单纤维微拉伸力学性能测试与分析

针对微尺度材料力学性能测试与尺度效应实验研究的需要,自行研制了一台FMT-I型高精度纤维材料微拉伸力学性能实验装置,并基于LabVIEW软件平台开发了相应的数据采集与控制系统,实现了测试过程的全自动化。该装置的测力传感器由非接触式激光位移传感器和两端固定的薄梁组成,可同时测量试样的拉伸力和上夹持端的位移量,帮助精确地获取试样的载荷-变形曲线。采用该装置对微米级直径的多晶铜丝、316L不锈钢纤维和T300碳纤维进行了拉伸测试。实验结果表明,直径为18～105μm多晶铜丝的拉伸力学行为并无明显的尺度效应;多晶铜丝和316L不锈钢纤维的弹性模量分别在43.9～60.0GPa和102.9～111.5GPa之间,均低于宏观尺度下材料的弹性模量;316L不锈钢纤维的抗拉强度和延伸率随着丝径的减小而降低;T300碳纤维的弹性模量为235.4±12.4GPa,抗拉强度为3238.2±280.8MPa,断裂应变约为1.5%。另外,相同的细铜丝材料的测试结果与Instron5848型商用拉伸试验机的测试结果进行了对比,吻合良好。通过系统的实验分析表明,该装置具有较高的精度和稳定性,适用于各种纤维材料的拉伸力学性能测试。     

Kevlar29纱线动态拉伸力学性能与本构方程

为了能够清晰地表征芳纶纱线在不同应变率下的力学行为,进行了Kevlar29纱线的准静态和动态拉伸试验,结合分离式霍普金森拉杆理论和运动目标追踪法,获得了Kevlar29纱线在不同应变率下的应力-应变曲线,分析了纱线动态拉伸的变形与断裂过程,揭示了Kevlar29纱线力学性能的应变率效应;通过最小二乘法拟合得到了基于纱线应变率效应的黏弹性本构方程,分析了三元件和五元件本构模型的差异及适用性。结果表明：随着应变率升高,Kevlar29纱线的断裂应变减小,拉伸强度和韧性先增大后减小,拉伸模量先增大后趋于稳定;五元件黏弹性本构模型能够较好地表征纱线力学性能的应变率效应。     

单纤维与裂纹交互微力学:完整粘接纤维

使用微拉曼光谱技术研究裂纹前喙Kevlar49芳纶纤维交互微力学行为.在建立Kevlar49芳纶纤维轴向变形与拉曼频移线性关系的基础上,通过逐点测量裂尖前喙完整粘接纤维上的应力分布,探讨了裂纹与完整粘接纤维的交互作用,建立了完整粘接纤维上的应力传递模型.Ⅰ型裂纹切口前方的高应力区造成粘接完好纤维上出现应力集中,应力强度因子K1影响着纤维应力集中长度.     

碳纤维T300力学性能测试与替代刚性抽油杆可行性分析

根据井下温度条件和作业要求确定研究方案,利用日产AG-10k N万能试验机分别测量20℃、40℃、60℃、80℃、98℃时GH公司生产的6K T300碳纤维的拉伸强度。结果发现,其在40℃~60℃左右拉伸强度最高,98℃时的拉伸强度与常温下接近,但总体上拉伸强度在常温至98℃之间比较稳定,能够适应井下采油时地下温度变化的要求。通过测量经过原油分别浸泡3天、5天、10天、30天、60天、180天后6K T300材料的拉伸强度,得出该碳纤维材料对原油腐蚀非常敏感的结论。最后提出要替换刚性抽油杆必须对碳纤维材料进行原油腐蚀性研究的建议。     

几种高性能纤维束的冲击动力学性能实验研究

利用直拉式Hopkinson装置研究了碳纤维、无碱E玻璃纤维、Kevlar 4 9/96 4 /96 4c、Twaron2 0 0 0、DyneemaSk6 6等纤维的动态拉伸性能。与准静态加载条件下相比 ,纤维束的拉伸强度基本与应变速率无关(玻璃纤维除外 ) ,而纤维束的弹性模量和失效应变随应变率的升高而明显变大。从高分子物理以及两种无机纤维的内部微观结构特征对纤维的力学性能与加载速率的关系进行了初步的物理阐释。讨论了实验数据的发散原因。     

