纤维增强复合材料介绍

什么是复合材料?

复合材料或纤维增强复合材料由至少两种可区分的材料组成,这些材料组合的基本目的是提高材料性能。纤维结构通常嵌入树脂(基体材料)中,然后固化。

为此,纤维和纤维束被加工成纺织品或织物。用纤维制造的大多数方法起源于纺织工业,因此,该领域中使用的大多数术语也用于增强纤维加工。纤维决定了复合材料的强度和刚度。与没有纤维的同种材料相比,排列纤维的材料的强度要大得多。当力垂直于纤维的方向施加时,刚度的增加不太明显。这个方向的强度较低。在应用中,在不同方向排列的纤维经常被组合在一起。

一般采用以下设计形式*:

          

       单向纤维                                                      双向纤维                                          短纤维

下图显示了纤维对复合材料强度的影响:

*纳米复合材料使用纳米级的极小纤维作为增强材料。. 


复合材料由什么材料组成?

常用的纤维包括:

  • 玻璃纤维(GFRP)
  • 碳纤维
  • 芳纶纤维(AFRP)
  • 陶瓷纤维
  • 聚合物纤维
  • 矿物纤维
  • 天然纤维(NFRP)

所用树脂包括环氧树脂、聚酯树脂和聚氨酯树脂。

复合材料的应用领域有哪些?

  • 航空工业(机身、驱动部件、气动部件等)
  • 汽车(底盘部件、空气动力部件)
  • 大型车体(火车、卡车和公共汽车)
  • 海洋(船体结构)
  • 风力涡轮机(转子叶片)
  • 运动器材
  • 基础设施和建筑物(建筑物维修、玻璃钢桥梁)
  • 医学工程(假肢,X光片)

为什么使用复合材料?

  • 优异的强度重量比和燃油效率
  • 高强度和弹性弯曲性能
  • 材料自由成形(强度、刚度、热阻、电阻、形状、功能)
  • 耐温性
  • 耐化学性
  • 高耐腐蚀性

为何要对复合材料进行应变测量?

复合材料和结构的特性对于确保材料耐久性至关重要。为了达到这个目的,必须进行不同的测试。测量构件变形是非常必要的。材料的应变是决定损伤效应和耐久性的关键因素。

  1. 试验台或现场构件/结构耐久性确定
  2. 标准化试样材料性能的测定。复合材料有许多不同的试验标准,涉及应变片的使用。典型的测试包括:
  • 弯曲试验(3点,4点)
  • 拉伸试验
  • 剪切试验(层间)
  • 搭接剪切(粘合试验)
  • 裸眼/实眼
  • 冲击后压缩
  • 压缩试验
  • 槽钢冲击弯曲试验
  • 钻孔承载试验

复合材料试验的挑战

计算结构性能需要复杂的方法/工具。力学性能与方向有关(强度、弹性模量、泊松比等),许多纤维复合材料的行为与金属材料相反:材料在不同方向(正交各向异性)具有不同的刚度特性。

这些材料以前的计算方法只能应用于特定情况(如 Tsai Wu)。没有通用的计算方法,也没有类似于FKM金属构件指南标准。由于是层合板结构,包括准各向同性层合板。目前,复合材料的一些计算方法已经发展出来。

另一个挑战是将应变信号转换为机械应力。

 

  • 损伤/失效机制复杂

    • 中间纤维断裂

    • 分层

    • 裂纹与纤维平行

  • 一般来说,制造公差较难控制

    • 纤维取向

    • 矩阵偏移

    • 中间纤维化合物

    • 树脂堆积

    • 异物

    • 孔隙率

    • 批量变化

  • 比传统金属材料更贵
  • 温度敏感
  • 对紫外线敏感
  • 难回收
  • 高投资成本(生产)
  • 此外,还必须考虑热弹性效应:

  • 热导率降低:复合材料的热导率低于传统金属
  • 热系数残余应力(例如混合结构)和各向异性材料行为的差异

HBM 推荐哪些应变片可用于复合材料测量?

这取决于测试应用:

  • 我们建议使用Y系列(最大5%应变)进行静态、高应变和试片试验
  • 我们建议使用M系列(最大1%应变)进行交变载荷试验

我们建议对复合材料使用 预接线 Y 系列应变片 ,因为复合材料对典型焊接温度具有临界响应。

大部分 复合材料应变片 均备有库存.

  • 单直片通常用于结构和样品测试

  • T 型应变花用于确定泊松比

  • 也可使用 3 栅应变花; 但是,仅建议使用均匀材料来确定主应变和应力方向

  • 你了解我们的 嵌入式 LI66 应变片吗?

