标距和应变率对Kevlar49单束拉伸力学性能的影响

为探究Kevlar 49单束的尺寸效应及应变率敏感性, 首先, 利用MTS万能试验机对不同标距(25、50、100、150、200和300 mm)的Kevlar 49单束进行了准静态(应变率为1/600 s-1)拉伸测试; 然后, 利用Instron落锤冲击系统对标距为25 mm的试样进行了动态(应变率为40~160 s-1)拉伸测试; 最后, 利用Weibull模型进行统计分析, 量化了不同标距和应变率下Kevlar 49单束拉伸强度的随机变化程度。结果表明: Kevlar 49单束的拉伸力学性能与标距和应变率有相关性; 拉伸强度随标距的增加而减小, 但随应变率的增加而增大; 峰值应变和韧性均随标距和应变率的增加而减小; 提取的Weibull参数可用于数值模拟及工程应用。      

埋置深度对黄麻纤维束与水泥基体粘结性能的影响

为了探究埋置深度对黄麻纤维束与水泥基体粘结性能的影响,利用C43电子式万能试验机进行了水泥基中黄麻纤维束的拔出试验,获得了拔出刚度、最大拔出力、等效粘结强度和拔出功随埋置深度的变化规律。试验在6 mm/min恒定试验速率下进行,测试了4组不同埋置深度（20 mm、40 mm、60 mm和80 mm）的试件。试验结果表明：随着埋置深度的增大,拔出刚度整体呈减小趋势但局部有波动;最大拔出力持续增大,并在埋置深度为60 mm时趋于稳定;等效粘结强度持续减小;拔出功初始增大,在埋置深度为60 mm处出现转折,而后迅速减小。为了进一步分析这种变化产生的具体作用机制,对不同埋置深度的破坏试件进行了观察,获得了试件破坏模式随埋置深度的变化规律。     

应变率和温度对耐碱玻璃纤维织物增强水泥基复合材料弯曲力学行为的影响

为研究不同应变率和温度下耐碱玻璃织物增强水泥基复合材料的弯曲力学行为,采用美特斯(MTS)万能试验机和INSTRON落锤冲击系统对其试样分别进行室温(25℃)下准静态三点弯曲(应变率为3.33×10-5 s-1)和不同应变率(4、8、12、16和18s-1)及温度(-50、0、25、50和100℃)下的动态三点弯曲试验,静态和动态三点弯曲试验采用一套弯曲夹具。同时考虑了增强织物层数对其弯曲力学性能的影响。试验结果表明:室温下,随应变率的增加,弯曲强度提高,弯曲峰值应变和韧性先减小后增大,弯曲模量先增大后减小;应变率为12s-1时,随着温度的升高,弯曲强度、弯曲模量和韧性整体上减小,弯曲峰值应变变化不明显;纤维织物为六层时,对混凝土的增韧效果较明显。应变率、温度和织物层数均能对试样的弯曲性能产生较大影响。     

煤矿泥岩冲击动态力学特性与破裂破碎特征分析

煤矿巷道围岩在采掘过程中受多种动载作用,为了研究动载对围岩破坏变形的影响,通过直径50 mm分离式Hopkinson试验装置开展不同冲击气压下煤矿常见泥岩在冲击荷载作用下的动态力学特性和破裂破碎特征试验,研究了不同冲击气压状态下试件应力应变特征、破坏形态和试件动态强度随应变率增长规律,分析了试验过程中应力波传播与试件裂纹扩展的关系。结果表明:在设定的试验条件下,泥岩试件的加载率、应变率和峰值应变均表现出随冲击气压的增大而增大;试件的动态单轴抗压强度随着应变率的增加呈现指数型增长,表现出强应变率效应;试件在反射应力波与透射应力波共同作用下,产生环向拉裂破坏和轴向劈裂破坏。     