复合材料层板损伤后刚度衰退的实验研究

对复合材料单向板进行了0°、90°、45°拉伸实验,对铺层为[0°/90°]、[±45°]的层合板进行了拉伸实验,对玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维缠绕的NOL环试样分别进行了短梁剪切实验。实验结果表明:碳纤维/环氧树脂基体复合材料单向板没有明显的非线性行为,而层合板在树脂开裂、面内及层间剪切破坏导致的刚度降低却很明显。层间剪切破坏不仅导致剪切刚度的降低,还会引起弯曲刚度的降低。玻璃纤维、芳纶纤维增强树脂基复合材料在三点弯曲实验过程中体现了较强的抗损伤能力,韧性较好;而碳纤维增强树脂基复合材料抗层间损伤能力较差。本文用标准实验方法,跟踪载荷-变形曲线,得到了用于应力分析的刚度衰减系数。用最大应力准则及实验得到的刚度衰减系数,对直径为1400mm的纤维缠绕壳体进行了变形分析,计算结果与实验值一致性较好。     

含界面相复合材料热残余应力分析

本文分析了含有界面相纤维增强复合材料热残余应力的空间分布。针对材料实际微结构几何特点,建立含有界面相的三维三相单丝模型,用均匀和梯度函数描述界面相模量随空间变化规律,由轴对称体弹性力学理论得到单丝热残余应力分布,结果表明梯度界面降低了残余应力。通过碳纤维电阻法测出T300/环氧树脂单丝体系固化后的纤维轴向应变,与梯度界面的分析结果基本一致。用叠加方法得到密排六方结构代表性体积元(RVE)中纤维间相互偶合的应力场,同时应用有限元法分析RVE中纤维间的残余应力分布,两者结果相互验证。     

二氧化硅纳米颗粒对碳纤维与环氧树脂基体粘合强度的增强

纤维与基体的粘合强度是决定纤维增强高分子复合材料性能的关键因素.本文采用横向纤维束拉伸实验的方法研究了碳纤维与经过纳米颗粒改性的环氧树脂基体间的粘合强度.平均直径为25纳米的二氧化硅纳米颗粒用特殊的溶胶-凝胶法引入环氧基体(由Hanse Chemie AG提供),可以达到很高的含量,同时保持较为理想的分散状态.实验结果表明,二氧化硅纳米颗粒对于碳纤维与改性环氧基体的粘合强度有显著的增强效应.当纳米颗粒含量为14 vol.%时,横向纤维束拉伸的断裂强度相比纯环氧基体提高了104%.通过对横向纤维束拉伸样品断裂面的扫描电镜观察,以及二氧化硅纳米颗粒改性环氧树脂基体材料的力学性质的测量,可以发现横向纤维束拉伸的断裂强度与改性环氧基体本身的断裂韧性之间存在良好的相关性.由此可推测纳米颗粒对环氧树脂基体材料的增韧是碳纤维与基体间界面增强的一个重要原因.     

Z-pin复合材料细观模型固化残余应力研究

针对植入Z-pin后碳纤维增强复合材料的微观结构，通过施加Z-pin周期性边界约束条件，建立了Z-pin复合材料单层板单胞细观模型．考虑固化过程中树脂体积收缩、弹性模量随固化度变化和纤维因Z-pin进入偏转因素，运用有限单元法计算了单胞结构在固化成型工艺过程中树脂和纤维应力发展和分布，并研究了Z-pin直径和分布密度对单层板面内残余应力的影响．结果表明：凝胶点之前，树脂模量和残余应力很小，凝胶点之后，树脂模量和残余应力增加较快；残余应力分布与纤维偏转有关；Z-pin直径和分布密度增加会使固化残余应力增大．     

