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。     

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。     

单向KFRP的应变率相关的本构方程

在旋转盘式杆杆型冲击拉伸试验装置上 ,对单向Kevlar 49纤维增强酚醛树脂复合材料(KFRP)进行了冲击拉伸试验 ,得到了应变率为 15 0 ,40 0和 15 0 0s-1下的单向KFRP的完整拉伸应力应变曲线 ;结果表明 ,单向KFRP的力学性能是应变率相关的。通过改进复合丝束模型 ,建立了计及应变率效应的单向KFRP的一维损伤宏观本构方程。     

PMMA低、中应变率单向拉伸力学性能的实验研究

利用MTS810试验机和自行研制的中应变率材料试验机对有机玻璃(PMMA)准静态(应变率为2.00×10-2s-1,2.01×10-3s-1和2.38×10-4s-1)和中应变率(应变率为18.6s-1,2.81s-1,6.54×10-1s-1和2.92×10-1s-1)单向拉伸力学性能进行了实验研究。应变率为2.38×10-4s-1时,应力-应变曲线中存在软化段。结果显示,在上述应变率范围内,PMMA的力学性能具有明显的应变率相关性,表现为应变率强化、应变率硬化和高速脆性。PMMA的拉伸力学性能在应变率达到18.6s-1时出现了更大的应变率敏感性。采用包含一个非线性弹簧和六个松弛模式的粘弹性模型分析PMMA力学性能的应变率相关性,得到PMMA在低、中应变率下单向拉伸的本构方程,理论结果与实验结果符合较好。     

聚碳酸酯的高应变率拉伸实验

为了解应变率对聚碳酸酯拉伸力学行为的影响,在旋转盘式间接杆杆型冲击拉伸试验机和MTS809材料试验机上,对聚碳酸酯棒材进行了高应变率和准静态加载下的单向拉伸试验,应变率分别为380 s-1、800 s-1、1750 s-1和0.001 s-1、0.05 s-1,得到了聚碳酸酯的拉伸应力应变曲线.试验结果表明:聚碳酸酯的拉伸力学性能具有明显的应变率相关性,其屈服应力和失稳应变随应变率的增加而增大.依据试验结果,采用朱王唐粘弹性本构模型来描述聚碳酸酯的非线性粘弹性拉伸力学行为.模型结果显示,在本文实施的应变率范围内,朱王唐模型可以较好地表征聚碳酸酯的拉伸应力应变响应.     

大理岩动态拉伸强度及弹性模量的SHPB实验研究

提出了获取脆性材料动态拉伸强度及弹性模量的实验步骤及相关记录数据的分析方法。利用直径为100mm的分离式Hopkinson压杆径向冲击巴西圆盘和平台巴西圆盘试样,测试了大理岩在高应变率加载下的动态力学性能。应力波加载下动态劈裂拉伸圆盘在试样中心产生了约45/s的拉伸应变率。分析了实验的有效性并考虑了试样两个端面应力波波形差异的影响以提高实验结果的精度。结果表明准静态下的公式可适用于动态劈裂拉伸实验;大理岩的动态拉伸强度及弹性模量比静态时有明显的增加。     

聚氨酯(PU)在力学性能测试中的摩擦效应与变形均匀性研究

作为防弹玻璃夹层材料,PU的动态力学性能一直受到学者们的关注。为准确表征其动态力学性能,本文采用ABAQUS有限元软件对不同摩擦系数下的单轴压缩试验进行数值仿真,分析试样加载端面的摩擦效应和几何尺寸对单轴压缩试验结果的影响;结合高速摄影技术(HSP)与数字图像相关技术(DIC)观测到试样在拉伸试验中的动态变形场和应变场,探讨标距段的应力均衡性;同时对PU材料在不同应变率下的单轴压缩、拉伸力学性能进行测试。结果表明:压缩试样的端面摩擦效应限制横向变形,影响了试样内部的受力分布,使得测量得到的应力值偏大;试样长径比越小,端面摩擦效应的影响越大;在单轴动态拉伸试验中,板状拉伸试样的标距段选取应当考虑两端倒角尺寸。通过测试PU的拉、压力学性能,发现材料具有显著的应变率敏感性。     

三维正交机织复合材料的力学性能研究

利用材料试验机装置开展了三维正交机织Kevlar/乙烯基树脂复合材料力学实验,实验表明面内经向拉伸和厚度z方向压缩时,材料具有一定的应变率效应,厚度z方向压缩强度远大于面内压缩强度,而面内经向和纬向的拉伸强度则相当.结合纤维的编织方式,对这些现象做了必要的定性分析.最后,本文基于三维正交机织复合材料的结构特点,推导了一组可用于估算三维正交机织复合材料弹性模量的公式,估算结果和实验值接近.     

