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基于SHPB技术测试典型金属动态压缩性能的尺寸效应分析1. 内容概述SHPB技术作为一种先进的材料动态力学性能测试手段，近年来在材料科学领域受到了广泛关注。
在本文档中，我们将首先简要介绍SHPB技术的原理及其在金属动态压缩性能测试中的应用。
我们将通过具体的实验数据和理论分析，详细讨论不同尺寸下金属的动态压缩性能及其尺寸效应。
我们还将探讨尺寸效应对金属动态压缩性能的影响机制，为优化材料设计和提高材料性能提供有益的参考。
我们将对实验结果进行总结，并提出一些针对性的结论和建议。
通过本文档的研究，我们期望能够为相关领域的研究者提供一种基于SHPB技术的金属动态压缩性能测试方法，并为未来材料科学的发展提供有益的启示和借鉴。
1.1 研究背景金属材料的动态压缩性能是材料科学和工程领域中的一个重要研究方向，尤其在航空航天、汽车制造、建筑结构等领域具有广泛的应用前景。
金属材料在受到外部冲击或压力时，会产生塑性变形，甚至断裂。
研究金属材料的动态压缩性能对于评估其在实际应用中的安全性和可靠性具有重要意义。
传统的金属动态压缩性能测试方法主要包括霍尔效应法、光电子能谱法等，但这些方法往往存在测试时间长、精度低等问题。
基于分离式霍普金森压杆（SHPB）技术的动态压缩性能测试方法逐渐受到关注。
SHPB技术具有操作简便、精度高、时间短等优点，能够较为真实地反映材料的动态压缩性能。
在使用SHPB技术进行金属动态压缩性能测试时，尺寸效应是一个不可忽视的问题。
金属材料的尺寸效应是指材料在不同尺寸下的力学性能存在差异，这主要是由于材料的微观结构、缺陷、表面处理等因素引起的。
在研究金属材料的动态压缩性能时，必须考虑尺寸效应的影响，以便更准确地评估材料的性能。
为了深入研究基于SHPB技术测试典型金属动态压缩性能的尺寸效应，本论文首先对相关文献进行了综述，介绍了SHPB技术的基本原理、实验方法以及尺寸效应的研究现状。
通过实验和数值模拟相结合的方法，研究了不同尺寸下典型金属的动态压缩性能及其尺寸效应，为进一步优化材料和提高其性能提供了理论依据。
复合材料学报第22卷 第2期 4月 2005年Acta Materiae Compositae SinicaVol 122No 12April2005文章编号:100023851(2005)022*******收稿日期:2004204205;收修改稿日期:2004207209通讯作者:张若棋,教授,博士生导师,长期从事冲击动力学、冲击波物理的研究工作 E 2mail :zhangrq1@public 1cs 1hn 1cn动态压缩下一种碳纤维织物增强复合材料的各向异性力学性能实验研究蒋邦海,张若棋3(国防科技大学理学院应用物理系,长沙410073)摘 要: 为获得一种碳纤维二维正交平纹机织布增强树脂基复合材料准静态和动态压缩力学性能,对其三个主方向(垂直于碳布方向、碳布经向、碳布纬向),分别利用Instron 试验机和SHPB 实验技术,进行了准静态压缩和动态压缩实验。
得到了三个主方向从低应变率(10-3/s )到高应变率(约103/s )下的压缩应力2应变曲线和压缩强度,并通过分析得到了三个主方向上的动态压缩响应特点:垂直于碳布方向的力学性能及其与应变率的相关性主要由树脂基体所控制;碳布经向和纬向的力学性能主要由碳纤维所控制,并且和纤维初始微屈曲相关。
最后,分别给出三个主方向上的压缩强度和弹性模量与应变率相关性的表达式。
关键词: 碳纤维;平纹机织;复合材料;各向异性;动态性能;SHPB 中图分类号: TB 332;TB 33011 文献标识码:ADY NAMIC COMPRESSIVE MECHANICAL PR OPERTIES OF A CARBON FIBERWOVEN REINFORCED COMPOSITE :EXPERIMENTAL STU DYJ IAN G Banghai ,ZHAN G Ruoqi 3(Applied Physics Department ,Science College ,National University of Defense Technology ,Changsha 410073,China )Abstract : To understand the quasistatic and dynamic compressive mechanical properties of a kind of carbon fiber two 2dimensional orthogonal plain woven reinforced polymer matrix composite ,numbers of quasistatic and dynamic compression experiments in its three principal directions (the vertical direction of the carbon cloth ,and also the warp and fill directions in the carbon cloth )were conducted ,by means of Instron apparatus and SHPB technology respec 2tively.The compressive stress 2strain curves and compressive strength were achieved in each direction in a large strain rate range (f rom strain rate 10-3/s to about 103/s ).The experimental results show that the dynamic per 2formance of this composite in each three principal directions has its own characteristics :in the vertical direction of the carbon cloth ,the mechanical property and the strain rate effect are matrix 2dominated ;in the warp or fill direc 2tion in the carbon cloth ,the carbon fiber and its initial waviness master the mechanical property.Two formulas were proposed to model the relationship of the compressive strength and elastic modulus with the strain rate.K eyw ords : carbon fiber ;plain weave ;composite ;anisotropic ;dynamic properties ;SHPB 近年来,由于连续纤维增强复合材料具有优异的力学性能,使其在各个工程领域得到了越来越多的应用,其力学性能的研究正受到重视。
高性能混凝土的SHPB测试技术摘要高性能混凝土是一种特殊的混凝土，由于其具有高强度、高耐久性、高耐久性和较低的渗透性等特点，广泛应用于建筑结构、道路、桥梁等领域。
为了更好地了解高性能混凝土的力学性能，研究人员常使用SHPB测试技术进行测试。
本文将介绍高性能混凝土的SHPB测试技术，包括其原理、测试步骤和应用。
1. 引言高性能混凝土是一种以高强度和高性能为目标的特殊混凝土。
它具有一系列优异的力学性质，如高强度、高耐久性、较低的渗透性和较小的收缩。
在建筑结构、道路和桥梁等领域应用广泛。
为了更好地了解高性能混凝土的力学性能，研究人员常使用Split Hopkinson Pressure Bar（SHPB）技术进行测试。
SHPB是一种高速压力杆技术，可用于测量材料的高应变率动态力学特性。
2. 原理SHPB技术是一种在很短时间内施加高压脉冲到试样上的方法，主要用于测量在单向动态拉伸或压缩载荷下材料的动态力学性能。
技术的核心部分是两个导杆通过脉冲形成器与被测试材料相连。