纤维背板结构对B4C陶瓷复合装甲抗侵彻破碎特性的影响

以碳化硼陶瓷作为前置抗弹面板，以碳纤维T300、UHMWPE和Kevlar高性能纤维板的不同组合作为其复合背板，利用12.7 mm穿甲燃烧弹对不同结构的陶瓷/复合背板进行弹道冲击实验，通过回收破碎的弹体与陶瓷碎块，进行多级筛分称重，分析不同背板对应的陶瓷复合装甲的碎块分布规律与抗弹性能。研究表明：在陶瓷与纤维背板之间添加一层碳纤维板可以显著改善复合装甲的抗弹刚度梯度，提高整个抗弹靶板的结构刚度，进而改善弹体与整个面板之间的应力波传播形式，延长陶瓷锥体形成后与陶瓷面板脱离的时间和应力波在整个陶瓷面板内传播的作用时间，从而降低陶瓷面板内部拉伸波造成的拉伸断裂，延长弹体的驻留现象。利用Rosin-Rammler分布模型对陶瓷与弹体的碎块形式进行表征，结果表明：分别将一半厚度的UHMWPE纤维板和Kevlar纤维板替换为碳纤维背板，其陶瓷面板的半锥角分别增大了2.05%和4.20%，碎裂区整体平均特征尺寸分别下降了16.92%和42.96%；加入高抗弯强度的碳纤维作为复合装甲的中间过渡层后，背板的破坏形式改变，充分利用了纤维背板的高抗拉强度，从而提高整体复合装甲的抗弹性能。     

光谱带宽对单偏振光纤消光比的影响

消光比是表征单偏振光纤偏振性能好坏的特征参数之一,影响它的因素有很多,如光谱带宽。结合熊猫型单偏振光纤的测量,搭建了双轴光谱带宽测量系统,通过对单偏振光纤的光谱带宽、消光比参数的大量测量和分析,找到了光谱带宽对消光比参数影响的原因。结论是单偏振光纤的工作波长要远离光谱带宽的下限位置,即HE_(11y)模式的截止损耗峰,另外,要求HE_(11y)模式的截止损耗要陡峭,这样才能保证单偏振光纤具有高消光比特性。     

温度场中应变光纤测试方法

研究温度变化时光纤应变测试系统中的传输光纤和感应光纤产生附加相位的问题推导出附加相位与温度变化的关系式，提出消除附加相位的补偿法通过实验分析证明了补偿法对消除附加相位是行之有效的，提高了测试精度     

Shear flow rheological properties of vinylon- and glass-fiber reinforced polyethylene melts

Shear viscosity, shear stress and first normal-stress difference have been investigated for glass- and vinylon-fiber filled polyethylene melts over a wide range of shear rate by means of three kinds of instruments. The influence of fiber content and fiber properties on the rheological properties is discussed. The viscosity increases with increasing aspect ratio and fiber content, and the influence of these parameters on the flow properties is evident at low shear rates. The first normalstress difference increases more rapidly with increasing glass fiber content, especially at low shear stresses. The influence of vinylon fibers on the first normal stress-difference vs. shear-stress relationship is different from that of glass fibers.     

石英光纤端面的化学机械抛光实验研究

将化学机械抛光(CMP)技术引入光纤端面的加工过程并设计其抛光工艺,探讨了抛光垫和抛光液的类型、浓度及抛光压力、抛光盘的转速及抛光液的流速等参数对抛光性能的影响,设定了两步抛光的优选工艺.结果表明:在颗粒浓度为1%～2%,抛光液流速为100～150 mL/min,压力小于20.64 kPa,抛光盘转速90 r/min的条件下,可以得到较高的材料去除率和良好的抛光表面质量,其表面粗糙度Ra值可达0.326 nm.     

