國產(chǎn)T800級碳纖維復(fù)絲拉伸強度測量不確定度的評定

劉高君，葛國杰，郭鵬宗，王芬，劉亮

(中復(fù)神鷹碳纖維股份有限公司，江蘇 連云港 222069)

0 引言

碳纖維是一種含碳量在95%以上的高性能纖維，具有高比模量、高比強度、強耐疲勞性等優(yōu)異性能，是理想的結(jié)構(gòu)和功能材料，被廣泛應(yīng)用于風(fēng)電、航空航天、體育用品、交通運輸?shù)阮I(lǐng)域[1]。碳纖維作為結(jié)構(gòu)材料設(shè)計應(yīng)用時，其拉伸性能通常為后者設(shè)計的核心性能指標(biāo)。因此，碳纖維復(fù)絲拉伸性能的準(zhǔn)確測量是對其性能評價的重要內(nèi)容和關(guān)鍵參數(shù)[2]。

由于碳纖維復(fù)絲拉伸性能測試屬于破壞性實驗，具有不可重復(fù)性，且受樣品、制樣過程、測試過程的穩(wěn)定性影響，盡管測試方法和實驗設(shè)備一致，實驗測試結(jié)果始終存在離散性。為了客觀全面地表征拉伸性能測試結(jié)果的可靠性，有必要對其測量進(jìn)行不確定度的評價。本文依據(jù)GB/T 3362—2017《碳纖維復(fù)絲拉伸性能試驗方法》[3]和JJF 1059.1—2012《測量不確定度評定與表示》[4]的要求，以某型號國產(chǎn)T800級碳纖維復(fù)絲為試樣，分析影響測量強度的各項因素，對其復(fù)絲拉伸強度測量不確定度進(jìn)行評定。

1 實驗方法和數(shù)學(xué)模型

1.1 實驗方法

按照GB/T 3362—2017《碳纖維復(fù)絲拉伸性能試驗方法》的規(guī)定，在溫度為(23±2)℃，相對濕度為(50±10)%的環(huán)境條件下，采用萬分之一天平測量復(fù)絲的線密度，采用密度梯度管法測量復(fù)絲的體密度，采用34TM-5拉力機測試復(fù)絲樣條強度。復(fù)絲的線密度標(biāo)準(zhǔn)為(0.450±0.012)kg/m，體密度為(1.79±0.02)kg/m3，以拉伸速度20mm/min對試樣施加載荷，保持試驗條件不變，1組試樣重復(fù)測量，共測試10組。

1.2 數(shù)學(xué)模型

依據(jù)實驗原理建立數(shù)學(xué)模型：

δi=P*ρf*10-6/t

式中：δi——拉伸強度，MPa；

P——破壞最大載荷，N；

ρf——復(fù)絲的體密度，kg/m3；

t——復(fù)絲的線密度，kg/m。

2 結(jié)果和討論

2.1 測量不確定度的來源

根據(jù)實驗方法和計算公式，測量結(jié)果的不確定度來源主要有拉伸破壞的拉力試驗機、復(fù)絲線密度和體密度的測量、測量結(jié)果重復(fù)性。測量時試樣的選取、試樣制樣過程中的工藝操作等因素均會影響測試的強度，因這些因素不包含在測量體系對不確定度評定的范疇[4]，因此本文僅對拉伸破壞的拉力試驗機、復(fù)絲線密度和體密度、測量結(jié)果重復(fù)性的測量進(jìn)行不確定度的評定。

其中重復(fù)性測量屬于測量不確定的A類評定，依據(jù)校準(zhǔn)證書、儀器準(zhǔn)確度等級的屬于不確定的B類評定，如拉力試驗機的不確定度依據(jù)校準(zhǔn)證書計算為B類評定。