当形成器发出一个很短的脉冲压缩后导杆相互碰撞，导致两个导杆的快速运动。
因此，SHPB测试的载荷速率比传统试验方法的载荷速率高得多。
试验与试样的动应变和动应力可通过记录两个导杆的速度波形来计算测量。
结果可用于绘制应变-应力曲线，通过不同载荷下的测试来计算材料性能。
3. 测试步骤3.1 试样准备试样应按照标准要求进行制备和切割。
在测试之前，试样的尺寸和形状应量取并与标准匹配。
试样应保持在一定的温度和湿度环境中，以避免影响测试结果。
3.2 实验条件设置SHPB测试中, 时间、应变速率和温度是需要优先设置的实验条件。
应定期检测系统参数以保证测试结果的准确性。
实验室环境的温度和湿度也应被监测，以保证测试的可靠性。
试验时，应在适当的电子显微镜下观察试样的损伤，为后续的研究提供支持。
3.3 数据采集和处理在测试中，应负责记录数据。
应根据实验标准对数据进行统计和分析，以根据结果计算出高性能混凝土的动态力学性质，同时另一方面需要根据数据进行可靠性分析。
基于SHPB的混凝土及钢筋混凝土冲击压缩力学行为研究一、本文概述随着现代工程技术的迅速发展，混凝土及钢筋混凝土材料在冲击、爆炸等极端动载荷作用下的力学行为越来越受到关注。
冲击压缩力学行为研究对于保障工程结构在极端环境下的安全性和稳定性具有重要意义。
本文基于分离式霍普金森压杆（Split Hopkinson Pressure Bar，简称SHPB）试验技术，对混凝土及钢筋混凝土在冲击压缩载荷下的力学特性进行了深入的研究。
SHPB试验技术作为一种有效的动态力学测试方法，能够模拟材料在高速冲击下的应力-应变响应，为混凝土及钢筋混凝土冲击压缩力学行为的研究提供了有力的技术支持。
本文首先介绍了SHPB试验技术的基本原理和试验装置，然后详细阐述了混凝土及钢筋混凝土在冲击压缩载荷下的应力波传播特性、应力-应变关系、能量耗散以及损伤演化等方面的研究内容。
通过对比分析不同条件下混凝土及钢筋混凝土的冲击压缩试验结果，本文揭示了材料在冲击载荷作用下的力学特性变化规律，探讨了冲击速度、试件尺寸、配筋率等因素对材料力学行为的影响。
本文还结合数值模拟方法，对冲击压缩过程中材料的破坏模式、应力波传播规律等进行了深入的分析和讨论。
本文总结了混凝土及钢筋混凝土冲击压缩力学行为研究的主要成果和结论，指出了研究中存在的问题和不足，并对未来的研究方向进行了展望。
本文的研究成果不仅有助于深入理解混凝土及钢筋混凝土在冲击压缩载荷下的力学特性，也为相关工程结构的设计和安全评估提供了重要的理论依据和技术支持。
二、冲击压缩试验技术概述冲击压缩试验技术，特别是分离式霍普金森压杆（SHPB）技术，是近年来研究材料在高应变率下动态力学行为的重要手段。
SHPB系统主要由入射杆、透射杆、吸收杆、试件、以及测量装置等组成。
当高压气体驱动入射杆撞击试件时，会在试件中产生冲击压缩效应，同时入射杆和透射杆上的应变片会记录下应变信号，进而计算出试件在冲击过程中的应力-应变关系。
文章编号:1009 6825(2011)07 0094 03S HPB 技术在混凝土动态力学性能测试中的应用收稿日期:2010 11 24作者简介:章伟宜(1970 ),男,工程师,安徽省安庆市城乡规划设计院,安徽安庆 246003章伟宜摘 要:介绍了S HPB 实验技术的实验装置和基本原理,综述了S H PB 应用于大直径试样时存在的问题及进展,为该方法应用于土木工程材料动态力学性能提供了可行的技术路线,具有一定指导意义。
关键词:S HPB 实验技术,波形弥散,试样中图分类号:TU 528文献标识码:A1 实验装置早在1914年,H opki nson 就提出了压杆技术,1949年K o lsky 改进了H opk i nson 装置提出了分离式H opk i nson 装置。
典型的S H PB 装置及数据处理系统如图1所示。
包括:子弹、压杆、测速系统、超动态应变放大器、瞬态波形采集存储系统和数据处理系统。
压杆和子弹一般由高强度合金钢或铝合金制成,压杆、试样的接触面加工平整并保持平行撞击,压杆支座不能影响应力波的传递,压杆包括入射杆、透射杆。
撞击速度通过测速器测定,入射杆和透射杆上应变计记录的应变脉冲经超动态应变仪放大后由瞬态波形存储器采集存储。
近年来,随着国防和民用的需要,S H PB 的研究对象已由金属、高聚物等均质材料发展到泡沫、混凝土等非均质材料,这些非均质材料要求试样尺寸加大,相应的S HPB 装置中的压杆直径也要加大。
为此,国内外都相继建起了大直径的S HPB 装置。
欧美等发达国家已先后建起了 51, 76, 100和200 200束型S HPB 装置[1,2],在国内,中国科学技术大学冲击动力实验室于1998年率先建成当时国内最大直径74mm 直锥变截面S HPB 装置,其装置如图2所示。
锥杆大小端直径分别为74mm ,37mm,装置中关键部位是锥杆过渡段的长度,刘孝敏、胡时胜考虑截面变化引起的弥散建议将该长度设计为大于370mm [3,4]。
软材料的低阻抗SHPB实验技术与应用张方举;何鹏;胡文军;谢若泽【摘要】The low impedance SHPB of polycarbonate (PC) bars technique was introduced, the wave propagation in the PC bars was analyzed with the method of wave propagation coefficient, and the wave propagation coefficients according to wave attenuation and dispersion were given. The waveform was predicted with the obtained attenuation exponent and phase speeds, which was accorded with the measured wave. With the low impedance SHPB technique, the dynamic stress-strain curves of two kinds of soft materials, foams and rubbers, were obtained.%介绍了一种以聚碳酸酯(PC)材料为波导杆的低阻抗SHPB系统,采用波传播系数实验方法分析PC杆中的波传播过程,得到了PC杆中与波衰减和弥散相关的波传播系数,并利用所测衰减指数和相速度预测了波形,预测波形与实测波形符合较好.应用低阻抗SHPB,获得了泡沫和橡胶两类典型低阻抗材料的动态力学性能.【期刊名称】《中国测试》【年(卷),期】2012(038)002【总页数】5页(P17-20,55)【关键词】低阻抗SHPB;衰减;弥散;应力波;软材料【作者】张方举;何鹏;胡文军;谢若泽【作者单位】中国工程物理研究院总体工程研究所,四川绵阳621900;中国工程物理研究院总体工程研究所,四川绵阳621900;中国工程物理研究院总体工程研究所,四川绵阳621900;中国工程物理研究院总体工程研究所,四川绵阳621900【正文语种】中文【中图分类】TQ328;TM934.730 引言SHPB自发明以来，由于其结构简单、数据处理简便而越来越得到广泛应用。
