文摘

两种类型的Precontraint PVDF涂层聚酯作为研究对象。进行一系列的单轴拉伸试验研究标本11平面方向的拉伸性能包括0°、5°,15°,25°35°、45°,55°、65°、75°、85°和90°,和六个拉伸率(10毫米/分钟,25毫米/分钟,50毫米/分钟,100毫米/分钟,200毫米/分钟,和500毫米/分钟)也被认为是。相应的失效模式和断裂机制进行了讨论,以及抗拉强度之间的关系和破坏时应变拉伸率和off-axial角度。结果表明,该Precontraint PVDF涂层机织物通常是各向异性的。随着off-axial角增加,抗拉强度降低,而破坏时应变增加。可以观察到三种故障模式,包括纱线的失败退出,纱线断裂,混合物的失败。随着拉伸率增加,抗拉强度略有增加,而破坏时应变下降。抗拉强度和破坏时应变显示与拉伸速率的对数线性关系良好。

1。介绍

膜结构是一种新的结构体系在20世纪发展起来的。这是欢迎的建筑师、工程师、和其他人,由于复杂的建筑形式和特殊的机械性能(1- - - - - -3]。其结构刚度可以通过张拉膜表面,结合曲率形式。膜预应力设计膜表面的曲率形式紧密相关。膜预应力的精度是否能满足设计要求可能会直接影响到施工精度,甚至结构安全(4]。

涂层织物是一种主要应用于膜结构材料。它只能抵抗紧张,几乎没有任何弯曲阻力。如许多现有文献所示,纯涤纶编织与PVDF涂层,力学性能之间的差异的经纱和纬纱是显著的。编织材料的结构不平衡导致不平衡的膜材料的变形。变形时应力小于纬压力、负应变变形方向可能会降低材料的应用效率。然而,它通常是有利于安装织物是不平衡的,这样就可以将在纬方向和预应力张拉引起的经向纱线的交互。然后,Precontraint编织技术提出的哔叽法拉利公司。可以获得一个更稳定的结构采用普通织物的经纱和纬纱张力,为了获得更多的一致和平衡通过布经纬刚度。到目前为止,只有少数的引用对PVDF涂层的机械性能聚酯Precontraint技术。Ambroziak进行一系列测试不同加载下的力学行为协议,如单调加载、循环荷载,和其他人5- - - - - -8]。力学参数主要包括抗拉强度、弹性模量和泊松比。然而,很少有文献对失败机制和Precontraint涂层织物的强度准则。张等人进行了off-axial拉伸测试Precontraint PVDF涂层聚酯与100毫米/分钟的拉伸率和分析相应的故障机制(9]。

我们知道,失败的机制和强度标准是重要的膜结构的设计与分析。考虑到实际工程应力状态,双轴测试可能是最好的方法来解决这个问题。然而,很难找到合适的标本进行测试。之前有一些引用的失败测试涂层织物(10- - - - - -13]。然而,直到现在,这些引用的失败的力量获得只是的故障强度双轴标本,没有这种材料的破坏力量。如今,off-axial测试可能是最合适的方法来分析失效机理的涂层面料,虽然只能生产一些简单的应力状态。一些研究人员使用off-axial测试分析失败机制和涂层织物的强度标准。off-axial测试总是包含七个角度偏差,包括0°15°、30°、45°,60°、75°、90°(13- - - - - -15]。结果表明,材料强度下降显著交互作用下的剪切和拉伸,尤其是对偏差角度从0°15°或90°- 75°。这种现象不能准确地描述当前强度标准,在剪切应力起着重要的作用在这方面16- - - - - -18]。因此,有必要减少off-axial测试的角度差距进一步研究涂层织物的失效机理。

正如先前的引用所示,当前的研究主要集中在涂层织物的力学性能在标准试验条件下推荐的准则或规范。然而,随着聚合物复合材料各向异性、加载协议可能显著影响涂层织物的力学性能4- - - - - -6,8,19- - - - - -21]。

靠风传播的碎片总是打膜的表面结构和微裂纹可能出现在膜表面。在恶劣的环境下,微裂纹很容易传播,导致膜结构的整体失败由于撕裂强度低。膜结构总是具有里程碑意义的,他们的失败将带来的经济损失和巨大的社会影响。涂层织物的rate-dependent机械性能是膜结构的设计和分析的一个重要基础。有很多引用对涂层织物在低应变率下的粘弹性性质(22- - - - - -28]。一些经典的粘弹性模型提出了建设模式中的分析和收缩率的确定切削分析(29日- - - - - -31日]。与此同时,有更少的引用动态载荷作用下材料响应。然而,在动态加载下的结构响应和高的设计也是非常重要的,例如,风致灾害的分析。因此,有必要研究涂层织物的力学性能和失效机制在不同的拉伸率。

