一种连续纤维增强树脂基复合材料泊松比的测试方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种材料泊松比(Poisson rat1)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】
[0002]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。
[0003]开展复合材料结构力学研宄，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。随着材料研宄和应用的不断深入，准确测定泊松比值的现代方法已经受到越来越多研宄者的关注。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。
[0004]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。
[0005]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。
[0006]根据FBG传感器的一系列优点，研宄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:(I)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。
[0007]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。
[0008]为了保证FBG传感器能有效、精确、方便地检测连续纤维增强树脂基复合材料(即横观各向同性复合材料)的泊松比，使研宄人员能够对复合材料结构进行可靠的设计、分析、评估，开发复合材料泊松比的光纤Bragg光栅串测试技术方法具有重要意义。
【发明内容】
[0009]本发明的目的是:(I)克服现有的复合材料泊松比测试技术的不足，基于光纤Bragg光栅串技术提供一种新的复合材料泊松比的FBG测试方法；(2)解决传统的复合材料试件真空袋、热压罐制造技术造成的试件表面质量差、厚度不均匀、宽度不均匀、平行度差等问题，基于闭式热模压技术提供一种连续纤维增强树脂基复合材料试件制造技术，重点解决内埋光纤Bragg光栅串的复合材料试件和刚性闭式模具的脱离问题，实现复合材料泊松比的便捷、精确、有效测试。
[0010]本发明采取的技术方案为:
[0011]一种连续纤维增强树脂基复合材料泊松比的测试方法，包括步骤如下:
[0012]I)复合材料标准试件的制作:将聚四氟乙烯胶带和聚四氟乙烯布依次包覆在模具侧壁框板及其引线沟槽上；在模具型腔中铺N层(N ^ 20)树脂基复合材料预浸料，并在不同预浸料层上分别铺设沿纤维方向和垂直于纤维方向的多个光纤Bragg光栅串；然后，固化成型；
[0013]2)脱模:清理干净光纤光栅引线周围的树脂，保持引线笔直，拉拽聚四氟乙烯布的外露部分，使复合材料制件脱模；
[0014]3)测试:在恒温条件下，将已脱模的复合材料标准试件放置在万能材料试验机中测定泊松比，单独在j方向(纤维0°方向)上作用正应力σ」，而无其他外力；
[0015]4)数据处理:处理实时采集到的光栅区的中心波长数据，得到光纤Bragg光栅串的各个光栅区的中心波长随时间变化的曲线，根据光栅中心波长变化量和微应变的对应关系得到复合材料标准试件的纵向微应变和横向微应变，进而计算得到泊松比V。
[0016]优选的是，步骤I)中，所述在不同预浸料层上分别铺设沿纤维方向和垂直于纤维方向的多个光纤Bragg光栅串的具体步骤为在第η层(Ν_10 > η > 5)纵向(纤维0°方向)铺设多个光纤Bragg光栅串，在第n+i层(N-14彡i > 5)横向(纤维90°方向)铺设多个用窄条形、同向预浸料保护的光纤Bragg光栅串。
[0017]优选的是，步骤I)中，所述固化成型方法为复合材料热模压成型方法。
[0018]优选的是，步骤I)中，所述的光纤Bragg光栅串的光栅区不能设置在0°和90°方向光纤Bragg光栅串的交叉点上。
[0019]优选的是，步骤I)中，所述的光纤Bragg光栅串上分布2?6个栅区。
[0020]优选的是，步骤I)中，所述窄条形、同向预浸料的厚度和整片预浸料厚度相同。[0021 ] 优选的是，步骤I)中，光纤Bragg光栅串的铺设位置在试件的中央位置，但应注意0°和90°方向光纤Bragg光栅串之间至少间隔5层预浸料。
[0022]优选的是，步骤I)中，所述平行于纤维方向的光纤Bragg光栅串的引线在靠近试件端部的区域弯曲，统一从一侧引出。
[0023]优选的是，所述光纤Bragg光栅串的尾纤使用特氟龙管进行保护。
[0024]优选的是，步骤3)中，所述测试过程中，拉伸加载速度不超过5mm/min。
[0025]上述测试方法中步骤I)所述的光纤Bragg光栅串的光栅区不能设置在0°和90°方向光纤Bragg光栅串的交叉点上。所述的检测应变的光纤Bragg光栅串上分布2?6个栅区。尾纤使用特氟龙管进行保护，使光纤Bragg光栅串可在_80°C?280 °C的范围内长期使用。用作保护横向光栅区的窄条形预浸料的厚度和整片预浸料厚度相同，为0.1?0.2mm，形状为矩形，尺寸为长度35?40mm、宽度5?10mm。光纤Bragg光栅串的铺设位置在试件的中央位置，但应注意0°和90°方向光纤Bragg光栅串之间至少间隔5层预浸料以避免两者之间相互干涉。将纵向光纤Bragg光栅串的引线在靠近试件端部的区域弯曲，弯曲半径为2cm，统一从一侧引出以避免和万能材料试验机的夹具冲突，使得引线能够有序、方便地接入光纤光栅解调仪，同时保证光信号强度。在整个模框及其引线沟槽上缠绕一层聚四氟乙烯胶带的原因是聚