[发明专利]一种带内芯脆性纤维横向拉伸强度测试方法

说明书

本发明公开了一种带内芯脆性纤维横向拉伸强度测试方法，首先采用纳米压痕仪对所述纤维样本进行径向压缩试验，获取破坏载荷；然后建立纤维压缩模型，计算纤维样本发生断裂时的载荷接触角；对纤维压缩试验进行有限元分析，获取纤维样本垂直于径向面的环向应力分布，最终获取纤维横向拉伸强度；本发明提供的横向拉伸强度测试方法，针对带有内芯的纤维拉伸强度，考虑有限接触面积和由于纤维内芯存在产生的应力阶梯的影响，计算精度较高，根据实际情况，修改接触面角度、破坏载荷就能计算不同纤维横向拉伸强度，高效便捷。

技术领域

本发明涉及拉伸强度测试技术领域，主要涉及一种带内芯脆性纤维横向拉伸强度测试方法。

背景技术

以芳纶纤维、炭纤维、硼纤维，及高性能玻璃纤维作为增强体的先进复合材料具有很高的比强度、比刚度和高温强度，并且耐磨耐腐蚀性，成型工艺也相对简单，因而广泛应用于我国的高新技术常用、国防工业以及国家重大工程，此类复合材料具有相当广阔的发展前景。

纤维增强复合材料的纤维在轴向方向上具有比较高的力学性能，而在横向方向上力学性能较差，当纤维处在复杂载荷环境下时容易出现破坏。因此有必要研究纤维的横向性能，而研究纤维增强复合材料的横向性能最直接的方法就是通过单纤维的横向压缩试验测试纤维的横向拉伸强度。

Jeffrey I.Eldridge1(Eldridge,J.I.,Wiening,J.P.,Davison,T.S.Pindera,M.-J.Transverse Strength of SCS-6Silicon Carbide Fibers.J.Am.Ceram.Soc.76,3151–3154(1993).)对热处理前后含碳芯的碳化硅纤维的横向拉伸强度进行研究，发现纤维最大环向应力集中在碳芯与碳化硅的交界面上，碳化硅纤维的开裂发生在加载负荷的径向面上，裂纹沿碳芯圆周生长，在到达碳化硅纤维外周时停止，热处理后纤维的轴向拉伸强度大大下降而纤维的横向拉伸强度略微增强，但是此研究采用理想标准化圆柱受线载荷的方法计算，没有考虑有限接触面积和由于纤维碳芯存在产生的应力阶梯。孙志刚2(孙志刚et al.一种无芯脆性纤维横向拉伸强度预测方法.13(2020).)对无内芯碳化硅纤维的横向拉伸强度进行了研究，发现无内芯的纤维破坏面即载荷加载纤维的垂直径向面。后者采用数学解析式的方法计算预测无芯纤维的横向拉伸，但是带内芯的纤维由于其应力分布情况复杂，很难直接采用数学解析法预测其横向拉伸强度。

因此有必要对含内芯的纤维进行压缩试验，并在此基础上提出利用有限元预测纤维的横向拉伸强度的方法。

发明内容

发明目的：针对上述背景技术中存在的问题，本发明提供了一种带内芯脆性纤维横向拉伸强度测试方法，通过纳米压痕仪进行纤维压缩试验，获取破坏载荷，基于纤维压缩模型，计算出载荷接触角，并采用有限元分析，获取纤维样本环向应力分布，最终获取纤维横向拉伸强度。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种带内芯脆性纤维横向拉伸强度测试方法，包括以下步骤：

步骤S1、制备试验纤维样本，并对纳米压痕仪进行焦平面确定及压头位置校准；

步骤S2、使用纳米压痕仪对所述纤维样本进行径向压缩试验，获取破坏载荷F_cr；

步骤S3、建立纤维压缩模型，计算纤维样本发生断裂时的载荷接触角α；对纤维压缩试验进行有限元分析，获取纤维样本垂直于径向面的环向应力分布，最终获取纤维横向拉伸强度σ_cr^T。

进一步地，所述步骤S1中制备试验纤维样本的步骤包括：

步骤S1.1、将纤维样本剪为3cm长度备用；