第43卷第3期2024年3月硅㊀酸㊀盐㊀通㊀报BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY Vol.43㊀No.3March,2024高温下玄武岩纤维增强地质聚合物混凝土的动态压缩力学行为冷玲倻1,张鹏飞2,3,梁文文1(1.江西科技学院城市建设学院,南昌㊀330098;2.江西省灌溉排水发展中心,南昌㊀330013;3.江西水利职业技术学院建筑工程系,南昌㊀330013)摘要:为研究高温下玄武岩纤维增强地质聚合物混凝土(BFRGC)的动态压缩力学行为,本文制备了纤维体积掺量为0%㊁0.1%㊁0.2%㊁0.3%的BFRGC 试件,并对其进行了不同温度(20㊁200㊁400㊁600㊁800ħ)下的动态冲击试验㊂结果表明:BFRGC 试件静态抗压强度㊁动态抗压强度和比能量吸收具有明显的温度强化效应和高温损伤效应,峰值应变表现出显著的温度塑化效应㊂BFRGC 试件的静态抗压强度㊁动态抗压强度的温度阀值为400ħ㊂随着温度的升高,BFRGC 试件的静态抗压强度㊁动态抗压强度和比能量吸收均先增大后减小,峰值应变不断增大㊂掺加适量的玄武岩纤维可以提高常温及高温下地质聚合物混凝土的静态抗压强度和动态力学性能,且其最佳掺量为0.1%㊂关键词:地质聚合物混凝土;玄武岩纤维;动态力学性能;高温;分离式霍普金森压杆(SHPB)中图分类号:TU528㊀㊀文献标志码:A ㊀㊀文章编号:1001-1625(2024)03-0914-08Dynamic Compressive Mechanical Behavior of Basalt Fiber Reinforced Geopolymer Concrete under High TemperatureLENG Lingye 1,ZHANG Pengfei 2,3,LIANG Wenwen 1(1.College of Urban Construction,Jiangxi University of Technology,Nanchang 330098,China;2.Irrigation and Drainage Center in Jiangxi Province,Nanchang 330013,China;3.Department of Construction Engineering,Jiangxi Water Resources Institute,Nanchang 330013,China)Abstract :In order to study the dynamic compressive mechanical behavior of basalt fiber reinforced geopolymer concrete (BFRGC)after high temperature,BFRGC specimens with fiber volume content of 0%,0.1%,0.2%and 0.3%were prepared,and dynamic impact tests of BFRGC specimens at 20,200,400,600and 800ħwere carried out.The results show that the static compressive strength,dynamic compressive strength and specific energy absorption of BFRGC specimens have obvious temperature enhancement effect and high temperature damage effect,and the peak strain shows a significant temperature plasticization effect.The temperature threshold of static compressive strength and dynamic compressive strength of BFRGC specimens is 400ħ.With the increase of temperature,the static compressive strength,dynamic compressive strength and specific energy absorption of BFRGC specimens increase first and then decrease,and the peak strain increases continuously.The static compressive strength and dynamic mechanical properties of geopolymer concrete at room temperature and high temperature can be improved by adding appropriate content of basalt fiber,and the optimal content of basalt fiber is 0.1%.Key words :geopolymer concrete;basalt fiber;dynamic mechanical property;high temperature;split Hopkinson pressure bar (SHPB)收稿日期:2023-11-03;修订日期:2023-12-06基金项目:江西省教育厅科学技术研究项目(GJJ202020)作者简介:冷玲倻(1986 ),女,讲师㊂主要从事土木工程材料的研究㊂E-mail:lenglingyejxkjxy@0㊀引㊀言与普通硅酸盐水泥混凝土相比,地质聚合物混凝土(geopolymer concrete,GC)不仅表现出更好的力学性㊀第3期冷玲倻等:高温下玄武岩纤维增强地质聚合物混凝土的动态压缩力学行为915能和耐化学侵蚀性,还具有绿色环保㊁低能耗㊁低碳排放等优点[1-2],是一种具有广阔应用前景的建筑材料㊂近年来,随着火灾事故不断发生,混凝土材料的高温力学性能受到了人们越来越多的关注㊂由于地质聚合物胶凝体的特殊网络结构,GC通常被认为比普通硅酸盐水泥混凝土具有更好的耐火性能,其高温力学性能也得到了大量研究[3-4]㊂然而,在实际使用过程中,建筑物在承受高温作用的同时还可能承受冲击荷载,例如火灾中上层建筑物对下部结构的撞击以及火灾中化学物质引起的爆炸等㊂因此,GC在高温-冲击耦合作用下的力学性能还需进一步研究㊂GC与普通硅酸盐水泥混凝土同属准脆性材料,其在受力过程中表现出较大的脆性[5]㊂纤维掺入后有明显的增强增韧作用,为了提高GC的变形性能和韧性,国内外就纤维增强地质聚合物混凝土(fiber reinforced geopolymer concrete,FRGC)的力学性能也做了大量研究[6-7]㊂研究[8-9]发现,掺加纤维是提高GC 变形性能和韧性的有效途径㊂玄武岩纤维不仅力学性能优异,且具有良好的热稳定性㊂因此,本文考虑使用玄武岩纤维来改善混凝土的脆性和耐高温性能㊂鉴于此,本文制备了玄武岩纤维增强地质聚合物混凝土(basalt fiber reinforced geopolymer concrete, BFRGC),并采用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验装置和电阻式箱式加热炉对BFRGC进行了20~800ħ下的动态冲击试验㊂本文通过分析不同玄武岩纤维掺量㊁不同温度下BFRGC的动态抗压强度㊁动态强度增长因子(dynamic strength increase factor,DIF)㊁峰值应变和比能量吸收,研究了高温后BFRGC的动态压缩力学行为㊂1㊀实㊀验1.1㊀原材料原材料包括粉煤灰㊁矿渣㊁NaOH㊁硅酸钠㊁碎石㊁砂㊁水和玄武岩纤维㊂粉煤灰和矿渣为胶凝材料,NaOH 和硅酸钠为碱性激发剂㊂粉煤灰为一级粉煤灰,密度为2.05g/cm3,购自华能金陵电厂㊂矿渣为水淬高炉矿渣,密度为2.97g/cm3,购自津西新材料矿渣粉厂㊂粉煤灰和矿渣的主要化学组成如表1所示㊂NaOH为片状固体,分析纯,购自昊信化工有限公司㊂硅酸钠为液体,模数为3.1~3.4,购自昊信化工有限公司㊂碎石为石灰岩碎石,粒径为5~20mm㊂砂为中砂,细度模数为2.8㊂水为洁净的自来水㊂玄武岩纤维直径为15μm且长度为9mm,密度为2.65g/cm3,购自博超工程材料有限公司㊂表1㊀粉煤灰和矿渣的主要化学组成Table1㊀Main chemical composition of fly ash and slagComposition Mass fraction/%SiO2Al2O3CaO Fe2O3Na2O TiO2MgO K2O P2O5SO3MnO Cl-Firing loss Fly ash45.8021.4013.7012.60 1.100.20 1.30 1.800.10 1.90 0.10 Slag29.4419.5738.55 10.00 3.00 