熱塑性CF/PA6復(fù)合材料的蠕變應(yīng)變行為

　　蠕變是一種在恒定載荷下持續(xù)的變形過程，可以間接反映材料自身的性能屬性，因此在針對材料進(jìn)行研究時(shí)，蠕變是比較重要的一個(gè)參數(shù)。碳纖維復(fù)合材料問世已經(jīng)超過百年，對其蠕變性能的研究早就開始。近幾十年，碳纖維復(fù)合材料在不斷的演變和進(jìn)步，熱塑性碳纖維復(fù)合材料被認(rèn)為是下一代高性能的新型復(fù)材，而對熱塑性碳纖維復(fù)合材料蠕變性能的研究同樣也在進(jìn)行，本文智上新材料將以熱塑性CF/PA6復(fù)合材料為對象，介紹該型復(fù)合材料的蠕變應(yīng)變行為。

　　熱塑性CF/PA6復(fù)合材料的蠕變應(yīng)變行為測試

　　1、背景簡述：

　　蠕變對材料本身來說是一個(gè)負(fù)面的效果，隨著時(shí)間材料長時(shí)間的應(yīng)用，蠕變變形不斷累積，在超過材料自身結(jié)構(gòu)的間隙極限，就會發(fā)生破損，造成材料性能的大幅下降，甚至喪失。對材料自身蠕變性能的研究可以有助于指導(dǎo)材料的應(yīng)用方向，明確材料應(yīng)用的實(shí)際場景。

　　復(fù)合材料通常表現(xiàn)出粘彈性行為，即粘性流動和彈性行為的組合。以CF/PA6復(fù)合材料為試樣，采用芬德利冪律方程來描述其應(yīng)變的時(shí)間依賴性，該方程形式為：ε(t)=ε0+mtⁿ。其中，ε(t)為蠕變應(yīng)變，ε0為瞬時(shí)應(yīng)變，m為瞬態(tài)蠕變應(yīng)變的幅度，t為時(shí)間，n為時(shí)間指數(shù)。芬德利冪律方程可以有效描述熱塑性CF/PA6復(fù)合材料的蠕變應(yīng)變行為。

　　2、研究過程：

　　通過應(yīng)變儀法對熱塑性CF/PA6復(fù)合材料進(jìn)行蠕變行為的研究，在不同應(yīng)力條件和溫度下，測量熱塑性CF/PA6復(fù)合材料的變形數(shù)據(jù)，明確復(fù)合材料蠕變應(yīng)變、應(yīng)變速率、蠕變順從性與應(yīng)力條件、時(shí)間和溫度的關(guān)系，并利用時(shí)間-溫度疊加原理將實(shí)驗(yàn)蠕變應(yīng)變數(shù)據(jù)移至參考溫度，形成主曲線，用以預(yù)測長期的蠕變行為。

　　選用纖維含量為55vol%的CF/PA6預(yù)浸料，通過手工鋪層和熱壓技術(shù)制備相應(yīng)的熱塑性碳纖維板，使用水冷鉆石鋸切割成合適的尺寸大小，再利用夾具穩(wěn)定夾持。后續(xù)采用應(yīng)變儀法加載在試樣上，選擇恒定應(yīng)力條件進(jìn)行蠕變測試，并通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄應(yīng)變信號，每個(gè)試樣測試超過100小時(shí)，并在25℃、40°C和55°C下均進(jìn)行同樣的測試操作。

　　3、測試結(jié)果：

　　A、彈性模量：通過拉伸實(shí)驗(yàn)確定了在不同溫度下熱塑性CF/PA6復(fù)合材料試樣的彈性模量。如下圖顯示，隨著溫度升高，彈性模量顯著降低，尤其是在55°C時(shí)，纖維60°方向的彈性模量僅為常溫下的51.2%。

　　B、蠕變行為：蠕變測試表明，隨著應(yīng)力水平的增加和纖維取向角度的增大，蠕變應(yīng)變顯著增加。芬德利冪律方程能夠很好地?cái)M合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，主曲線也顯示出較好的擬合度。其中90°方向例外，因?yàn)?0°方向CF/PA試樣的彈性模量高于60° 試樣，因此90°試樣的蠕變應(yīng)變小于60°試樣的蠕變應(yīng)變。

　　通過測試發(fā)現(xiàn)，熱塑性CF/PA6復(fù)合材料的蠕變行為受到溫度和纖維取向影響較為顯著，而纖維與加載軸的夾角增大時(shí)，蠕變應(yīng)變率增大。芬德利冪律方程可有效描述該復(fù)合材料的蠕變響應(yīng)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與擬合曲線具有良好的一致性。該項(xiàng)研究對于理解熱塑性復(fù)合材料在長時(shí)間蠕變下的行為具有重要意義，是未來熱塑性碳纖維復(fù)合材料正向發(fā)展的重要基礎(chǔ)。