFRP 及碳纖維拉伸強(qiáng)度影響較大，制樣尺寸越大，制樣層數(shù)越多，CFRP 拉伸強(qiáng)度越低，增加碳纖維布制樣寬度可降低拉伸強(qiáng)度離散系數(shù)，因此建議在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)增加碳纖維布制樣寬度。 浸膠量在35%～38%時(shí)，CFRP 拉伸強(qiáng)度最大。

[1] 黃國(guó)君, 李保亮, 丁百湛. CFRP 加固砌塊抗折性能試驗(yàn)研究[J]. 磚瓦世界，2014(11):34-37.

[2] 李保亮, 丁百湛, 朱強(qiáng)強(qiáng). CFRP 嵌入式加固砌體結(jié)構(gòu)抗剪性能試驗(yàn)研究[J]. 磚瓦世界，2014(7):33-36.

[3] 李保亮，丁百湛，黃國(guó)君，等.CFRP 嵌入式加固砌體結(jié)構(gòu)抗彎性能試驗(yàn)研究[J]. 新型建筑材料，2014（9）91-94.

[4] 李蘇蘇, 陳鳳山, 劉毅. 碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料力學(xué)性能的試驗(yàn)與分析[J]. 工業(yè)建筑, 2007, 37(5):69-72.

[5] 郭春紅, 岳清瑞, 楊勇新, 等. 碳纖維布增強(qiáng)復(fù)合材料力學(xué)性能評(píng)價(jià)[J]. 工業(yè)建筑，2006,36(2):90-93.

[6] 孫九霄, 王繼輝, 岳清瑞, 等. 結(jié)構(gòu)加固用CFRP 片材拉伸性能的試驗(yàn)研究[J]. 武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2007, 29(3): 90-93.