[发明专利]一种连续纤维增强树脂基复合材料泊松比的测试方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种材料泊松比(Poisson ratio)的测试方法，特别涉及一种连续纤维增强树脂基复合材料泊松比的测试方法。

背景技术

纤维增强树脂基复合材料凭借比强度和比模量高、耐化学腐蚀性好、可设计性强等特点，在航空航天、汽车、舰船、建筑等领域得到广泛应用。其中，碳纤维增强树脂基复合材料密度仅约为1.6g/cm³、性能优越，预计将成为新能源汽车、飞机的主要材料之一。

开展复合材料结构力学研究，首先要解决的问题是复合材料泊松比、模量等工程弹性常数的精确测试；采用经典层合板理论进行复合材料结构力学分析与评估时，首先要解决的问题就是泊松比的精确表征，因为泊松比是结构设计与分析中的一个重要材料参数，直接影响结构内力与变形计算值。随着材料研究和应用的不断深入，准确测定泊松比值的现代方法已经受到越来越多研究者的关注。而泊松比测试本身对设备、标准试件有高精度要求。例如，连续纤维增强树脂基复合材料标准试件的表面质量要求高，表面和边缘应无划痕、空洞、凹陷和毛刺；试件应无扭曲，相邻的平面间应相互垂直；试件内部应无分层破坏以及纤维断裂。这就要求试件制备设备和模具能制造出高质量的标准试件。

目前采用最多的测定复合材料泊松比的方法是使用各种引伸计配合二次仪表采集数据获得纵、横向应变数据，从而测得泊松比。但是引伸计的自重和夹持力较大会引起软质试样的附加变形，导致测试精度较低、测量数值不稳定；而且，如果需要在较高温度下用此方法测量复合材料泊松比，则要求位移测量元件必须耐高温，这是目前较难解决的技术难题。近年来具有更高测试精度的微压入法开始兴起，但压入量不论多小都会引起塑性形变，而且在压头压下的过程中材料应力应变相当复杂。关于在试件表面粘贴云纹片或电阻片的测试方法，应变片面积、粘贴质量以及贴片位置和方向都容易使测量误差增大，而且测量范围有限，成本高，难于在高温条件下应用。声学方法可以基本上实现无损检测，但因为非金属材料的声阻和内阻尼较大，使得声速和振动测试都比较困难，而且此方法不能保证测试在弹性极限范围内进行。光学干涉法一般要求试件光学平滑，这就需要进行精密的表面抛光处理，增加实验工作量和难度。

作为一种性能优良的传感元件，光纤Bragg光栅(FBG)是通过反射波长的移动来感应外界温度或应力的变化的，反射波长移动与应变具有良好的线性关系；此外，它具有灵敏度高、耐腐蚀性优异、耐高低温、抗干扰能力强、体积小质量轻、对结构几乎无影响、测试数据稳定可靠和光路可挠曲等一系列优点，可在复合材料的制备过程中，预先埋入复合材料结构内部，同时对结构内部的纵向和横向应变进行精确测量，具有其它方法无法企及的优势和广阔的应用前景。

根据FBG传感器的一系列优点，研究人员将单个纵向和横向FBG传感器内埋于复合材料试件长度、宽度、厚度方向的中央位置；先进行复合材料固化成型，再将复合材料试件放置在万能材料试验机上进行泊松比测定实验，利用FBG中心波长改变量和应变的对应关系，测定出复合材料标准试件的纵向应变和横向应变，进而得到复合材料试件的泊松比的测试结果。但是，采用单个纵向和横向FBG传感器测试复合材料泊松比的方法存在一系列关键核心问题，以王凯歌和梅志远的《玻璃钢/复合材料》期刊论文“复合材料层合板工程常数的光纤光栅测试与分析”为例说明如下：(1)横向(纤维90°方向)光纤弯曲位置与光栅区距离太近，容易导致光栅区变形而产生啁啾信号，且光信号强度衰减严重，从而导致横向应变测试精度大幅度降低；(2)引线位置与万能材料试验机夹具位置冲突，当光纤从试验机夹具处引出时需要大幅度弯曲从而导致光信号强度衰减、测试精度降低；(3)横向光栅铺排时未加任何保护措施，这样容易导致光栅被与之垂直的高低不平的增强纤维剪切破坏；(4)横、纵向各只用一个光栅区测定复合材料标准试件的微应变，这样无法平均化处理同一试样内出现的材料泊松比空间分布不均匀的情况，给实验结果带来较大误差。

光纤Bragg光栅串技术是在单根光纤上间隔写入多个、具有不同中心波长的Bragg光栅，形成光栅串，来满足长距离测量或多点测量的需要，不需熔接，位置精确，避免用单个光栅测试时多次布设而产生的误差，提高了测量系统的可靠性及稳定性，且可以根据实际需要设定光栅区的个数与间距。同时，多个光栅串可以组成传感网络，实现准分布式测量。另外，采用光纤Bragg光栅串还能使引线处理变得容易、方便。