2.2 不確定度分量的評定

2.2.1 試樣線密度t測量引起的不確定分度

(3)線密度t測量引起的不確定度UA(t)。在相同條件下，1組試樣測量3個，共10組，表1為測數(shù)數(shù)據(jù)匯總表，由表1可計算出線密度t的合并樣本標(biāo)準(zhǔn)差并得到UA(t)。測量次數(shù)n=3 ，組數(shù)m=10，則有：

其相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度U3=0.004 809/0.450=1.068 6%。

表1 線密度測試數(shù)據(jù)匯總表

2.2.2 試樣體密度ρf測量引起的不確定分度

(1)密度柱引起的不確定度UB(ρf)。由密度柱校準(zhǔn)證書可知，密度柱的不確定度Urel=1%，k=2，則U4=Urel/k=0.5%。

(2)體密度ρf測量引起的不確定度，UA(ρf)。在相同條件下1組試樣測量3個，共10組，表2為測數(shù)數(shù)據(jù)匯總表，由表2可計算出體密度ρf的合并樣本標(biāo)準(zhǔn)差并得到UA(ρf)。測量次數(shù)n=3，組數(shù)m=10，則有：

其相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度U5=0.002 514/1.79 =0.1404%。

表2 體密度測試數(shù)據(jù)匯總表

2.2.3 拉力試驗機測量引起的不確定分度

由拉力試驗機校準(zhǔn)證書可知，拉力試驗機的不確定度Urel=0.22%，k=2，則U6=Urel/k=0.22%/2=0.11%。

2.2.4 測量結(jié)果引起的不確定度UA(δi)

在相同條件下，1組試樣測量6個有效樣條，共10組，表3為拉伸強度數(shù)據(jù)匯總表，10組的平均強度為δi=5 923 MPa，由表3可計算出拉伸強度δi的合并樣本標(biāo)準(zhǔn)差并得到UA(δi)。測量次數(shù)n=6 ，組數(shù)m=10，則有：

其相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度U7=89.605 9/5 923 =1.512 7%。

2.3 合成相對不確定度

將各分量引入的相對不確定度匯總(表4、圖1)，各輸入分量間互不相關(guān)，將測量結(jié)果代入不確定度進(jìn)行合成，則Urel(δi)2=U12+U22+U32+U42+U52+U62+U72，則Urel(δi)=1.927 6%.標(biāo)準(zhǔn)不確定度為U(δi)=Urel(δi)×δi=1.927 6%×5 923 MPa=114 MPa。

表3 拉伸強度測試數(shù)據(jù)匯總表

表4 各分量引入的相對不確定度匯總表

圖1 各分量引入的相對不確定度

2.4 擴展不確定度的計算

在95%置信概率下，取包含因子k=2，則測量結(jié)果的擴展不確定度U=kU(δi)=2×114 MPa=228 MPa。

2.5 減小測量不確定度的方法

由圖1可知，復(fù)絲拉伸強度測量不確定度的主要來源為測量結(jié)果重復(fù)性和線密度計算。根據(jù)建立的數(shù)學(xué)模型可知，線密度是引入不確定度的關(guān)鍵。為減小拉伸強度測量的不確定度，可通過以下方法降低引起的不確定度分量，一是采用合適的測量設(shè)備，如精準(zhǔn)度更高的刻度尺；二是規(guī)范試樣的制樣過程，確保試樣制樣的均勻性；三是固化測試過程中樣條的放置位置等；四是選擇熟練的測試人員進(jìn)行制樣和測量，從而最大限度地穩(wěn)定測量體系，以期確保測量的穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

(1)某型號國產(chǎn)T800級碳纖維復(fù)絲拉伸強度的擴展不確定度結(jié)果為(5 923±228)MPa，由各不確定度分量可得出，影響合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的主要因素為復(fù)絲線密度和測量結(jié)果。

(2)為減小拉伸強度測量的不確定度，可通過采用合適的測量設(shè)備、規(guī)范試樣的制樣過程，固化測試過程中樣條的放置、選擇熟練的測試人員進(jìn)行制樣和測量等方法確保測量的穩(wěn)定性。