文摘
单轴拉伸测试的玄武岩纤维/环氧复合材料(BF / EP)与四个不同的纤维取向进行了四种不同纤维体积分数下,和男朋友的变化/ EP复合材料失效模式和拉伸力学性能进行了分析。结果表明,当纤维体积分数是常数,抗拉强度、弹性模量和极限应变BF / EP复合材料与纤维取向角增加减少。纤维取向角不变时,抗拉强度、弹性模量和极限应变BF / EP复合材料随着纤维体积分数的增加而增加。一定程度的纤维聚类出现在环氧树脂在玄武岩纤维体积分数> 1.2%。纤维均匀分布系数和聚类纤维含量是用来描述玄武岩纤维聚类的效果。随着纤维体积分数的增加,聚类纤维含量逐渐增加,但纤维均匀分布系数降低。与此同时,基于蔡理论,几何模型和聚类纤维的拉伸力学模型建立。通过考虑纤维聚类的效果,BF / EP复合材料抗拉强度计算,计算值接近实验结果。
1。介绍
玄武岩纤维是一种新型的矿物纤维制成的天然的玄武岩的融化在高温(1400 - 1500°C) (1]。因为它的高弹性模量和抗拉强度等特点,广泛应用于机械制造等行业,航空,和建筑材料2- - - - - -5]。玄武岩纤维/环氧复合材料(BF / EP)是由添加具体的量(体积分数)的玄武岩纤维环氧树脂。玄武岩纤维的加入有效地降低了环氧树脂(矩阵)的内部压力,改善其力学性能(6]。
因为抗拉强度高,重量轻,方便施工,BF / EP复合材料可以作为一种新型的加固材料,用于修复和加固的混凝土结构和钢结构在土木工程(7]。例如,钢筋混凝土材料是粘在拉伸区域组件(墙、梁、板和列),这可以有效地提高其承载能力,避免过度横截面的变形,并防止裂纹扩张(8- - - - - -10]。混凝土梁的剪切区域,增强材料可以有效地改善其抗剪能力(11,12]。通过粘合加固材料梁和柱的交集,极限应变的塑性铰区可以约束,和混凝土结构和钢结构的抗震性能可以提高(13,14]。同时,与玻璃纤维/环氧复合材料(GF / EP)和碳纤维/环氧复合材料(CF / EP),由于它的优良性能,如更高的耐蚀性,良好的耐久性、耐高温,BF / EP复合材料可用于加强结构(混凝土和钢)后长期化学腐蚀或暴露于火,这样结构的使用寿命提高。相关研究表明,钢筋组件(钢筋混凝土)具有较高的疲劳抵制(15]。因此,BF / EP复合材料也可以用来加强桥梁结构,坝体长期作用下的疲劳载荷。
总之,密集的制造工艺和机械性能的研究BF / EP复合材料在土木工程中的应用提供了有力的帮助。目前,对BF / EP复合材料的研究主要集中在纤维表面改性对力学性能的影响(16,17),但有一些研究纤维分布的影响BF / EP复合材料的拉伸性能。然而,纤维分布也可以对机械性能有重要影响的BF / EP复合材料(18- - - - - -20.]。作为主要参数反映了矩阵内的纤维,纤维取向是一个重要因素影响BF / EP复合材料的力学性能21,22]。因此,一些学者已经尝试使用流场方向(由一个内部流体粘性力)矩阵控制纤维取向的养护。例如,杨et al。23]进行研究流场形成的两个同心旋转圆筒之间的间隔和纤维运动流场和方向。他们的研究结果表明,纤维和面向流场。使用数值算法采用有限体积和有限差分方法,张和杰24]分析了纤维增强聚合物熔体的流动行为收缩流室。结果表明,剪切运动占主导地位时,纤维东方在气旋旋转,而拉伸占主导地位时,纤维表现出单轴拉伸。
在本文中,使用一个手工制作的槽设备,16种BF / EP复合材料(不同体积分数和不同纤维方向)生产。这些男朋友/ EP复合材料的单轴拉伸测试进行。目的是了解纤维取向的影响和纤维体积分数对BF / EP复合材料的拉伸性能,并提供一些实验依据的设计和工程应用BF / EP复合材料。
2。实验和研究BF / EP复合材料的拉伸性能
2.1。材料参数和原材料