本文提出off-axial拉伸行为和失效机制Precontraint PVDF涂层聚酯,拉伸率的影响的力学参数和故障模式进行了讨论。

2。材料和方法

Precontraint PVDF涂层涤纶法拉利1002 T2和702 T2作为研究对象,如表所示1。他们由Precontraint平原编织技术与PVDF双方顶级大衣。Precontraint技术拥有纺织在经纱和纬纱张力方向整个生产过程,以确保较高的尺寸稳定性和抗拉强度、伸长,平基布。这使得更实质性的保护涂层被放置在纱不增加整体厚度,创建一个奉承,轻纺织张力下不变形。它是具有良好的耐用性和自洁,可用于永久性的结构。

单轴测试使用的机电万能试验机温度箱。中使用的带标本总是off-axial测试。然而,失败总是出现在抓住结束,例如,破裂或滑脱,然后测试数据是无效的。因此,使用哑铃标本在该测试中,如图1。压力是有拉力的横截面的面积除以在中间。应变得到的位移测量。

3所示。结果和讨论

3.1。带比较标本和哑铃标本

,这一部分还介绍了哑铃的比较和带标本off-axial下拉伸试验的有限元分析。在有限元分析中,使用正交的本构关系和弹性模量在经纱和纬纱是600 MPa和400 MPa,分别。加沙地带标本准备根据德国标准DIN 53334 (32]。宽度是50毫米,长度是300毫米,原始标距长度200毫米。平等的样本模式对测试结果很重要。

哑铃的应力分布的比较和带标本图所示2。条标本,它可以观察到,抓住结束高应力和滑移总是出现在材料的断裂。这也是与PVDF涂层的表面光滑。这种现象是一致的拉力测试。哑铃标本,在有效面积、应力分布与脱衣舞标本是一致的。困扰的宽度大于有效面积的结束。它可以承受足够的部分力量避免标本的滑移。最大应力总是出现在有效面积和测试数据是有效的。如果失败不出现在有效面积,测试数据可以被认为是无效的。

3.2。单轴拉伸曲线

由于相同的编织方法,两种材料的拉伸行为的变化趋势(702 T2和1002 T2)是相似的。因此,布局的限制,这部分只介绍了Precontraint 702 T2的测试结果,如表所示2。

首先,拉伸速率下的拉伸行为的100毫米/分钟作为研究对象,因为100毫米/分钟是推荐的拉伸率在当前代码/规范(1]。角度0°、90°是纬和扭曲,分别。图3表明Precontraint PVDF涂层聚酯执行典型的正交的。抗拉强度之间的差异在经纱和纬纱不是很重要的平原编织面料,这是有关编织密度和编织方法(33]。Precontraint涂层面料,借口是应用于经纬纱线和更一致和更平衡的经纬刚度通过布。轴的标本,纱线断裂,卸货的一部分将被转移到相邻的纱线。由于胶强度高,纱线很难从涂层/基体界面,退出和纱线断裂的部分。然后,主要失效模式甚至失败,这是纱线断裂(图4)。当偏差角为85°和5°,会有一个与轴的标本相比明显降低。尽管有效面积的纱线数量仍然几乎不变,纱线的应用比率显著降低下tensile-shear交互。在断裂部分,大部分的纱线制作甚至和纱线的一部分从邻yarn-coating接口。此外,破坏时应变可能低于轴标本。

当偏差角的增加,例如,偏差角度75°的标本,15°、65°,25°,抗拉强度降低和破坏时应变增加。失效模式是半节骨折和相邻的一部分纱线是退出。相比较小的样本偏差角(85°和5°),拉出纱线的数量增加和骨折线的数量减少。因此,破坏时应变显著增加,断裂部分参差不齐。当偏差角是55岁,35岁和45岁的抗拉强度和应变是最低的是最高的。然后,失效模式是“接口失败”,如图4 (b)。纱线的涂层可以限制变形,这是有利于涂层织物的装载能力。材料的剪切力起主导作用的失败。“纱退出”是主要的失效模式。