花岗岩动态力学性能的实验研究

介绍了利用Φ74mm SHPB试验装置进行花岗岩的动态压缩试验和动态劈裂拉伸试验的结果。通过试验获得了花岗岩在100s-1～102s-1应变率加载时的动态力学参数。同时,对试件内的动态应力分布进行了数值模拟,验证了动态试验的有效性。试验结果表明,花岗岩的动态压缩和动态劈裂拉伸的力学性能表现出显著的应变率效应。随着应变率的增加,其冲击压缩破坏应力、冲击压缩破坏应变、弹性模量、冲击压缩应变能密度和动态劈裂拉伸破坏强度均有一定程度的增加。     

猪后腿肌肉的动态拉伸性能

利用生物材料试验机和套管式高聚物霍普金森拉杆装置,试验得到了猪后腿肌肉在宽应变率范围 (0.02~2100s-1)内沿纤维方向和垂直纤维方向的拉伸应力应变曲线。编写程序对动态试验中高聚物杆波 的弥散和衰减效应进行了修正。对试验结果采用了1维方差统计分析,结果发现:应变率从0.02s-1上升到 2100s-1,肌肉在2个加载方向上流动应力都显著提高,即具有明显的应变率效应;低应变率下,纤维方向的 极限强度比垂直纤维方向的大,而破坏应变无显著不同,准静态应力应变曲线的形状与其他软组织类似,开始 为足趾区,后进入线性区,接着又有1段非线性区,最后达到极限强度,试样逐渐破坏;高应变率下,应力应 变曲线无足趾区,这是因为组织中的螺旋结构来不及伸直所致。垂直纤维方向比纤维方向有更高的初始模 量,但随应变增加,两者流动应力无显著差别,且纤维方向流动应力有逐渐高于垂直纤维方向的趋势。     

原位微拉曼测试技术在碳纳米管纤维和薄膜材料力学性能研究中的应用

利用宏观应力联合原位微拉曼测试技术对双壁碳纳米管(Carbon Nanotube,CNT)纤维和薄膜材料的力学性能进行了实验分析,探讨了拉伸加载期间纤维和薄膜内CNT的载荷响应及其与宏观力学性能的关联,揭示了两种材料力学性能差异性的微观机理。实验分析表明,CNT纤维和薄膜的拉伸变形呈现弹性、强化和损伤断裂三个阶段,但其内的CNT只发生弹性变形,没有塑性形变,且没有明显的损伤或键的断裂,纤维和薄膜呈现阶段性拉伸变形的原因可归结为滑移。纤维的弹性模量显著高于薄膜,是薄膜的4.7倍,原因是弹性阶段纤维中CNT的轴向伸长对宏观应变的贡献较大。纤维和薄膜的拉伸强度相差较小,原因是强化阶段薄膜内不断有大量CNT进入承载队伍,这也使得薄膜具有比纤维更高的韧性。     

2D-C/SiC复合材料应变率相关的动态本构模型

分别在电子万能实验机和SHPB（split Hopkinson press bar）实验装置上对2D-C/SiC复合材料进行了静态、动态实验,探讨了该材料在10-4~2.8103 s-1的应变率范围内的层向压缩力学性能。实验结果表明,在动态加载条件下,2D-C/SiC复合材料的应力应变呈非线性关系。随着应变率的提高,破坏强度提高、失效应变减小,弹性模量增加。弹性模量与对数应变率基本呈线性关系。提出了一个含有与应变率相关的损伤变量的动态本构方程,该方程与实验结果吻合较好。     

中应变率下材料动态拉伸关键参数测试方法

通过高速液压伺服材料试验机进行金属材料的中等应变率动态拉伸力学性能测试。为获取精确的动态拉伸载荷数据,提出了一种拉伸载荷的间接测量方法,在不改变试验机原有结构的情况下,解决了试验机自带载荷传感器测试数据在塑性段振荡导致材料真正动力学行为被掩盖的问题;通过数字图像相关的非接触测量方式进行动态拉伸应变的测量。实验验证表明,提出的载荷和应变测试方法可实现金属材料动态拉伸试验中的力学性能参数测试。     