2.770.010.361.2㊀试件制备BFRGC的配合比如表2所示,其中GC㊁BFRGC1㊁BFRGC2㊁BFRGC3分别表示玄武岩纤维体积掺量为0%㊁0.1%㊁0.2%㊁0.3%的BFRGC试件㊂BFRGC的具体制备步骤为:1)将碎石和砂加入混凝土搅拌机的搅拌锅中,边搅拌边添加玄武岩纤维,搅拌30s;2)将粉煤灰㊁矿渣混合均匀加入搅拌锅中,搅拌30s;3)将NaOH㊁硅酸钠和水混合搅拌均匀制成碱性激发剂,再将碱性激发剂加入搅拌锅中,搅拌2min;4)将拌合物从搅拌锅倒出,再装入模具中振捣㊁成型,室内养护1d后拆模,标养至28d龄期㊂BFRGC试件尺寸为100mmˑ100mmˑ100mm和ϕ100mmˑ50mm,前者用于静态压缩试验,后者用于动态冲击试验㊂1.3㊀试验方法高温试验:采用电阻式箱式加热炉加热试件,加热速率为10ħ/min,加热至200㊁400㊁600㊁800ħ后,恒温4h以保证试件内外的温度均匀㊂试件加热完毕后,立刻进行静态压缩试验和动态冲击试验㊂静态压缩试验:采用3000KN混凝土全自动压力试验机进行静态压缩试验,每组至少测试3个有效试件,试验结果取平均值㊂916㊀资源综合利用硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第43卷表2㊀BFRGC 的配合比Table 2㊀Mix ratio of BFRGCSpecimen Mix ratio /(kg㊃m -3)Fly ash Slag NaOH Sodium silicate Gravel Sand Water Basalt fiber GC 1003003010510336711050BFRGC1100300301051033671105 2.65BFRGC2100300301051033671105 5.30BFRGC31003003010510336711057.95动态冲击试验:采用ϕ100mm 的SHPB 试验装置进行动态冲击试验,如图1所示,加载气压为0.60MPa㊂试验波形如图2所示,采用 三波法 ,根据应变片测得的入射波应变εi 和透射波应变εt 可计算得到试件的应力σ㊁应变率εᶄ和应变ε,如式(1)~(3)所示㊂σ(t )=EA 0A s εt(t )(1)εᶄ(t )=2l s C 0εi (t )(2)ε(t )=2l s C 0ʏεi (t )(3)式中:E ㊁A 0㊁C 0分别为压杆的弹性模量㊁横截面面积和弹性波速,A s ㊁l s 分别为试件端面面积和厚度,t 为时间㊂每组至少测试3个有效试件,动态应力-应变曲线选取其中一组,其余性能指标取平均值㊂图1㊀SHPB 试验装置示意图Fig.1㊀Schematic diagram of SHPB testdevice 图2㊀SHPB 试验波形Fig.2㊀Waveform of SHPB test 2㊀结果与讨论2.1㊀静态抗压强度温度和纤维掺量对BFRGC 静态抗压强度的影响如图3所示㊂由图3可知,随着温度的升高,BFRGC的静态抗压强度先增大后减小㊂在200ħ时,BFRGC的静态抗压强度最大,GC㊁BFRGC1㊁BFRGC2㊁BFRGC3的静态抗压强度分别较20ħ时增加了8.69%㊁8.40%㊁10.57%㊁10.20%㊂随着温度的升高,BFRGC 的静态抗压强度不断减小㊂在400ħ时,BFRGC 的静态抗压强度与20ħ时接近㊂在600ħ时,BFRGC 静态抗压强度较20ħ时有所减小,GC㊁BFRGC1㊁BFRGC2㊁BFRGC3的静态抗压强度分别较20ħ时减小了18.79%㊁14.10%㊁18.96%㊁27.19%㊂在800ħ时,BFRGC 静态抗压强度显著降低,GC㊁BFRGC1㊁BFRGC2㊁BFRGC3的静态抗压强度分别为20ħ时的39.36%㊁45.32%㊁36.07%㊁31.13%㊂400ħ为BFRGC 的温度阀值,当温度低于400ħ时,BFRGC 的静态抗第3期冷玲倻等:高温下玄武岩纤维增强地质聚合物混凝土的动态压缩力学行为917㊀压强度较20ħ时有所提高;当温度高于400ħ时,BFRGC 的静态抗压强度较20ħ时有所减小㊂随着玄武岩纤维掺量的增大,BFRGC 的静态抗压强度先增大后减小㊂当玄武岩纤维掺量为0.1%时,BFRGC 的静态抗压强度最大㊂在20㊁200㊁400㊁600㊁800ħ时,BFRGC1的静态抗压强度分别较GC 增大了11.88%㊁11.58%㊁10.69%㊁18.34%㊁28.83%㊂图3㊀温度和纤维掺量对BFRGC 静态抗压强度的影响Fig.3㊀Effects of temperature and fiber content on static compressive strength of BFRGC 2.2㊀动态抗压强度BFRGC 的动态冲击试验结果如表3所示,温度和纤维掺量对BFRGC 动态抗压强度的影响如图4所示㊂由图4可知,当玄武岩纤维掺量相同时,随着温度由20ħ升高至800ħ,BFRGC 的动态抗压强度均先增大后减小㊂在200ħ时,BFRGC 的动态抗压强度最大,且较20ħ时大㊂在200ħ时,GC㊁BFRGC1㊁BFRGC2和BFRGC3的动态抗压强度分别较20ħ时增大了25.63%㊁28.37%㊁28.45%㊁26.03%,而后随着温度的升高,BFRGC 的动态抗压强度不断减小;在400ħ时,BFRGC 的动态抗压强度与20ħ时相近;在600ħ时,BFRGC 的动态抗压强度较20ħ时有所减小;在800ħ时,BFRGC 的动态抗压强度显著减小,GC㊁BFRGC1㊁BFRGC2和BFRGC3的动态抗压强度分别为20ħ时的44.88%㊁54.53%㊁42.97%㊁36.92%㊂温度对BFRGC 的动态抗压强度既有强化效应又有损伤效应,且BFRGC 的温度阈值为400ħ㊂当温度小于400ħ时,温度的强化效应占据主导地位,从而使得BFRGC 的动态抗压强度较常温时增大㊂当温度大于400ħ时,高温损伤效应占据主导地位,从而使得BFRGC 的动态抗压强度较常温时减小㊂温度相同时,随着玄武岩纤维掺量的增大,BFRGC 的动态抗压强度先增大后减小㊂不同温度下,掺加适量的玄武岩纤维均可以提高GC 的动态抗压强度㊂当纤维掺量为0.1%时,BFRGC 的动态抗压强度最大㊂在20㊁200㊁400㊁600㊁800ħ时,BFRGC1的动态抗压强度分别较GC 增大了13.25%㊁15.72%㊁14.46%㊁20.60%㊁37.60%㊂由此可见,在600和800ħ时,玄武岩纤维对GC 动态抗压强度的提高幅度更大㊂高温下,玄武岩纤维对GC 的增强效果更佳㊂表3㊀BFRGC 的动态冲击试验结果Table 3㊀Results of dynamic impact test of BFRGCSpecimen Temperature /ħStatic compressive strength /MPa Strain rate /s -1Dynamic compressive strength /MPa Dynamic strength increase factor Peak strain /10-3Specific energy absorption /(kJ㊃m -3)GC2056.490.680.0 1.4210.71785.420061.393.7100.5 1.6415.841077.040058.192.583.0 1.4318.881055.160045.894.063.6 1.3821.23689.380022.293.535.9 1.6226.14383.3BFRGC12063.190.290.6 1.4314.34917.720068.492.9116.3 1.7021.951381.240062.192.595.0 1.5224.901287.760054.293.976.7 1.4127.28988.180028.693.749.4 1.7328.59609.5918㊀资源综合利用硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第43卷续表Specimen Temperature/ħStatic compressivestrength/MPaStrainrate/s-1Dynamic compressivestrength/MPaDynamic strengthincrease factorPeak strain/10-3Specific energyabsorption/(kJ㊃m-3)BFRGC22059.691.984.0 1.4112.65882.0 20065.991.7107.9 