聚酰胺固化剂使用,和丙酮稀释剂。矩阵是根据质量比的复合米1(环氧树脂):米2(固化剂):米3(稀释剂)= 38:25:1。固化后测试,矩阵有抗拉强度为16.67 MPa,极限应变0.002,21.73 MPa的剪切强度和固化残余应力的0.31 MPa。使用的纤维是切碎的不连续玄武岩纤维,和物理力学指标列在表中1。
2.2。BF / EP复合材料的设计和技术
首先,我们设计的基本参数BF / EP复合材料。体积分数玄武岩纤维测试是0.6%,0.9%,1.2%,1.5%。方向角矩阵的纤维0°,15°、30°、45°。每个样本的大小是10毫米×20毫米×300毫米,和三个样本组成一个组。
其次,我们使用一个手工制作的设备制造的玄武岩纤维/环氧复合材料。环氧树脂,固化剂和稀释剂是根据预先确定的比例混合,形成液体环氧树脂矩阵。玄武岩纤维是接着说,混合搅拌了两分钟。由此产生的混合物被倒进料斗的槽段设备(图1)。混合流槽的模具在重力的影响下,形成一个伸长的流场矩阵导致纤维取向接近伸长流场方向(25,26]。通过控制槽和表面之间的角度,形成不同的重力流字段。斜槽角度15°23°30°、45°面向生产的玄武岩纤维/环氧复合材料与纤维体积分数为0.6%,0.9%,1.2%,和1.5%,分别。例如,图2展示了一个面向玄武岩纤维/环氧复合材料(= 0.9%)。
第三,我们的男朋友/ EP复合材料具有不同纤维方向。矩阵固化完成后(约48小时20°C±2°C),沿着纤维方向,我们将样本包括角度0°、15°、30°、45°,因此获得BF / EP复合材料与四个不同的纤维取向。
2.3。对实验结果的分析
单轴拉伸测试使用帕- 1000万能试验机进行了收集和应力-应变曲线的加载速率5 N / s。图3显示了拉伸试验机器(帕- 1000)。
图3显示了拉伸试验装置。拉伸应力-应变曲线不同的男朋友/ EP复合材料(不同的纤维取向和不同纤维体积分数)给出了数据4(一)- - - - - -4 (d)。根据图4(一),当为0.6%,是0°、15°和30°,与环氧树脂基体相比,BF / EP复合材料的抗拉强度增加了16%,8%,和1%,分别和极限应变增长了22%,5%,和1%,分别。根据图4 (b),当为0.9%,是0°、15°、30°、45°,与环氧树脂基体相比,BF / EP复合材料的抗拉强度增加了45%,36%,22%,和12%,分别和极限应变增长了29%,22%,8%,和4%,分别。根据图4 (c),当为1.2%,是0°、15°、30°、45°,与环氧树脂基体相比,BF / EP复合材料的抗拉强度增加了90%,81%,56%,和34%,分别和极限应变增长了88%,54%,35%,和20%,分别。根据图4 (d),当为1.5%,是0°、15°、30°、45°,与环氧树脂基体相比,BF / EP复合材料的抗拉强度增加了106%,98%,80%,和58%,分别和极限应变增长了114%,75%,38%,和21%,分别。表2列出了抗拉强度和极限压力的男朋友/ EP复合材料。一个可以看到的玄武岩纤维具有不同的影响提高抗拉强度和极限应变的矩阵。当纤维体积分数是常数时,抗拉强度和极限应变的BF / EP复合材料随着纤维取向角降低。纤维取向角不变时,抗拉强度和极限应变的BF / EP复合材料随着纤维体积分数的增加而增加。
(一)
(b)
(c)
(d)
矩阵的弹性模量和BF / EP复合材料可以通过计算得到应力-应变曲线的弹性部分的斜率(数字4(一)- - - - - -4 (d))。计算结果给出了表2。从表可以看出2当纤维体积分数是常数,BF / EP复合材料的弹性模量随纤维取向角增大而减小。例如,当为0.6%,是0°、15°、30°、45°,与环氧树脂基体相比,BF / EP复合材料的弹性模量增加了59%,34%,27%,和13%,分别。当纤维体积分数为0.9%,1.2%,和1.5%,趋势BF / EP复合材料的弹性模量与纤维体积分数为0.6%。