在off-axial测试中,有两种类型的纱线,完整的和不完整的。随着偏置角增加,不完整的纱线的数量不变,而完整的数量的减少。从图5,由于高剪切力,不完整的纱线容易退出,然后拉伸强度显著降低。当偏差角增加从15°25°(或75°- 65°),完整的纱线的数量减少到0。然后,拉应力减小,剪应力增加,但抗拉强度的下降不是很明显。当偏差角增加从25°、45°(或65°到45°),剪切应力逐渐成为占主导地位的剪切破坏是观察。

根据SEM图像如图6(一),断裂截面甚至断裂失效模式”甚至纱线断裂。“纤维束平行于加载方向显示甚至骨折。图6 (b)通常是混合失败。中间的部分纤维束进行不均匀断裂,虽然双方拿出,伴随着少量的涂层的破坏。失效模式的“纱线退出”(图6 (c)),纤维束完全退出,然后是涂料是严重的伤害。

3.3。加载速率

图7表明,拉伸速率对材料抗拉强度的影响明显,抗拉强度随拉伸率增加。最小二乘法用于符合力学参数(抗拉强度和破坏时应变)在不同拉伸率。黑色的点是实验数据,拟合结果。如图8,随着拉伸率增加,抗拉强度提高约5% - -15%,破坏时应变约5%降低-10%。图8显示了材料抗拉强度和破坏时应变显示了良好的线性相关性与拉伸速率的对数。

如图8,抗拉强度之间的关系,在休息,和拉伸率如下: 在哪里材料的抗拉强度,牛顿·米⁻¹,破坏时应变,%;拉伸率、毫米/分钟;,,,是没有物理意义的参数。参数可以通过拟合实验数据,如表所示3。抗拉强度和破坏时应变可以预测在不同拉伸速度下使用上面的方程,可用于膜结构的力学行为在不同的拉伸率。此外,风致灾害的主要原因是膜结构的失败。抗拉强度随拉伸率增加,有利于膜的安全结构在高风速下,例如,台风。使用标准的检验方法获得的抗拉强度与100毫米/分钟的拉伸率是保守,可以增加膜结构的安全可靠性。

如图8偏见的角度相同的标本,失效模式对于不同的加载率几乎是相同的。随着偏置角增加,失效模式的改变从“甚至骨折”到“混合失败。”最后,纱线的主要失效模式退出,当偏差角是45度。随着拉伸率增加,膜材料的变形能增加和能量吸收的速度增加。因此,材料断裂韧性增加,膜破裂的最终总能量增加,这将导致膜抗拉强度的增加。与此同时,随着拉伸率增加,材料的裂纹扩展阻力增加,而破坏时应变略有减少(14]。它可以观察到当拉伸率很低,microflaws对材料抗拉强度的影响是显著的。在这里,“混合失败”是作为例子。拉伸率较低时,一边纱线很容易从邻近的纱线或涂层/纱接口。失败总是出现在边界,纱线的一部分被拔走,最后和膜材料的半节骨折。随着拉伸率增加,纱线越来越少拿出纱线断裂。然后,大多数半节骨折和更少的纱线是退出。在失败过程中,涂层失效机制中发挥着重要作用。涂层的涂层织物由衬底,而应力波可能通过不同的利率在涂层和底物。底物进行大部分的力和涂层携带更少。 Then, the coating may restrain the deformation of substrates, due to smaller deformation. Therefore, when the tensile rate is low, the material fracture toughness and the resistance to crack propagation are low. Then, the microcrack can easily propagate and lead to the failure of materials. When the tensile rate is high, the resistance to crack propagation provided by the coating increases, while there is not enough time to achieve the ultimate deformation. Then, the crack propagates slowly and the tensile strength increases, because the limit strain energy remains almost unchanged. This is also why the strain at break decreases.

应该注意的是,有轻微的差异在不同的加载率下的失效模式。如图9,当拉伸率很低,可以看出一些纱线断裂而其他纱线退出。当拉伸率高,纱线断裂而退出的纱线更少。这主要与界面强度,这是与纵向纱线之间的摩擦和横向纱线和基体和涂层之间的摩擦34,35]。此外,它可能与涂层织物的microdefects由于制造和施工过程。相关的失效模式是microdefects的分布。拉伸率较低时,微观缺陷很容易发展到宏观裂缝/拉伸荷载作用下裂缝。它可能导致许多缝的交互,这是一个复杂的故障模式。这不能预测的宏观强度标准。它只能损伤力学所描述的基于涂层织物的微观结构。