1.6419.451307.7 40058.293.886.9 1.4921.591189.9 60048.393.266.4 1.3825.01873.5 80021.592.936.1 1.6827.09539.7BFRGC32055.994.978.0 1.3911.19823.2 20061.694.498.3 1.6018.011216.8 40056.392.478.7 1.4020.071134.7 60040.793.756.3 1.3823.29810.8 80017.490.728.8 1.6626.40459.8图4㊀温度和纤维掺量对BFRGC动态抗压强度的影响Fig.4㊀Effects of temperature and fiber content on dynamic compressive strength of BFRGC2.3㊀动态强度增长因子动态强度增长因子DIF是指BFRGC的动态抗压强度和静态抗压强度的比值,反映了BFRGC强度的应变率敏感性[10]㊂温度和纤维掺量对BFRGC DIF的影响如图5所示㊂由图5可知,温度对BFRGC的DIF有较大影响,在20~600ħ,BFRGC的DIF随着温度的升高先增大后减小㊂在200ħ时,BFRGC的DIF最大,且较20ħ时大,此时BFRGC强度的应变率敏感性最强㊂在800ħ时,BFRGC的DIF显著增大,且较20ħ时更大,强度的应变率效应明显㊂在200ħ时,由于地质聚合物的聚合反应进一步发生,BFRGC的整体结构更加致密,因此其强度应变率敏感性增强[11]㊂在800ħ时,石灰石开始分解,BFRGC的内部结构已经破坏,存在大量的裂缝,强度大幅度降低[12]㊂根据DIF的定义,800ħ时BFRGC的静态强度显著减小,且减小幅度显著大于动态抗压强度的减小幅度,因此在800ħ时BFRGC的DIF显著增大㊂随着玄武岩纤维掺量的增大,BFRGC的DIF均先增大后减小,且BFRGC1的DIF最大㊂由此可见,掺加适量的玄武岩纤维可以提高GC强度的应变率敏感性,且纤维掺量为0.1%时提高效果最佳㊂玄武岩纤维与地质聚合物具有较强的相容性,形成了相互交错的网络结构,构筑了良好的界面特性㊂同时玄武岩纤维具有优异特性,例如 加筋作用 [13-14],能将GC中的碎石和砂包络其中,形成相互联系的整体,从而提高GC的整体性,增强GC强度的应变率敏感性㊂2.4㊀峰值应变温度和纤维掺量对BFRGC峰值应变的影响如图6所示㊂由图6可知,随着温度的升高,BFRGC的峰值应变不断增大㊂BFRGC的峰值应变表现出显著的温度塑化效应,即BFRGC的峰值应变随温度增大而不断增大,800ħ时BFRGC的峰值应变最大㊂高温加热会导致BFRGC内水分的蒸发和胶凝材料以及粗骨料的分解,内部形成大量空隙,使得其变形能力提高[15],进而引起BFRGC峰值应变的增加㊂掺加玄武岩纤维可第3期冷玲倻等:高温下玄武岩纤维增强地质聚合物混凝土的动态压缩力学行为919㊀以提高GC 在高温下的变形性能㊂不同温度下BFRGC1㊁BFRGC2㊁BFRGC3试件的峰值应变均较GC 试件的大㊂相同温度下,随着玄武岩纤维掺量的增加,BFRGC 的峰值应变先增大后减小㊂当纤维掺量为0.1%时,BFRGC 的峰值应变最大㊂玄武岩纤维通过连接骨料和地质聚合物,使GC 的完整性增强,从而提高其变形性能㊂图5㊀温度和纤维掺量对BFRGC DIF 的影响Fig.5㊀Effects of temperature and fiber content on DIF ofBFRGC 图6㊀温度和纤维掺量对BFRGC 峰值应变的影响Fig.6㊀Effects of temperature and fiber content on peak strain of BFRGC 2.5㊀比能量吸收以比能量吸收SEA 来表征BFRGC 的吸能特性,SEA 的计算式如式(4)所示㊂SEA =AEc A s l s ʏT 0[εi (t )2-εr (t )2-εt (t )2]d t (4)式中:εr 为反射波应变,c 为压杆中的波速,T 为试件破坏的时间㊂温度和纤维掺量对BFRGC SEA 的影响如图7所示㊂由图7可知,BFRGC 的SEA 具有明显的温度强化效应和高温损伤效应㊂随着温度的升高,BFRGC 的SEA 先增大后减小,在200ħ时,BFRGC 的SEA 最大;在400ħ时,BFRGC 的SEA 仍较20ħ时大;在600ħ时,BFRGC 的SEA 与20ħ时相近;在800ħ时,BFRGC 的SEA 较20ħ时小㊂BFRGC 吸能特性主要取决于强度和变形能力两个因素,在20~600ħ时,BFRGC 的变形特性不断增大,强度特性先增大后减小,BFRGC 在20与400ħ时的强度特性相差不大,故在200~400ħ时BFRGC 的吸能特性较20ħ时优异,在600ħ时BFRGC 的吸能特性与20ħ时相近㊂800ħ时,BFRGC 由于强度特性的急剧下降,且强度特性下降的幅度远高于变形特性增长的幅度,其吸能特性明显降低㊂920㊀资源综合利用硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第43卷图7㊀温度和纤维掺量对BFRGC SEA的影响Fig.7㊀Effects of temperature and fiber content on SEA of BFRGC掺加玄武岩纤维可提高GC的吸能特性㊂随着玄武岩纤维掺量的增大,BFRGC的SEA均先增大后减小㊂当纤维掺量为0.1%时,BFRGC的SEA均最大㊂当纤维掺量为0.2%㊁0.3%时,BFRGC的SEA虽有所减小,但仍较GC大㊂在GC中掺加玄武岩纤维后,其可与地质聚合物界面黏结,使得玄武岩纤维对GC有增韧的作用㊂高温作用后,玄武岩纤维与地质聚合物界面的黏结减弱,但玄武岩纤维耐高温,不会分解,仍裹在地质聚合物中,因此,玄武岩纤维仍具有增韧作用㊂当玄武岩纤维掺量较大时,容易导致试件成型过程中出现搅拌不均㊁纤维黏结成团㊁局部纤维掺量过大等现象,试件内部产生大量的原始裂纹[16],从而影响试件的吸能特性㊂3㊀结㊀论1)掺加适量的玄武岩纤维可以提高常温及高温下地质聚合物混凝土的静态抗压强度和动态力学性能,玄武岩纤维的最佳掺量为0.1%㊂2)BFRGC的静态抗压强度㊁动态抗压强度和比能量吸收具有明显的温度强化效应和高温损伤效应,峰值应变表现出显著的温度塑化效应㊂3)随着温度的升高,BFRGC的静态抗压强度㊁动态抗压强度和比能量吸收均先增大后减小,峰值应变不断增大㊂BFRGC的静态抗压强度㊁动态抗压强度的温度阀值为400ħ㊂4)当玄武岩纤维掺量为0.1%时,BFRGC的DIF最大,BFRGC强度的应变率敏感性最强㊂在20~600ħ, BFRGC的DIF随着温度的升高先增大后减小,在200ħ时BFRGC的DIF最大㊂参考文献[1]㊀魏㊀铭,张长森,王㊀旭,等.微纳米材料改性地质聚合物的研究进展[J].材料导报,2023,37(4):254-263.WEI M,ZHANG C S,WANG X,et al.Alkali-activated materials modified with micro-nano additives:a review[J].Materials Reports,2023, 37(4):254-263(in Chinese).[2]㊀MATALKAH F,ABABNEH A,AQEL R.Synthesis of calcined Kaolin-based geopolymer foam:assessment of mechanical properties,thermalinsulation,and elevated temperature 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复合材料学报第22卷第2期4月2005年 c a /a e1rae n / 1r ae rn rcaVol.22No .2A p ril2005文章编号 1000-3851 2005 02-0109-07收稿日期!2004-04-05 收修改稿日期!2004-07-09通讯作者!张若棋 教授 博士生导师 长期从事冲击动力学 冲击波物理的研究工作E -m ail Z han g r C 1@p ubli 动态压缩下一种碳纤维织物增强复合材料的各向异性力学性能实验研究蒋邦海，张若棋%国防科技大学理学院应用物理系 长沙410073摘要!