纤维混杂效应对混凝土弯曲韧性的改善

本文采用在C30混凝土中以不同的方式掺入玄武岩纤维与聚丙烯纤维,通过对8种单掺纤维混凝土试件和16种混杂纤维混凝土试件的弯曲性能进行试验研究,分析玄武岩纤维、聚丙烯纤维及其混杂纤维对混凝土弯曲力学特征的影响。试验结果表明,玄武岩纤维、聚丙烯纤维及玄武岩-聚丙烯混杂纤维的掺入对基体混凝土弯曲破坏时承受的最大荷载、破坏点挠度值和韧性指数均有很大的改善,其中,混杂纤维优于单掺纤维。混杂纤维对基体混凝土韧性指数提高最大达到18.1%。本文提出"纤维混杂效应函数"概念,并利用Matlab数据拟合出玄武岩-聚丙烯混杂纤维改善基体混凝土弯曲韧性的混杂效应函数。通过对混杂效应函数求极值,得到玄武岩-聚丙烯混杂纤维对基体混凝土弯曲韧性改善的最佳的体积掺加率,该值与试验数据基本一致。     

Torsion measurement using fiber Bragg grating sensors

In this paper, the authors study the potential of using fiber Bragg grating (FBG) strain sensors to measure the torsion deformation theoretically and experimentally. FBG sensors are bonded on the surface of a shaft. When the shaft is under torsion, there is strain induced in the FBG sensor and the Bragg wavelength will shift accordingly. According to the wavelength shift and photoelastic properties of the FBG sensor bonded to the shaft, the torsion deformation of the shaft can be obtained. To minimize the measurement error, the optimal direction of the FBG sensor is obtained. The influences of the orientation deviation of the FBG sensor are discussed. The feasibility of this method is demonstrated by experiment, and the test results agree well with the theoretical analysis.     

混合去偏干涉型光纤陀螺系统研究

本文介绍一种采用普通单模通信光纤实现中精度、低成本的新型光纤陀螺系统。文章采用模耦合机制对系统进行了初步的理论分析，提出了该方案实现高精度（偏置漂移优于０．０５度／小时）、低成本光纤陀螺的可能性。     

光纤陀螺的热分析与热设计方法

光纤陀螺随温度变化产生的热噪声及热致非互易性相移误差直接影响其使用精度。为解决温度问题，分析了光纤陀螺工作的热环境，根据光纤陀螺的体积功率密度选择了自然冷却方法，包括导热、自然对流和辐射换热的单独作用或组合。通过分析光纤线圈及其他光电器件的温度特性及温度变化产生误差的机理，指出热设计的目的是控制光纤陀螺内部的温度场分布及最高温度，并对光纤陀螺的热设计方法进行研究，包括光纤线圈的热设计、光电器件的安装方式、控制电路的热设计等。由最后热仿真与测试结果可知，热设计方法合理可行。     

用于改善光纤陀螺全温标度因数变化的环圈制作工艺

全温标度因数变化大小直接影响光纤陀螺的应用效果。随着中高精度光纤陀螺在复杂工况下的广泛应用,对陀螺标度因数变化的要求也在不断提高。光纤长度和光纤环平均直径在全温范围内的变化量是全温标度因数变化最大的影响因素。本文介绍了控制该变化量的常规方式,并提出通过不同排纤方式和不同光纤环窗口比的方法来进一步减小这种变化量的方法。通过仿真和试验证实:某型中等精度光纤环在不同制作工艺条件下全温标度因数变化量有将近300×10~(-6)的差值。     

双程前向结构掺铒光纤光源稳定性的实验研究

为了获得高稳定的光纤陀螺掺铒光纤光源,理论分析了平均波长受温度变化的影响因素,实验研究了双程前向(DPF)结构掺铒光纤光源平均波长温度稳定性。主要通过优化铒纤长度来减小铒纤的本征温度系数对光源稳定性的影响,优化泵浦功率使其引起平均波长的变化达到最小。最终获得了掺铒光纤光源在双程前向结构下的优化铒纤长度12.2m和优化泵浦功率150mW,对比分析了包括优化铒纤长度在内的三个长度下,不同泵浦功率对光源的平均波长、输出功率和谱宽的影响;测量了不同长度铒纤的本征温度系数,获得了平均波长稳定性为-0.452ppm/°C的双程前向光纤光源。