高应变率下多尺寸聚丙烯纤维混凝土动态压缩力学性能研究

采用Φ74 mm的分离式霍普金森压杆(Split Hopkinson pressure bar,SHPB)试验装置,对两种尺寸聚丙烯细纤维和一种尺寸聚丙烯粗纤维单掺及混掺的混凝土试件进行冲击压缩试验,对比分析粗、细纤维及不同纤维掺量比的多尺寸纤维混凝土试件在五种不同应变率下的动态压缩强度、动态压缩变形、动态压缩韧性和破坏特征,研究聚丙烯纤维混凝土的动态压缩力学性能.结果表明:随应变率的增加,素混凝土及纤维混凝土的动态压缩强度、动态压缩变形和动态压缩韧性表现出显著的应变率效应;在试验应变率范围内,粗聚丙烯纤维混凝土的动态抗压强度最高,相对素混凝土增幅为132.36％～213.85％;多尺寸聚丙烯纤维混凝土的动态强度增长因子与素混凝土基本一致;掺入多尺寸聚丙烯纤维可有效增大混凝土在不同应变率下的动态峰值应变和动态极限应变;多尺寸聚丙烯纤维混凝土的动态极限韧性较高,其中细聚丙烯纤维含量为1.2 kg/m3时混凝土动态极限韧性最高,增幅为121.11％.     

高应变率下多尺寸聚丙烯纤维混凝土动态压缩力学性能研究

采用Φ74mm的分离式霍普金森压杆(Split Hopkinson pressure bar,SHPB)试验装置,对两种尺寸聚丙烯细纤维和一种尺寸聚丙烯粗纤维单掺及混掺的混凝土试件进行冲击压缩试验,对比分析粗、细纤维及不同纤维掺量比的多尺寸纤维混凝土试件在五种不同应变率下的动态压缩强度、动态压缩变形、动态压缩韧性和破坏特征,研究聚丙烯纤维混凝土的动态压缩力学性能。结果表明:随应变率的增加,素混凝土及纤维混凝土的动态压缩强度、动态压缩变形和动态压缩韧性表现出显著的应变率效应;在试验应变率范围内,粗聚丙烯纤维混凝土的动态抗压强度最高,相对素混凝土增幅为132.36%~213.85%;多尺寸聚丙烯纤维混凝土的动态强度增长因子与素混凝土基本一致;掺入多尺寸聚丙烯纤维可有效增大混凝土在不同应变率下的动态峰值应变和动态极限应变;多尺寸聚丙烯纤维混凝土的动态极限韧性较高,其中细聚丙烯纤维含量为1.2kg/m~3时混凝土动态极限韧性最高,增幅为121.11%。     

纳米二氧化硅改性超高韧性水泥基复合材料冲击压缩试验研究

该文采用Ф80 mm的分离式霍普金森压杆装置,研究了纳米改性后的UHTCC（ultra high toughness cementitious composites）在高速冲击压缩应力状态下的力学响应,并与常规UHTCC材料、钢纤维混凝土进行了对比。试验得到了各组材料在准静态和动态共计4组应变率（2.36×10-5 s-1、120 s-1、160 s-1、200 s-1）下的准静态压缩强度及冲击压缩应力-应变曲线,并计算了各组试件的耗能能力。为了进一步优化材料的抗冲击性能,该文还研究了纳米改性后的UHTCC基体中钢纤维和PVA纤维的混杂效果。试验结果表明:5组材料均具有应变率敏感性,峰值应力和耗能能力随着应变率的增大而上升;经过纳米改性后的UHTCC材料冲击压缩力学强度及耗能能力明显提高;在冲击荷载下,钢纤维和PVA纤维产生正混杂效应,提高钢纤维掺量可以强化UHTCC的抗冲击能力;应变率的大小和钢纤维的掺量之间的关系影响了动态峰值应力的提升。     

