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GFRP复合材料的纵向与横向温感力学性能：一个对比实验
Allan Manalo, Ginghis Maranan, Sukrant Sharma, Warna Karunasena, Yu Bai.
未来材料中心(CFM)，土木工程与测量学院，健康，科学与工程系，南昆士兰大学，toowoomba，QLD4350，澳大利亚
土木工程系，莫纳什大学，克莱顿，维多利亚，澳大利亚
文章信息：
文章历史：
接收于2017.1.18；接受于2017.4.17；网上发表于2017.4.19
关键字：
层间剪切力、挠曲、高温、纵向、横向、对比实验
摘要：
我们通过进行一个对比实验来评估玻璃纤维增强聚合物（GFRP）复合材料的纵向与横向温感力学性能。在从室温到200℃的温度范围内，我们对不同剪切跨深比的GFRP试样进行了三点动态弯曲实验。我们采用基于铁木辛柯梁理论的流程来测量在适温和高工作温度下的GFRP层合板的弯曲和剪切模量。结果显示，相比纵切试样，横切试样的力学性能受温度升高影响更大。相似地，我们发现，GFRP复合材料的层间弯曲和剪切强度相比于其刚度受高温影响也更大。此外，相比于弯曲模量，剪切模量遭受了更严重的破坏。我们提出了简化的经验模型来估计拉挤型GFRP层合板在不同温度下纵向和横向的力学性能。
1. 介绍
玻璃纤维增强聚合物(GFRP)复合材料作为建材已经在民用基础建设，房屋建筑领域被广泛接受。这要归功于这些先进材料的诸多优点，包括：轻质、高比刚度、高比强度、抗腐蚀性、电磁透明性、易处理、甚至在极端环境下的高持久性。在这些GFRP中，挤压型材是使用最广泛的，因为它能在低操作成本、高生产率、高纤维含量、可重复性、尺寸公差等条件下大量生产。然而由于其玻璃化转变和树脂聚合物的分解，GFRP挤压结构型材物理和力学性能的高温敏感度已经成为土木工程和建筑方面运用的主要担忧之一。因此，我们必须要对拉挤型GFRP复合材料在适温和高工作温度的抵抗特性有更好的理解，以更深远地提高该材料在主流建筑运用方面的适用性和安全使用性。
我们做了一系列的实验性的和模型化工作来描绘GFRP复合材料在高温环境中的力学性能。根据这些研究，随着温度的升高，拉挤GFRP部分的强度、刚度以及纤维与树脂的间界面结合会下降。尤其是当温度接近或是超过玻璃化转变温度（Tg）时（通常范围为60℃到140℃），上述的力学性能会快速下降。纵切的（沿着拉挤方向）拉挤型GFRP复合材料的弹性模量与横切时的弹性模量是不同的；然而，动态力学分析（DMA）表明了在玻璃化转变阶段的横纵向热破坏。在高温环境下，拉挤性GFRP复合材料的拉伸强度破坏远低于其剪切和压缩强度的破坏，这是因为前者特性主要由纤维控制，而后者主要由树脂控制。因此，各种预测复合材料温度相关特性的实验性和基于机制的模型得到了进一步发展，总的来说这些模型是质量（或密度）或/和温度的函数。不过，Correia et al指出，我们仍需要额外的实验数据来验证之前的结果，并且鉴于拉挤复合型材的其他重要力学性能，特别是剪切模量、横向弹性模量以及作为拉挤型FRP限制设计特征的层间剪切强度（ILSS），仍需要更深入的研究工作。除了这些特性之外，在高温条件下的挠曲/弯曲行为对于建模和设计意图来说具有同输入一样的重要性。这些方面都是对我们所在做的主要推动力。
命名法：
a：剪力跨度
A：层合板横截面积
b：层合板宽度
c：y-纵坐标轴
E：弯曲模量
:拉挤方向弯曲模量
：室温下拉挤方向弯曲模量
：垂直于拉挤方向弯曲模量
：室温下垂直于拉挤方向弯曲模量
G：剪切模量
:拉挤方向剪切模量
：室温下拉挤方向剪切模量
：垂直于拉挤方向剪切模量
：室温下垂直于拉挤方向剪切模量
h：层合板厚度
I：层合板的质心惯性矩
ILSS：层间剪切强度
: 拉挤方向的层间剪切强度
：室温下拉挤方向的层间剪切强度
：垂直于拉挤方向的层间剪切强度
：室温下垂直于拉挤方向的层间剪切强度
K：剪切系数（本研究中假设为1.0）
L：跨度，两支点的纯距离