为获得一种碳纤维二维正交平纹机织布增强树脂基复合材料准静态和动态压缩力学性能 对其三个主方向 垂直于碳布方向 碳布经向 碳布纬向 分别利用Instr on 试验机和SHPB 实验技术 进行了准静态压缩和动态压缩实验 得到了三个主方向从低应变率 10-3s 到高应变率 约103 s 下的压缩应力-应变曲线和压缩强度 并通过分析得到了三个主方向上的动态压缩响应特点 垂直于碳布方向的力学性能及其与应变率的相关性主要由树脂基体所控制 碳布经向和纬向的力学性能主要由碳纤维所控制 并且和纤维初始微屈曲相关 最后 分别给出三个主方向上的压缩强度和弹性模量与应变率相关性的表达式 关键词!碳纤维 平纹机织 复合材料 各向异性 动态性能 SHPB中图分类号!TB 332 TB 330.1文献标识码 ADYNA M I C C0M PRES S I VE MECHANI CA PR0PERT I ES 0F A CARB0N FI BER0VEN REI NF0RCED C0M P0S I TE EXPERI MENTA STUDYJI ANG Ban g hai Z HANG Ruo C i%A pp li ed Ph y sics D e p art m ent S ci ence Coll e g e Nati onal Uni versit y of D ef ense T echnol o gy Chan g sha 410073 Chi na Abstract T o understand t he C uasistatic and d y na m ic co m p ressi ve m echanical p r o p erti es of a ki nd of car bon fi ber t Wo-di m ensi onal ort ho g onal p l ai n Woven rei nf orced p ol y m er m atri x co m p osite nu mbers of C uasistatic and d y na m ic co m p ressi on ex p eri m ents i n its t hree p ri nci p al directi ons t he vertical directi on of t he car bon cl ot h and also t he War p and fill directi ons i n t he car bon cl ot h Were conducted b y m eans of Instr on a pp arat us and SHPB technol o gy res p ec-ti vel y .The co m p ressi ve stress-strai n cur ves and co m p ressi ve stren g t h Were achi eved i n each directi on i n a l ar g e strai n rate ran g e f r o m strai n rate 10-3s t o about 103 s .The ex p eri m ental results sho W t hat t he d y na m ic p er-f or m ance of t his co m p osite i n each t hree p ri nci p al directi ons has its o Wn characteristics i n t he vertical directi on of t he car bon cl ot h t he m echanical p r o p ert y and t he strai n rate eff ect are m atri x-do m i nated i n t he War p or fill direc-ti on i n t he car bon cl ot h t he car bon fi ber and its i niti al Wavi ness m aster t he m echanical p r o p ert y .TWo f or mulas Were p r o p osed t o model t he rel ati onshi p of t he co m p ressi ve streng th and elastic modul us W it h t he strai n rate .K e y words car bon fi ber p l ai n Weave co m p osite anisotr o p ic d y na m ic p r o p erti es SHPB近年来 由于连续纤维增强复合材料具有优异的力学性能 使其在各个工程领域得到了越来越多的应用 其力学性能的研究正受到重视 连续纤维增强复合材料具有明显的各向异性力学性能特征 而且它的制作工艺对其力学性能有很大的影响 增加了连续纤维增强复合材料力学性能研究的复杂性和困难性目前 对单向纤维增强复合材料及其层叠多向板在平面应力下弹性范围内的准静态力学性能研究已经比较全面和成熟 1但对厚复合材料 即一般不是处于平面应力加载环境下的复合材料 的力学性能 复合材料的非线性特征的本构关系 以及在冲击条件下的复合材料响应等 都还处在探索性的研究当中 2 3 在国内 夏源明等对单向纤维增强复合材料在冲击拉伸条件下的力学响应及本构关系进行了较深入的实验和理论研究 取得了一系列成果 4 5 对于织物增强复合材料 一般采用细观力学的代表体积元 RVE 法来预测其弹性性能 6 7但对其在冲击条件下的力学性能和应变率效应 破坏机理还缺少认识8本文中针对一种碳纤维织物增强树脂基复合材料 对其各向异性冲击压缩性能及其应变率效应开展了实验研究 得到了有意义的结果1实验简介本文中研究的碳纤维织物增强树脂基复合材料是由碳纤维二维正交平纹机织布浸渍一种高聚树脂后层叠再热压固化而成 密度为1.38g c m 3 纤维和基体的体积分数 V f =60% V m =40% 该材料的力学性能有较强的方向性 可看作正交各向异性体 碳布的纤维走向以及材料的主方向见图1所示 图1中 方形网格代表碳纤维二维正交平纹机织布 定义垂直于碳布的方向为J 方向 J 方向也记作横向 定义碳布的经向 W ar p 为}方向 碳布的纬向 F ill 为z 方向 } z 方向都记作纵向 对该复合材料的J } z 方向进行了准静态压缩实验和动态压缩实验 SHPB 实验 获得了三个主方向上的准静态和动态下的压缩应力-应变曲线以及压缩强度图1复合材料主方向及铺层F i g .1Pri nci p al directi ons and l a m i na of t he co m p osit e图2是进行准静态 动态压缩实验的试件示意图 试件都是尺寸为d >d >h 的长方体 空心箭头代表压缩载荷施加的方向 对于准静态压缩实验 图2 a d =8mm h =20mm 对于动态压缩实验 SHPB 实验 图2 b d =12mm h =6mm 这些尺寸是根据实验要求确定的图2准静态 动态压缩实验试件示意图F i g .2;uasi st ati c and d y na m i c co m p ressi n g s p eci m enJ } z 三个方向的准静态压缩实验 是在中南大学材料测试实验室的I nstr on 材料试验机上完成的 应变率分别控制在0.001 s 0.01 s 和0.05 s 对每个试件都直接加载到材料断裂为止 以便同时得到应力-应变实验曲线和材料的准静态压缩强度值 J } z 三个方向的动态压缩实验 是在国防科技大学武器效应教研室的SHPB 设备上完成的 得到了动态压缩时的应力-应变曲线和压缩强度 图3是本次实验的SHPB 实验装置示意图SHPB S p lit-Ho p ki nson Pressure Bar 实验技术是战后发展起来获得材料动态压缩性能的一种较为准确的实验方法 正在得到广泛的应用 在SHPB 实验中 撞击杆以一定速度撞击入射杆 在入射杆中传入一个入射应力波 