动态拉伸载荷下应变率和温度对Kevlar 49芳纶纤维布增强环氧树脂复合材料力学性能的影响

为研究Kevlar 49芳纶纤维布增强环氧树脂复合材料在中等应变率和不同温度耦合作用下的力学响应和断裂行为,首先,利用MTS液压伺服高速机在不同初始应变率(25、50、100、200 s-1)和温度(-25、0、25、50、100℃)下对芳纶纤维增强复合材料(AFRP)进行单向动态拉伸测试;然后,采用Weibull分析模型量化了拉伸强度在不同应变率和温度下的离散程度。结果表明:在相同温度(25℃)下,随着应变率的增加,弹性模量和拉伸强度均先增大(初始应变率介于25~50 s-1范围内)后减小(初始应变率介于50~200 s-1范围内),极限应变则呈现出相反的变化趋势,而韧性随应变率的变化幅度不大;在相同初始应变率(25 s-1)下,与在25℃下的情况相比,温度的升高或降低均会造成弹性模量的降低,在温度为100℃时,极限应变显著增加,而拉伸强度和韧性均不会随温度的变化而发生明显改变。对AFRP断裂形态进行的对比分析表明不同试验条件下AFRP的断裂形态基本相同,均呈现出较为平整的断裂面。所得结论可为AFRP在极端载荷和环境作用下的理论研究和应用提供依据。      

CFRP-火灾后混凝土界面快速剥离试验

该文完成了72个快速荷载下CFRP加固火灾后混凝土试件单面剪切试验,基于Dai模型对界面应变分布进行拟合,并探讨了混凝土强度、应变率和过火温度三种因素对界面剪切黏结强度、应变分布、黏结剪应力、界面黏结滑移关系和界面断裂能等黏结性能参数的影响。试验表明:界面剪切黏结强度、峰值剪应力和界面断裂能随着混凝土强度和应变率的提高而提高,但随着过火温度的升高而下降,在500℃以后下降尤为显著,过火温度为700℃的试件界面平均峰值剪应力相比于常温试件下降33.0%,界面断裂能下降83.8%;有效粘结长度随着混凝土强度和应变率的提高略有减小,但随着过火温度的升高而显著增大。常温试件的有效粘结长度在70 mm～90 mm之间,而过火温度为700℃的试件有效粘结长度达165 mm左右。     

冲击荷载作用下胶结充填体的力学特性研究

嗣后充填采矿法二步矿柱回采时,胶结充填体不可避免地受到爆破扰动。动载作用下胶结充填体的力学特性如何,直接关系到矿山的生产安全。借助SHPB(分离式霍布金森压杆)试验技术,进行高应变率下的分级尾砂胶结充填体SHPB动载单轴冲击试验,得到其不同应变率条件下的应力-应变曲线,分析了其破坏过程机理。试验结果表明:(1)平均应变率较小时,充填体动态强度增强因子为1左右;随着应变率上升,动载抗压强度变大,动态强度增强因子随之增大;当应变率达到80~100 s-1时,其动态强度增强因子为2左右,最大甚至超过3,体现了显著的应变率相关性;(2)一定范围内,充填体动载抗压强度随浓度、配比的增大而相应的增大;(3)通过对不同应变率下分级尾砂胶结充填体破坏形态的对比归纳,维持其宏观稳定的最高应变率为50 s-1;最后利用ANSYS/LS-DYNA模拟充填体SHPB单轴冲击过程,其应力-应变曲线、充填体破坏特征与试验相互吻合,验证了结论的正确性。     

Strain rate and gage length effects on tensile behavior of Kevlar 49 single yarn

In the present paper, Kevlar® 49 single yarns with different gage lengths were tested under both quasi-static loading at a strain rate of 4.2 × 10^?4 s^?1 using a MTS load frame and dynamic tensile loading over a strain rate range of 20–100 s^?1 using a servo-hydraulic high-rate testing system. The experimental results showed that the material mechanical properties are dependent on gage length and strain rate. Young’s modulus, tensile strength, maximum strain and toughness increase with increasing strain rate under dynamic loading; however the tensile strength decreases with increasing gage length under quasi-static loading. Weibull statistics were used to quantify the degree of variability in yarn strength at different gage lengths and strain rates. This data was then used to build an analytical model simulating the stress–strain response of single yarn under dynamic loading. The model predictions agree reasonably well with the experimental data.     