它也可以从表2当纤维取向角是常数,BF / EP复合材料的弹性模量随纤维体积分数增加而增大。例如,当是0°和0.6%,0.9%,1.2%,1.5%,与环氧树脂基体相比,BF / EP复合材料的弹性模量增加了59%,71%,93%,和124%,分别。纤维取向角15°时,30°、45°,趋势BF / EP复合材料的弹性模量是类似的纤维取向角0°。
在结论中,抗拉强度、极限应变、弹性模量的男朋友/ EP复合材料纤维的取向和体积分数相关。进一步分析的影响方向和纤维体积分数对BF / EP复合材料的拉伸性能,下面的增强系数介绍: 在哪里是男朋友/ EP复合材料的拉伸性能指标,如抗拉强度 ,弹性模量 ,和极限应变 ,和的拉伸性能指标矩阵,如抗拉强度 ,弹性模量 ,和极限应变 。因此,增强抗拉强度系数()、增强弹性模量系数()和极限应变的增强系数(),不同方向和体积分数,可以从表中获得2。我们使用线性回归方法分析增强系数的变化和纤维取向角和纤维体积分数。安装面函数
的相关系数(2)- (4)是0.9677,0.9783和0.9791,分别。这些实验结果提供了有用的指导BF / EP复合材料的设计和制造(27)图5。
3所示。分析BF / EP复合材料的拉伸断裂模式
我们分析了样品的拉伸失效模式通过扫描电子显微镜观察样品的断裂表面。发现有一定程度的聚集发生在环氧树脂时,玄武岩纤维体积分数> 1.2%。图5显示图像BF / EP复合材料样品的断裂表面。数据5(一)和5(b)显示聚集纤维在断裂表面纤维体积分数分别为1.2%和1.5%。这发生聚集,因为纤维和矩阵进行不同的混合机制,这使得它很容易在环氧树脂纤维分布均匀。因此,一些纤维存在于组织或包20.]。
这种纤维集聚可以被称为“纤维聚类。“由于纤维聚类的效果,只有小纤维之间的差距,使矩阵很难进入纤维的团聚体,有裂缝在纤维聚集(图5 (c))。纤维在纤维聚集是松散绑定到矩阵,和最常见的表现为纤维拉伸断裂模式退出,而外围纤维的纤维聚集都绑定到矩阵,其最常见的拉伸失效模式呈现为纤维拉掉(图5)。根据蔡理论(28,29日),当矩阵的裂缝,因为张力超过其抗拉强度,其所有负载转移到纤维的。纤维接近其屈服强度和破碎的矩阵。因此,纤维和基体的结合强度大于纤维的屈服强度,同时,纤维和基体的结合强度大于矩阵的抗拉强度。因此,纤维发挥增强作用的矩阵。
然而,矩阵是摧毁在撤军前纤维达到屈服极限,和纤维和基体的结合强度小于纤维的抗拉强度,所以纤维不发挥增强作用的矩阵。同样,裂缝在纤维集群导致基体开裂提前在某种程度上,和复合材料的抗拉强度降低(图5 (e))。与样品断裂纤维表面集群,样本的断裂表面粗糙,有大疙瘩当纤维均匀分布(图5 (f))。这些碰撞发生,因为纤维均匀分布时,他们债券的矩阵,减少矩阵内的应力集中和改变基体开裂应力路径,从而导致更大的断裂表面的粗糙度。原因是固体材料的拉伸强度降低,断裂表面的三维粗糙度的增加(30.,31日]。总之,纤维聚类在某种程度上降低了纤维的利用率和降低抗拉强度的提高矩阵。因此,在设计和BF / EP复合材料的工程应用,应该试图减少或避免纤维聚类。
4所示。性能和机理分析纤维增强环氧树脂基复合材料的拉伸性
4.1。表征纤维聚类的效果
考虑一个凝聚的面向纤维和基体材料的邻近区域mesocharacteristic单元,如图6。
(一)
(b)