选择测量栅丝长度

应变片测量表面下的所有应变值,然后求出平均应变。

正确的测量栅丝长度取决于测试件。栅丝长度 6mm 和 10mm 是复合材料应变测量的常用解决方案。

原则上,选择应变片的规则与混凝土相同:应变片长度应至少超过纤维间隔的5倍。应变片的宽度也应覆盖多根纤维。

由于材料的不均匀性,可能出现局部应变峰值。在这种情况下,链式应变片可用于确定应变梯度。

通常,纤维之间的应力峰值是平均应变的倍数。因此,应变片可能在某些点过载,超过其最大伸长率,尽管放大器显示出更小的应变。因此,应变片有可能在个别点过载(永久损坏)或导致整个装置故障。通过在应变片和工件之间插入一层聚酰亚胺薄膜可以消除这个问题。薄膜被粘在元件和应变片之间并进行初步整合,也就是“平均化”应变栅丝的应力峰值。 但只有在预期高应变的情况下才应使用薄膜。

应变片电阻

HBM建议在缓慢冷却材料上使用1000 欧姆应变片。也可以选择使用 350欧姆应变片。但是,建议检查应变片或复合材料是否存在不允许的温升。

激励电压

每个应变片上的电压都会转换成热量。纤维复合材料是导电性差的材料,因此发热量更大。为了保证测量的稳定性,热流Q必须与外加功率P相对应。

P = Q

下图显示了350 欧姆应变片测量栅丝在缓慢冷却材料上的发热过程:

测量点中的热量很容易在金属一起产生;尤其是与铝一起,会导致更高的热量传递。复合材料的导热系数要低得多。

当测量系统达到稳定状态时,确保在一定的加热阶段后才开始对复合材料进行测量。

以下可用于激励电压为5V的四分之一桥应用:

  • 1000欧姆测量仪器的升温时间约为3至4分钟
  • 120/230欧姆测量仪器的升温时间约为5至6分钟

对于复合材料等冷却不良的材料,HBM建议使用低于2.5 V的激励电压。较高的激励电压会导致应变片显著且持续升温。这种热量可能会在材料中积聚起来。下图显示了350欧姆应变片,0.5、2.5、5和10 V 激励电压(DC)之间的差异:

复合材料推荐(经验):

  • 0.5 V,用于冷却不良的导电性差的材料

  • 一般复合材料试验为1 V至2.5 V

四分之一桥温度响应匹配

由于长期测量过程中的温度变化,四分之一桥应用需要最佳温度响应匹配。在这种情况下,应变片温度响应匹配需要最适合热膨胀系数,以最小化热应变信号。

然而,应注意的是,由于制造公差(纤维缠绕、层生产、纤维取向、制造方法(自动化或手动)),材料特性也可能不同,因此只有近似的温度响应匹配系数,这取决于纤维复合材料。

通常建议在复合材料(α=0.5·10-6/K)上使用代号为6的应变片进行测量。这在某些情况下可能有所不同:

表面清洁

  • 在用溶剂处理塑料时要小心,因为它们可能会引起膨胀或应力腐蚀(例如,丙酮的使用至关重要)。潮湿或应力腐蚀可能产生膨胀风险。
  • 白气和异丙醇在很大程度上被认为是不重要的,特别是因为接触时间短。
  • 在关键情况下,应始终进行初步试验,因为由于改性塑料的数量非常多,因此无法作出明确的预测。这也适用于使用 RMS1 清洁剂
  • 如有可能,不应使用溶剂清洁表面。替代清洁剂包括:
    • 去离子水
    • 石油醚
    • 香皂

Surface Roughening

  • 我们建议按如下方法准备测量点:用砂布(粒度400 )粗化,然后用水清洗和冲洗(理想情况下:去离子水)。
  • 脱模剂和环氧填料需要去除(粒度400)
  • 稍微粗糙表面以激活功能(提高表面粘合性能)
  • 表面等离子体活化也有可能改善键合性能

请注意:下层纤维不得因过度粗化而损坏!

选择粘合剂并粘合

HBM 所有冷固化粘合剂均可用于安装应变片。

  • Z70 用于光滑表面
  • X60 用于粗糙的复合材料表面
  • X280 适用于高温(请注意:需要在建议温度下进行固化,见说明)

 

对于定向纤维,由于正交异性材料的特性,必须正确对齐应变片:

确保将应变片精确对准材料:

Y系列应变片,焊前固定:

1-LY41-6-350 应变片,专业安装在带有X60粘合剂的CFRP材料上:

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