高强高模聚乙烯纤维力学性能的应变率和温度效应

利用MTS810材料试验机、旋转盘式杆-杆型冲击拉伸装置和温度控制箱,在温度20℃~110℃、应变率为0.001/s~700/s范围内,对高强高模聚乙烯纤维束进行了准静态和高应变率冲击拉伸实验,得到了不同温度、不同应变率时纤维束的应力-应变曲线。结果表明:高强高模聚乙烯纤维束的初始弹性模量具有应变率和温度相关的特性,随应变率提高而增加,随温度提高而下降;在常温下,破坏应力从准静态到动态,具有明显的应变率相关性,随应变率提高而增加,但在20℃~110℃范围内、高应变率下,对应变率变化不敏感;失稳应变也具有应变率和温度相关的特性,随应变率提高而减小,随温度提高而增大。在高应变率下,断裂应变能密度主要由初始弹性模量和失稳应变共同决定,受温度效应和应变率效应的综合影响。     

Mechanical behaviour of PVC/CaCO3 Particulate Composites – Influence of Temperature

Abstract: This paper is concerned with the study of temperature influence on Young’s modulus, ultimate strength and fracture toughness properties of PVC/CaCO₃ particulate composites with different volume fractions. The tests were performed in three‐ and four‐point bending. The resonant technique was also used to analyse the influence of both volume fraction and temperature on Young’s modulus. Significant decrease of ultimate strength, fracture toughness and Young’s modulus was observed with the increase of the temperature. Ultimate strength decreases with the increase of particle volume fraction at room temperature. For the other temperatures, this decreasing trend is less clear. PVC/CaCO₃ flexural Young’s modulus calculated for a much lower loading segment increases with volume fraction. The same trend was obtained using the resonant technique. However, as the loading segment used to calculate the Young’s modulus was increased a significant decrease of Young’s modulus was obtained as a result of a progressive debonding at the particle‐matrix interface. A 2D simplified FE simulation also confirms such trend. The dependence of Young’s modulus relatively to the loading segment increases as the volume fraction is increased, leading to composite Young’s modulus below matrix value for higher volume fractions and higher loading segments. Fracture toughness decreases with volume fraction.     

Tuning the mechanical properties of glass fiber-reinforced bismaleimide–triazine resin composites by constructing a flexible bridge at the interface

Abstract

We demonstrate a new method that can simultaneously improve the strength and toughness of the glass fiber-reinforced bismaleimide–triazine (BT) resin composites by using polyethylene glycol (PEG) to construct a flexible bridge at the interface. The mechanical properties, including the elongation, ultimate tensile stress, Young’s modulus, toughness and dynamical mechanical properties were studied as a function of the length of PEG molecular chain. It was found that the PEG molecule acts as a bridge to link BT resin and glass fiber through covalent and non-covalent bondings, respectively, resulting in improved interfacial bonding. The incorporation of PEG produces an increase in elongation, ultimate tensile stress and toughness. The Young’s modulus and T_g were slightly reduced when the length of the PEG molecular chain was high. The elongation of the PEG-modified glass fiber-reinforced composites containing 5 wt% PEG-8000 increased by 67.1%, the ultimate tensile stress by 17.9% and the toughness by 78.2% compared to the unmodified one. This approach provides an efficient way to develop substrate material with improved strength and toughness for integrated circuit packaging applications.     