图6(一)展示了集群之间的焊接产生的应力纤维和基质材料,和图6 (b)显示生成的侧限应力矩阵凝固收缩纤维聚集。因此,压力作用于纤维基质材料的团聚体 在哪里压力作用于聚类纤维在基体材料;纤维和基体之间的结合强度是材料;集群之间的粘结表面积纤维(纤维的数量吗)和环氧树脂;是纤维之间的摩擦系数;的周长是纤维团聚体;和分别是,纤维的直径和长度;是单一的平均围压应力纤维在纤维结块;和是纤维团聚体的侧限应力的数值等于矩阵凝固收缩)所产生的残余应力。因此,压力作用于矩阵的聚类纤维材料可以分为纤维和基体之间的结合力和纤维之间的摩擦材料。然而,压力作用于纤维均匀分布在基质材料是纤维之间的结合力和基质材料。在此基础上,不考虑纤维提示区,纤维均匀分布系数介绍了代表聚类纤维的抗拉强度的影响的复杂;也就是说, 在哪里的压力均匀分布在基质材料和纤维债券的领域吗均匀分布的纤维和基质材料。对纤维团聚体的几何特征的分析,我们假设(包含有团聚体的纤维的基质材料和纤维)纤维的排列的纤维团聚体包括一个三角形的安排和一个正方形排列(如图5(c)),从纤维的纤维中心外围聚集,随机形成的多边形国, ,如图7,被称为“站在多边形fiber-clustering模式。”
如果的内角是吗站在多边形 , 的数量是最外围聚集纤维和纤维的周长是站在多边形 ,然后,之间的关系和可以根据几何关系推导出:
方程(9)可以简化
所有的边缘站在多边形向外偏移了形成站在多边形 ,在哪里的面积是站在多边形 。因此, 在哪里和分别,纤维在纤维的数量聚集在正方形和三角形的安排。认为纤维内部的纤维聚集在正方形和三角形的安排;因此,数量的范围可以确定纤维的纤维聚集来 。通过和纤维聚集的截面积近似的面积多边形 ,当纤维随机形成的集群站在多边形,均匀分布系数
4.2。分析BF / EP复合材料的拉伸性能与纤维聚类
基于蔡理论(28,29日),如果我们把男朋友/ EP复合材料纤维增强多个复杂,那么复杂的抗拉强度是弹性纤维和基体材料的抗拉强度的叠加: 在哪里在弹性阶段的应力复杂;基质材料的应力;压力作用于纤维;和分别是基体材料的体积分数和纤维的体积分数; ; ; 环氧树脂基体的弹性模量;和纤维的弹性模量。如果我们假设矩阵材料裂纹后抗拉强度达到拉伸力,那么所有负载转移到纤维,直到他们被打破,因此, 在哪里的抗拉强度是复杂和的抗拉强度是纤维。在[32- - - - - -34),它是假定不连续纤维均匀分布在基质材料。通过考虑纤维取向的影响、长度和纤维与基体之间结合材料抗拉强度的复杂,纤维的有效系数, ,介绍了抗拉强度是由吗 在哪里纤维长度系数,纤维和基体材料的债券系数,然后呢是材料的纤维取向系数矩阵。鉴于纤维聚类的存在,纤维复合材料包含集群纤维和纤维均匀分布。因此,体积分数的比例()集群的纤维体积分数()的纤维被定义为集群的纤维含量 :
根据(2)和(13),BF / EP复合材料的抗拉强度与纤维聚类考虑
代表的男朋友/ EP复合材料和样品体积分数为0.6%,0.9%,1.2%,和1.5%的放大观察切割和抛光后,内聚类纤维的数量和布置,如图8纤维(a)(结块)。纤维聚集在图的排列模式8(a)减少,纤维聚结和矩阵的切割线材料是固体,多边形,如图8(b)。所有固体内偏移多边形的边缘形成一个虚线多边形,多边形纤维形成的中心外围的结块的纤维。我们计算面积固体的多边形和周长虚线的多边形。表3列表和的值纤维结块的代表部分BF / EP样本不同体积分数的玄武岩纤维。
通过一段从面向玄武岩纤维/环氧复合材料样品用不同体积分数(0.6%,0.9%,1.2%,1.5%),每一个的长度是12毫米,代表体积单位,纤维的有效系数()根据计算方法32- - - - - -34),0.33 (35]。然后我们计算了均匀分布系数的纤维聚集代表性体积单元使用(14),把这些系数的平均值作为纤维的均匀分布系数代表体积单位。代表性体积单元的聚类纤维含量计算根据(18)。图9显示了纤维均匀分布系数和集群纤维含量不同的纤维体积分数。如图9随着纤维体积分数的增加,纤维均匀分布系数降低,纤维聚类的内容增加。