L/r：长细比
m：线的斜率
P：应用在跨中的垂直荷载
r：回转半径
RT：室温；
T: 接触温度
Tg：树脂基体下的玻璃化转变温度
：弯曲强度
：拉挤方向的弯曲强度
：室温下的拉挤方向弯曲强度
：垂直拉挤方向的弯曲强度
：室温下垂直拉挤方向的弯曲强度
：整体最大挠度
：弯曲变形引起的挠度
：纵切试样的整体最大挠度
：剪切变形引起的挠度
：横切试样的整体最大挠度
在这项研究中，我们通过将材料置于室温（23℃）至200℃的温度，来对拉挤方向截面切断的GFRP层合板的横纵向弯曲和层间剪切行为进行比较性的评估。之后再对复合材料的失效形式、荷载-挠度曲线、承载能力以及刚度（荷载-挠度曲线的线弹性阶段）等进行评估。此外，我们还分析了剪切跨深比在复合材料层合板的横向与纵向性能的影响。之后，在所有实验结果的基础上，我们采用基于铁木辛柯梁理论的流程来决定GFRP层合板的弯曲和剪切模量。一种通过实验数据校准的简化的经验模型被提出，用来估计在不同温度下拉挤型GFRP层合板的横向与纵向弯曲和剪切模量及对应的强度。
2. 实验项目
2.1. 材料
本研究所考虑使用的试件样本来自商业中常见的GFRP管状型材，其制造商是在澳大利亚，toowoomba的Wagner复合材料科技公司（WCFT）。这些型材通过拉挤过程制作，其中E型玻璃纤维增强材料由催化乙烯基酯树脂包裹，并通过加热固化模拉伸以期硬化，之后紧接着被冷却。这个复合材料层合板的堆叠次序为[0°/ 45°/0°/-45°/0°/ 45°/0°]，其中由ISO 1172:1996标准所测的的玻璃纤维含量质量占比约80%。按照ASTM D792-13找得其密度为2050kg/。另一方面，玻璃化转变温度Tg是利用TGA Q500 TA型设备进行热力学分析（TMA）所测定的。四个样本施加预载并持续施加0.02N荷载，并且以每分钟10℃的升高速度的温度加热，温度范围为室温（大致为23℃）至180℃。从分析中得出，复合材料层合板的Tg平均值为115.6℃，如图2所示。
图1. 纵切和横切的拉挤型GFRP试样
2.2样本
平均宽度b和厚度h分别为6.4mm和12.1mm的不同长度的试样样本在垂直和平行于拉挤方向被切割，以测定拉挤型GFRP复合材料在高温下横向和纵向性能。在本研究中，我们对剪切跨深比a/h分别为4，8，15，18的样本进行测试，以评估所考虑材料的力学性能，特别是层间剪切和弯曲行为。由于用来切割试样样本的空心拉挤性GFRP方形截面的尺寸限制，a/h为18的横向切割样本并没有被考虑在内。
这些试样被标记为Lo-a/h-T和Tr-a/h-T，其中“Lo”和“Tr”分别代表纵向和横向切割样本，而a/h和T分别代表试样的剪切跨深比和试样所被提供的温度。例如，被定义为Lo-4-RT的样本即代表它是一个沿拉挤方向切割的，a/h为4的样本，测试温度为室温（大致等同于23℃）；而被定义为Tr-15-100的试样即代表它是沿垂直于拉挤方向切割的，a/h为15的样本，测试温度为100℃。表格1总和了实验所考虑的所有测试样本。我们对a/h为4和15类型的层合板每种实验状况测试5个相同样本，其他类型层合板测试3个，总共181个实验样本。
2.3 实验设置和设备
如图3所示，我们按照ASTM D790-15标准，对两个不同a/h的拉挤型GFRP层合板进了经典的三点动态弯曲实验。在一个十字头速率为1.3mm/min的位移限制下，我们利用10kN液压伺服MTS试验机在跨中施加荷载。实验中，为了实现a/h值为4、8、15、18，我们依次调整支撑点跨度为24mm、48mm、90mm、110mm。
图2. 试验的拉挤型GFRP层合板复合材料的典型TMA曲线（温度-尺寸形变）
我们利用Instron 3119环境舱来对样本施加7个不同温度（室温、40℃、70℃、100℃、120℃、150℃、200℃）进行测试。所有的实验都是在一个稳定的条件进行的。在将样本安装在实验设备上后，我们将舱内温度上升至目标温度，并持续30min以使样本达到同样温度。不仅是在环境舱中的浸透阶段，在实验过程中其他样本也应放在实验舱内。这些实验样本被加载至失效。在实验过程中，加载峰值、挠度以及失效的起初和过程都要被监测和记录。实验结束后，我们通过肉眼和电子显微镜观察对失效表面进行检验。