碳/环氧树脂复合材料应变率效应的实验研究

选择两种铺设方式( _S和 _S)的T300/Epoxy(炭纤维/环氧树脂)层合板, 利用MTS试验机以及Hopkinson拉伸杆分别对其进行了准静态拉伸试验(应变率为10-5~10-4 s-1)、 中应变率拉伸试验(应变率为100 ~101s-1)和高速冲击拉伸试验(应变率为102~104s-1)。静态、 动态实验的试件形状及尺寸均相同。获得了不同应变率加载条件下T300/Epoxy的应力-应变曲线。基于所获得的应力-应变曲线, 讨论了应变率对炭纤维增强复合材料力学性能的影响。研究结果表明: 复合材料T300/Epoxy是应变率相关的材料; 层合板的铺设方向对其应变率效应有着显著的影响; 随着应变率的增加, 材料的强度及弹性模量有较大程度的提高, 但破坏应变有所降低。通过对试验结果的数据拟合, 提出了材料应变率相关的动态本构模型。      

DP980高强钢动态拉伸力学行为

对比分析DP980高强钢在应变速率10~(-3)~10~3s~(-1)范围内的动态拉伸实验结果,研究其力学行为以及断裂模式特点。结果表明:应变速率从准静态(10~(-3)s~(-1))增加至10~0s~(-1)过程中,强度基本保持不变,塑性下降了7.5%;应变速率从100s~(-1)增加至103s~(-1)过程中,强度不断增大,而塑性在10~0~10~2s~(-1)范围内上升14%,随后在10~2~103s~(-1)范围内下降了24.7%;应变速率敏感系数m始终随应变速率的增加而升高。变形过程中,位错增殖强化和加速阻力是强度上升的主要原因。塑性变形集中在铁素体中,微孔裂纹主要沿马氏体/铁素体交界扩展。试样沿厚度方向上的宏观断口,在应变速率小于101s~(-1)时呈"V"形杯锥状,在应变速率高于10~1s~(-1)时则是与拉伸方向成约45°的纯剪切型。     

Effects of fiber orientation and anisotropy on tensile strength and elastic modulus of short fiber reinforced polymer composites

An experimental study was conducted to investigate anisotropy effects on tensile properties of two short glass fiber reinforced thermoplastics. Tensile tests were performed in various mold flow directions and with two thicknesses. A shell–core morphology resulting from orientation distribution of fibers influenced the degree of anisotropy. Tensile strength and elastic modulus nonlinearly decreased with specimen angle and Tsai–Hill criterion was found to correlate variation of these properties with the fiber orientation. Variation of tensile toughness with fiber orientation and strain rate was evaluated and mechanisms of failure were identified based on fracture surface microscopic analysis and crack propagation paths. Fiber length, diameter, and orientation distribution mathematical models were also used along with analytical approaches to predict tensile strength and elastic modulus form tensile properties of constituent materials. Laminate analogy and modified Tsai–Hill criteria provided satisfactory predictions of elastic modulus and tensile strength, respectively.     

三维角联锁机织铝基复合材料面内拉伸力学行为与失效机制

针对真空压力浸渗法制备的三维角联锁机织铝基复合材料,采用细观力学有限元模拟与试验结合的方法研究了其面内拉伸变形损伤与断裂力学行为。结果表明:复合材料拉伸应力-应变曲线的计算与试验结果吻合较好,经(纬)向拉伸初始弹性模量、极限强度和断裂应变的计算误差分别为3.96%(1.11%)、1.40%(6.86%)和?5.49%(3.73%);经向拉伸载荷作用下,经纱界面及其邻近基体合金先后发生损伤,随拉伸应变增加损伤累积和交互作用依次引发界面、基体和纬纱失效,变形后期经纱的断裂最终导致复合材料经向拉伸失效;纬向拉伸变形前期,经纱界面和经纬纱之间薄弱的基体合金相继产生损伤和失效现象,经纱在变形中期即出现横向破坏,起主要承载作用的纬纱轴向断裂是纬向拉伸的主要失效机制,由于三维角联锁机织体中纬纱体分远低于经纱,复合材料纬向拉伸模量和强度分别仅为经向的81.8%和56.5%。