入射波通过试件一部分传入透射杆形成透射波一部分反射形成反图3SHPB 实验装置示意图F i g .3SHPB s y st e m011 复合材料学报射波与此同时便实现了对试件的冲击压缩加载0通过Channel-1对入射波和反射波的记录以及Channel-2对透射波的记录就可以进一步分析记录到的数据从而计算出试件所处的应变率范围和此时的应力-应变曲线0对SHPB实验记录到的数据的分析计算基于以下几个假设[3]:(1>假设压杆中只存在一维应力波;(2>假设压杆始终处于弹性状态;(3>假设试件两端应力平衡0在满足这三个假设时试件所处的应力状态与时间的关系为G S(>[E i(>E r(>E t(>]E2S(1>而应变率和时间的关系满足E S(>[E i(>E r(>E t(>]Ch S(2>式(2>只需对时间积分可得应变与时间的关系E S(>E S(>d(3>最后根据式(1>和式(3>消去时间后即可得应力-应变关系0在式(1>~式(3>中GS ~ES~ES分别为试件的应力~应变~应变率;Ei (>~Er(>~Et(>分别为记录到的入射~反射~透射应变信号;E~C~分别为压杆(入射杆和透射杆>的弹性模量~一维应力下的弹性波速以及横截面积;hS ~S分别为试件的厚度与横截面积02实验结果及其分析2.1SHPB波形分析在实验中选用的压杆材料是45#钢其弹性模量E=211GPa密度P=7.85g/c m3由此可估算出压杆中一维应力弹性波速C(E/P>1/2=5.184 mm/#s0信号采集使用的是T ek3014B数字荧光示波器采样率为100MHZ0实验时在试件与压杆的接触面涂抹了适量的二硫化钼润滑脂以减小试件和压杆接触面摩擦力的影响0实验前已测量得图3中应变片1(Ga g e1>到试件左端面的距离l1为986 mm1mm和应变片2(G a g e2>到试件右端面的距离l2为576mm1mm0如图3如果入射波右传到达应变片1时记为时间零点则反射波左传到达应变片1时的时间可以根据压杆中波速C和应变片1到试件左端面的距离l1估算出来:12l1/C=380.4#s0同样的设透射波到达应变片2的时间为2则当忽略波在试件中的传播时间时2~ (l1l2>/C=301.3#s0因此反射波起跳点与入射波起跳点的时间差为1透射波起跳点与入射波起跳点的时间差为2图4是SHPB实验得到的典型的波形(来自本次实验J方向的12#试件>0根据波形可以从图4中测量得到入射波与反射波的起跳点时间差为1=380#s跟事先估算的1=380.4#s较为符合;同时测得入射波与透射波的起跳点时间差为2= 304#s比估算的2=301.3#s略大3#s稍后可以看到这3#s的差别是因为忽略了波在试件中传播的时间0通过这个分析就较为准确地确定了入射波~反射波~透射波的起跳点0根据式(1>~式(3>就可以正确计算出应变率时间曲线和应力-应变曲线图4典型的SHPB波形F i g.4T yp i cal SHPB Wave另一方面由图4可以看到Channel-1记录的反射波在Fail ure所指处突然上跃根据一维应力波理论这就表明此时材料达到破坏失去承载能力从而引起反射拉伸波突然增大;同时透射波也记录到了材料的破坏图中Channel-2记录的透射波的顶点对应材料承受的最大载荷之后材料破坏失去承载能力载荷急剧下降0观察表明:反射波和透射波从起跳到破坏都在84#s左右这也说明起跳点的位置的正确性同时还表明材料从开始加载到破坏失效也是84#s左右0根据计算得到的J方向12#试件的应力-应变曲线可知其弹性模量ES=5.44GPa再根据试件密度PS=1.38g/ c m3可估算出试件中的波速为C S=1.985mm/ #s所以波在6mm厚的试件中传播的时间为3#s 左右波在试件中传播一个来回的时间约6#s因此在材料破坏前的约84#s中应力波可在试件111蒋邦海等:动态压缩下一种碳纤维织物增强复合材料的各向异性力学性能实验研究两端来回反射14次左右9足以使试件两端达到应力平衡o 另外9波在试件中传播的时间约3#s 也正好补足了前面提到的 2与 2的差别o对于其他试件得到的波形9也作了类似分析9以保证计算和实验结果的可靠性o 2.2三个方向上各应变率下的应力 应变曲线图5给出了此次实验得到的三个正交方向(J \}\z >上不同应变率下的压缩应力-应变实验曲线o 图5J \}\z 方向上不同应变率下的应力-应变实验曲线F i g .5Co m p ressi ve ex p eri m ent al stress-strai n cur vesi n J 9}9z directi ons at diff erent strai n rat es 值得指出的是9图5中给出的应变率是材料破坏时对应的即时应变率o 因为在SHPB 实验中应变率是变化的9要获得完全的恒定应变率加载是不可能的9正是由于这个原因9得到的应力-应变实验曲线是一定应变率变化范围下的曲线o 由于要分析强度与应变率的相关性9用材料破坏时的即时应变率来代表应力-应变实验曲线所处的应变率o在J 方向9不同应变率下的应力-应变曲线表现出了明显的非线性特征o J 方向垂直于碳布9如图69而碳纤维多为线弹性材料9应变率效应不明显9所以碳纤维二维正交平纹机织布增强树脂基复合材料的横向力学性能9诸如非线性弹性\应变率相关性等9主要反映了高聚树脂基体的力学特性[3]o图6J 方向压缩F i g .6Co m p ressi on i n J directi on}(W ar p >\z (F ill >方向9对碳布来说都是纵向9但有较大差别的力学特性9反映在各应变率下9}方向的应力-应变曲线在破坏之前都表现出较明显的线性性质9而z 方向的应力-应变曲线在接近破坏时发生明显的非线性变化o 同时9在相接近的应变率下9}方向的压缩强度\弹性模量都大于z 方向的相应值o 造成上述差别的原因可作如下分析o首先9}方向的压缩响应主要由碳纤维占主导9而碳纤维是线弹性材料9所以}方向的应力-应变曲线呈现线性特征9但是树脂基体的力学性能是与应变率相关的9它对}方向在高应变率下的力学行为也作出相应贡献9使得}方向的弹性模量和压缩强度都出现应变率强化效应o而z 方向的应力-应变曲线在初始段也有较明显的线性特征9在接近破坏时才表现出非线性特征o 我们认为这和}\z 两个方向的纤维初始微屈曲(I niti al Wavi ness or m i sali g n m ent >不同相关o 纤维的初始微屈曲在复合材料热压固化时会不可避免地产生9但对于二维正交平纹机织布增强的复合材211 复合材料学报料机织工艺却对经向和纬向纤维的初始微屈曲产生不同的影响因为在二维正交机织过程中由梭子带动纬向F ill纤维来回横向穿过经向W ar p纤维完成纺织经向纤维处于拉紧状态而纬向纤维相对松弛因而造成纬向纤维微屈曲程度比经向纤维更严重图7是二维正交机织的示意图由于较大的纤维初始微屈曲z方向的动态压缩响应必须考虑基体非线性剪切性能的影响910纤维的初始微屈曲较严重和基体的非线性剪切性能是造成z方向的压缩强度较低以及接近破坏前的非线性响应的原因图7二维机织示意图F i g.7TWo-di m ensi onal Woven基于以上的讨论下面进一步说明J方向的弹性模量比}z方向小而强度比}z方向大的原因J方向的力学性质主要由高聚树脂基体所控制而}z方向的力学性质主要由碳纤维及其初始微屈曲所控制在弹性范围内树脂基体的刚度不如碳纤维这就造成了J方向的弹性模量比}z方向小而J方向的最终破坏模式与}z 方向不同这就造成了它们压缩强度的差异具体地说由于纤维初始微屈曲的影响}z方向的破坏与基体非线性剪切性能相关由层间基体的剪切破坏导致材料在}z方向失去承载能力如图8a所示而J方向单轴压缩产生的最大剪应力面要穿过若干碳布铺层要剪断若干碳布纤维才能使材料在J方向失去承载能力如图8b所示考虑到基体的剪切强度远不如碳纤维所以材料在J 方向的强度比}z方向大上述实验结果表明准静态压缩实验中在应变率0.001s0.01s和0.05s下测到的三个方向的应力-应变曲线并没有显著变化说明材料压缩性能在该应变率范围下对应变率不敏感但随着应变率增加到足够大时三个方向的应力-应变曲线相对于准静态情况都有较大的变化表现出了应变率强化效应即随应变率的增加三个方向初图8J和}或z方向的压缩示意图F i g.8Co m p ressi on i n J and}or z directions图9J}z方向上不同应变率下的压缩强度和弹性模量F