4所示。强度准则

故障判据的扩张为均质材料,复合材料的宏观强度标准受欢迎是由于操作简单的表达式。工程设计、预测的准确性和简单的表达式是失效准则的两个重要方面。在二次电流强度标准,标准被许多研究人员建议,因为他们是单值函数光滑连续的破坏包络线,特别适用于数值解(36- - - - - -40]。

为构建涂层织物,它类似于一个平面各向异性材料,其中的力学性能方向(厚度)总是忽略。当预测失败的力量建筑涂层织物、三维复合材料的失效标准应该退化成一个二维的标准。

这里,几个经典强度标准选择预测off-axial样品的抗拉强度,包括Tsai-Hill标准,Yeh-Stratton标准,Hashin标准,和张标准13,37,41,42]。他们如下所示:Tsai-Hill标准是 Yeh-Stratton标准是 Hashin标准是 张标准是 在哪里和纬的法向应力和变形,剪切应力,和纬的抗拉强度和变形,抗剪强度。

图10显示了对比实验结果和一些现有的预测强度标准。在大多数情况下,电流强度标准可以很好的预测失败Precontraint PVDF涂层织物的强度。然而,轻微的偏差出现在小off-axial角度的测试,比如15°、75°。这也许是因为褶交换的编织和涂层工艺。

Tsai-Hill标准和Yeh-Stratton标准的参数(交互项和)只与纵向强度有关。与此同时,在诺里斯标准,它是与纵向强度有关和横向强度。对于普通的机织物,它们之间的差别明显不如单向增强织物。它是一个重要的独立,但是约束力量组件。在双轴测试是非常敏感的,可以约在双轴试验。的价值的决心可以通过无数的复合应力状态。比较是用从最小二乘分析获得最佳值。的价值总是小但不忽略。此外,参数(交互项正应力和剪切应力)不容忽视,特别是对于小样本off-axial角度。

正交各向异性材料,涂层织物的力学性能是受偏见影响的角度,如图10。轴抗拉强度的标本(0到90度)是最高的,而45°标本是最低的。因此,经纬纱应该位于主应力。如果不是,膜结构的极限承载能力将减少,皱纹可能出现在极端载荷。这应该考虑根据分析和切削模式设计。在严酷的环境下,微裂纹的涂层面料很容易传播,导致膜结构的整体失败由于撕裂强度低。从上面的分析,抗拉强度略低于高加载率将会增加,这是有利于膜结构的设计在高加载率下,例如,风致灾害的分析。

最后,涂层织物不是连续均质材料在中间或微尺度。编织和涂层的过程中,纱线和涂层是一致的,定期根据织造方法。因此,在宏观尺度,它可以被考虑作为一个均质材料。这就是为什么大多数的数据可以与当前宏观强度的预测标准。力量的转移涂层面料主要是通过纱线。失败总是出现在最薄弱的点和传播迅速通过纱线。因此,传统的二次标准可能不反映涂层织物的失效机制。进一步的研究应获得一个简化的方程,基于微观结构分析。

5。结论

()Precontraint PVDF涂层聚酯通常是各向异性。随着偏置角增加,抗拉强度降低和破坏时应变增加。经抗拉强度是略高于纬,在破坏时应变低于纬。没有经纱和纬纱之间的显著差异,而不同于普通编织材料。这是有关Precontraint编织方法和编织密度。

()相关的抗拉强度主要失效模式和底物结构。当偏差角度为0°、90°,拉应力是主要,主要的失效模式是“纱线甚至骨折。“然后,抗拉强度是最高和纱线的应用比率是最高的。当偏差角度接近45°,失败是纱线拿出材料,接口失败。剪切应力占主导地位,抗拉强度是最低的。在中间的角度,主要故障模式和故障,包括纱线断裂和接口失败。

()随着拉伸率增加,抗拉强度增加而破坏时应变减少。抗拉强度显示良好的拉伸速率的对数线性关系。随着拉伸率增加,涂层织物的变形能量迅速增加,而涂层材料的约束变形增加。有稍微差异在不同加载速率下的失效模式。此外,它可能与涂层织物的microdefects由于制造和施工过程。

()大部分的电流强度准则可以更好地预测材料off-axial强度,除了15°、75°的标本。这也许是复杂的失效模式和相关的编织结构。传统优势条件总是基于均质材料,而涂层织物纱线的构成和衬底。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作是由江苏职业学院建筑技术研究项目(批准号JYA14-09)。