3.结果和观察
3.1纵切样本（Lo-样本）的行为
图4展现了一个具有代表性的样本在所有测试温度下的典型的荷载-挠度曲线。从图4a和4b中（可以看出），Lo-4和Lo-8在从室温到70℃的范围内经历了三个阶段：线性阶段、非线性阶段和峰后阶段。第一部分特征为在低荷载下的线弹性段，这体现了未受损的拉挤型GFRP层合板的刚度，这是由于在加载早期阶段基体和纤维-基体界面的弹性行为。随着温度的升高，其刚度趋于下降。第二阶段显示刚度逐渐降低，表现为非线性曲线，其持续发生直到荷载达到峰值。至于Lo-4，其非线性行为是由于分层破坏的起始和蔓延，这要归于树脂基体与树脂-纤维界面在更高压力下的粘弹性层间剪切行为；而对于Lo-8，其非线性行为是由施加荷载点之下的压缩区域中的树脂基体和纤维的逐渐挤压所造成的。整体上，它们的非线性随温度升高而增加，这可能归因于乙烯基酯树脂基体的玻璃化转变过程。这个过程造成了缺口的产生和蔓延，加深了在未达到荷载峰值之前分层的严重性（Lo-4）和挤压失效（Lo-8）。在实验中，各种峰后行为都被观察到。在达到极限强度之后，由于连续的分层， Lo-4-RT和Lo-4-40的承载能力伴随着逐渐下降的强度而立即下降。另一方面，Lo-8-RT屈服了一个峰后部分，其特征为一个由于突发的挤压失效导致的爆发式的荷载下降，同时还尾随一个将下降的荷载的轻微提升，由于不断的挤压和分层的进一步发生，这些都持续地发生直到施加荷载的结束。相反，由于缺口的结合、基体的软化、进一步的挤压、以及分层，Lo-4-70、 Lo-8-40 和Lo-8-70展现了一个逐渐减少的承载能力。另一方面，在更高温度中测试的剩余的L0-4和Lo-8（Lo-4-100、Lo-8-100、Lo-8-120、Lo-8-150、）展现了一个短期线性行为，之后跟随一个更加明显的非线性行为，再接下来是一个塑性反应，这是由于树脂由一个玻璃状态到似革态的转变。
表1. 测试样本数目总和
图3. 典型的三点动态弯曲实验设置
图4. 在室温和高温下GFRP层合板的典型荷载-挠度曲线
图5. 高温条件下拉挤型GFRP层合板的典型的失效模式
5.a. 分层；5.b. 带有裂纹的分层；5.c. 伴随有一些分层的基体破碎和纤维破裂；
5.d. 裂纹和带有纤维纽结的分层；
5.e. 顶端的纤维和基体的破碎伴随有分层和底部的纤维破裂（在室温和70℃之间测试的Lo-15和Lo-18）；
5.f. 基体破碎和纤维纽结（在100℃和120℃之间测试的Lo-15和Lo-18）；
5.g. 在样本自由端的分层（在150℃和200℃之间测试的Lo-15和Lo-18）；
5.h. 局域性弯曲裂纹并带有裂纹引起的分层（在室温下测试的所有Tr样本）；
5.i. 分散的弯曲裂纹并带有裂纹引起的分层 （在40℃到200℃温度范围下测试的所有Tr样本）；
在从室温到70℃温度范围下测试的Lo-15和Lo-18的荷载-挠度曲线展现为两阶段。第一阶段本质上是线弹性直到最大荷载。从另一方面来说，由于纤维和树脂基体的突然挤压失效，第二阶段一开始就伴随着承载能力的剧烈下降。下一阶段是由于进一步的挤压破碎，伴随着纤维断裂的开始和扩散，在底部有一些分层。在100℃时，Lo-15和Lo-18曲线揭示了三个不同的阶段（线性阶段、非线性阶段和下降阶段），这和Lo-4-70以及 Lo-8-70的曲线是相似的。然而，非线性阶段和下降阶段都是由纤维和基体所控制，并由于基体的软化而伴随有少数分层和更多明显的裂口。剩余的Lo-15和Lo-18在高温下测试结果与Lo-4和Lo-8在100℃至150℃温度下测试结果相似。
图5展示了拉挤型GFRP
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资料编号：[1045]
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