i g.9Co m p ressi ve stren g t h and el asti c modul usi n J}z directi ons at diff erent strai n rat es311蒋邦海等动态压缩下一种碳纤维织物增强复合材料的各向异性力学性能实验研究始弹性模量和压缩强度都有所增加但是这种应变率相关性在三个方向上是不相同的这也是该复合材料各向异性力学性质的一种表现3弹性模量和压缩强度与应变率的相关性通过对实验结果的分析可以得到本文作者研究的复合材料的各向异性的动态压缩力学性能并且发现在三个方向上的弹性模量和压缩强度存在不同的应变率强化效应如图9所示值得指出图9中的横坐标是相对应变率的自然对数相对应变率是指实际应变率与参考应变率的比值参考应变率取为准静态的应变率0.001s为了定量分析弹性模量和压缩强度的应变率强化效应W eeks等根据修改简化后的Johnson-Cook模型对强度与应变率的相关性进行了分析1112本文作者从实验结果出发对三个主方向上的压缩强度和弹性模量的应变率强化效应分别用下式来建立模型G d G S AEE04E d E S B l nEE05式中Gd 是动态下的压缩强度E和E分别是应变率和参考应变率要拟合的参数是GS A 和0Ed是动态下的弹性模量E和E分别是应变率和参考应变率要拟合的参数是ES和B表1给出了参数的拟合结果图9给出了式4和式5的计算结果和实验结果之间的比较表1压缩强度和弹性模量的应变率强化效应拟合结果Table1F itti n g results of t he rel ationshi p of t he co m p ress ive stren g t h and el astic m odul us w it h strai n rateD irecti onPara m et ers ofco m p ressi ve stren g t hPara m et ers ofel asti c modul us G S M Pa A M Pa0E S GPa B GPaJ T ransverse2350.0001100.932 4.790.0625 }W ar p1400.4280.335 6.640.170 z F ill1067.780.126 5.240.185从表1可以看出三个主方向的GS 和ES近似等于准静态下各方向的压缩强度和弹性模量A0和B则分别表示三个主方向压缩强度和弹性模量的不同的应变率相关性4结论为获得一种碳纤维二维正交平纹机织布增强树脂基复合材料准静态和动态压缩力学性能对其三个主方向垂直于碳布方向碳布经向碳布纬向分别利用I nstr on试验机和SHPB实验技术进行了准静态压缩和动态压缩实验得到了三个主方向从低应变率10-3s到高应变率约103s下的压缩应力-应变曲线和压缩强度并通过分析得到了三个主方向上的动态压缩响应特点垂直于碳布方向的力学性能及其与应变率的相关性主要由树脂基体所控制碳布经向和纬向的力学性能主要由碳纤维所控制并且和纤维初始微屈曲相关最后分别给出三个主方向上的压缩强度和弹性模量与应变率相关性的表达式感谢卢芳云教授提供的实验条件以及在实验过程中的帮助和指导!同时也感谢林玉亮同学在实验上的帮助"参考文献!1王兴业肖加余唐羽章等.W an g X i n gy e X i ao Ji a y u T an g YuZ han g e al.复合材料力学分析与设计M.M echani cal Anal y si s and D esi g n of Co m p osit es M.长沙国防科技大学出版社Chan g sha Nati onal Uni versit y ofD ef ense T echnol o gy Press1999.14-53.2Robert L S i erako Wski.S trai n rat e behavi or of co m p osit es Is-sues A.I n H i g h S trai n Rat e E ff ects on Pol y m er M et aland Cera m i c M atri x Co m p osit es and O t her Advanced M at eri-als C.AD-Vol48AS ME1995.1-5.3Hsi ao H M D ani el I M Cor des R D.D y na m i c co m p ressi ve behavi or of t hi ck co m p osit e m at eri als J.EJ P eri m en alM ec hanics1998383172-180.4X i 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SINICA年，卷(期)：2005,22(2)被引用次数：10次1.王兴业;肖加余;唐羽章复合材料力学分析与设计 19992.Robert L Sierakowski Strain rate behavior of composites: Issues 19953.Hsiao H M;Daniel I M;Cordes R D Dynamic compressive behavior of thick composite materials[外文期刊] 1998(03)4.Xia Yuanming;Wang Xin;Yang Baochang Constitutive equation for unidirectional composites under tensile impact 19965.Xia Yuanming;Wang Xin;Yang Baochang Brittle-ductilebr-ittle transition of glass fiber reinforced epoxy under tensile impact 19936.吴德隆;沈怀荣纺织结构复合材料的力学性能 19987.王瑞;王建坤;武玲平纹织物复合材料的弹性模量预测[期刊论文]-复合材料学报 2002(01)8.顾伯洪织物弹道贯穿性能分析计算[期刊论文]-复合材料学报 2002(06)9.Morais A Balaco de Prediction of the layer longitudinal compression strength 200010.Barbero E J Prediction of compression strength of unidirectional polymer matrix composites[外文期刊] 1998(05)11.Weeks C A;Sun C T Nonlinear rate dependent response of thick-section composite laminates 199512.Vinson J R;Woldesenbet E Fiber orientation effects on high strain rate properties ofgraphite/epoxy 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聚丙烯纤维混凝土动态力学性能SHPB试验研究
聂忠纯;浣石;陶为俊;蒋国平;伍承彦;曾庆飞
【期刊名称】《科技信息》
【年(卷),期】2009(000)003
【摘要】通过对不同含量聚丙烯纤维混凝土材料进行不同应变率的SHPB试验,试验结果表明,聚丙烯纤维混凝土的强度、韧度都随着聚丙烯纤维含量的增加而显著提高,并且在高应变率下,聚丙烯纤维混凝土呈现出"裂而不散"的破坏形态.
【总页数】2页(P40-41)
【作者】聂忠纯;浣石;陶为俊;蒋国平;伍承彦;曾庆飞
【作者单位】广州大学工程抗震研究中心,广东,广州,510405;广州大学工程抗震研究中心,广东,广州,510405;广州大学工程抗震研究中心,广东,广州,510405;广州大学工程抗震研究中心,广东,广州,510405;广州大学工程抗震研究中心,广东,广
州,510405;广州大学工程抗震研究中心,广东,广州,510405
【正文语种】中文
【中图分类】TU5
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