用纤维均匀分布系数在不同纤维体积分数和聚类纤维内容到(16),我们获得了BF / EP复合材料抗拉强度计算值和纤维集群效应考虑在内。图10显示了BF / EP复合材料抗拉强度计算值equidistributed纤维(不考虑纤维聚类的效果:),BF / EP复合材料抗拉强度计算值和纤维聚类效果考虑,和男朋友/ EP复合材料抗拉强度测试值不同的纤维体积分数。
从图10,一个可以看到男朋友的计算值/ EP复合材料抗拉强度没有考虑(即纤维聚类效果。,fibers are distributed uniformly), the calculated values of the BF/EP composite material tensile strength values with fiber clustering effect taken into account, and the BF/EP composite material tensile strength values obtained by testing all increase as the fiber volume fraction increases. When the fiber volume fraction is constant, the calculated value of the BF/EP composite material tensile strength without consideration of fiber clustering (i.e., if fibers are distributed uniformly) is higher than the test value and has a larger deviation. Other research [36)表明,当纤维分布均匀,蔡理论预测的复杂的强度值明显偏离了试验值。然而,当纤维体积分数是常数,BF / EP复合材料抗拉强度计算值与纤维集群效应考虑低于equidistributed纤维和更接近试验值。线性回归的结果计算值之间的男朋友/ EP复合材料纤维抗拉强度考虑集群效应和测试值如下: 在哪里是男朋友/ EP复合材料抗拉强度测试和获得的价值是男朋友的计算值/ EP复合材料抗拉强度考虑纤维聚类的效果。相关系数> 0.991,这表明一个强大的线性相关性。这个结论可以为预测提供了理论依据和参考价值BF / EP复合材料的抗拉强度。
5。结论
不同的纤维取向和BF / EP复合材料抗拉强度实验进行了分析,并研究不同纤维体积分数进行的失效模式。以下可以得出结论:(1)一定量的玄武岩纤维的抗拉强度、弹性模量和极限应变显著提高环氧树脂复合材料。当纤维体积分数是常数时,抗拉强度、弹性模量和极限应变BF / EP复合材料与纤维取向角增加减少。纤维取向角不变时,抗拉强度、弹性模量和极限应变BF / EP复合材料随着纤维体积分数的增加而增加。(2)纤维发挥增强作用的矩阵时,纤维和基体的结合强度大于纤维的屈服强度。然而,矩阵是摧毁在撤军前纤维达到屈服极限,和纤维和基体的结合强度小于纤维的抗拉强度,所以纤维不发挥增强作用的矩阵。(3)的计算值BF / EP复合材料的抗拉强度与纤维集群效应考虑和测试值表现出很强的线性相关(相关系数为0.991)。这个结论可以为预测提供了理论依据和参考价值BF / EP复合材料的抗拉强度。
数据可用性
使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。
信息披露
这项工作提出了抽象的形式在“第八届国际会议上计算方法(ICCM2017)。”
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
作者要感谢提供的机会ICCM2017交换”拉伸力学性能和失效模式的玄武岩纤维/环氧树脂复合材料。”作者欣然承认中国的国家自然科学基金的支持(没有。11572244)和NSAF(没有。U1630144)。