Kevlar/环氧树脂层合材料的动静态力学性能及本构关系

利用MTS和SHPB装置开展了Kevlar / 环氧树脂层合材料动静态力学性能实验研究,详细讨论了应变率和纤维铺设方式的不同所引起的材料力学行为的差异。根据实验结果提出了一种经验型本构模型,该模型不仅考虑了材料的应变率硬化、损伤软化效应,还通过增强系数的引入描述了纤维铺设方式对材料力学性能的影响。     

SnAgCu焊料的动态力学性能

对SnAgCu焊锡材料在应变率0.001、600、1 200、1 800 s-1下的拉伸和压缩力学性能进行了测试,得到了不同应变率下的应力应变曲线。结果表明,该材料不仅具有明显的应变率效应,而且其动、静态的塑性硬化模量差异很大。金相分析显示:准静态压缩时,塑性变形主要由晶粒的转动、变形和晶界的滑移控制;而动态压缩时,可观察到材料内部的枝状晶粒被折断为大量次级晶枝,呈现出明显不同于准静态情况下的变形机制。     

多晶纯钛在高应变率不同温度下的拉伸力学行为实验研究

利用MTS809和自行研制的旋转盘冲击拉伸试验机,对多晶纯钛进行了应变率为0.001s-1和300s-1、温度为298K至973K的拉伸试验和应变率为300 s-1不同温度下的冲击拉伸复元试验,得到了多晶纯钛的拉伸应力应变曲线和高应变率等温应力应变曲线。试验结果表明,多晶纯钛的拉伸力学行为具有应变率和温度相关性。采用修正的Johnson-Cook模型进行数值拟合,结果表明,该本构模型能较好地表征多晶纯钛在试验应变率和温度范围内的拉伸力学行为。     

准三维针刺C_f/SiC复合材料室温层向动态压缩力学行为的实验研究

为了研究应变率对准三维针刺碳纤维增韧的碳化硅复合材料(Cf/SiC)层向压缩力学性能的影响,本文利用分离式Hopkinson压杆装置对三维针刺Cf/SiC复合材料进行了应变率为10-4至6.5×103s-1的单轴压缩力学性能测试。实验结果表明,由于材料缺陷,其动态压缩强度分布遵循Weibull分布。破坏时,材料并未表现出典型的脆性破坏,而是在应力达到压缩强度后经历了较大的伪塑性变形才最终破坏。这表明三维针刺Cf/SiC复合材料沿厚度方向针刺的碳纤维有助于提高材料的韧性。同时,材料的压缩强度随应变率的升高显著增大,并与对数应变率近似成线性关系。借助光学显微镜和扫描电镜对压缩断口的观察表明:材料的失效模式随着应变率变化而发生改变。在准静态下,材料主要表现为剪切和分层破坏,而在高应变率下,则主要表现为劈裂。     

宽应变率范围下2A16-T4铝合金动态力学性能

为了研究2A16-T4铝合金的动态力学性能,利用电子万能试验机、高速液压伺服试验机及霍普金森压杆(SHPB)装置进行常温下准静态、中应变率和高应变率的动态力学性能实验,得到不同应变率下的应力应变曲线,基于修正的Johnson-Cook本构模型对它进行拟合,并分析材料中应变率力学特性对模型应变率敏感参量的影响。结果表明:2A16-T4铝合金在应变率10-4~102 s-1范围内应变率敏感性较弱,而在102~103 s-1范围内应变率敏感性较强,且应变率强化效应随塑性应变的增大而减小;同时,在10-4~103 s-1范围内具有较强的应变硬化效应,且应变硬化效应随应变率的增大而减小;此外,修正Johnson-Cook本构模型的拟合结果与实验结果吻合很好,能够很好表征材料的动态力学行为,且考虑材料中应变率力学特性可提高本构模型参量的准确性。     

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。     

酚醛层压材料的冲击力学行为及本构模型

为了研究酚醛层压材料的冲击力学行为并获得本构模型,利用万能试验机和整形修正的分离式霍普金森压杆(SHPB)装置,对材料试样进行了应变率范围为10-3~103 s-1的单轴压缩实验,得到了不同加载应变率下的应力应变曲线,对其在准静态、动态载荷下的压缩破坏机理进行了初步探讨。结果表明,酚醛层压材料具有较强的应变率效应,与准静态(1.67×10-3 s-1)时相比,在动态载荷(7×102 s-1)下,峰值应力增加了约10倍;破坏应变减少了约一半;在准静态和动态加载条件下试样力学性能的差异是由于纤维基体界面特性以及不同应变率下破坏模式的不同;采用朱-王-唐本构方程描述了酚醛层压材料力学行为,拟合得到了本构方程的系数,在加载过程中,理论计算值与实验结果吻合较好。