碳纖維複合材料壓縮強度量測方法之探討

刊登日期:2017/3/5
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本研究透過實驗及數值模擬,來探討量測實驗方法對碳纖維複合材料壓縮強度之影響。根據有限元素分析,夾持剪切力所造成的應力集中現象,對於壓縮強度量測扮演著重要的角色。結果發現,調整夾持的位置可以降低應力集中的影響,並且提升量測之壓縮強度值。實驗結果顯示,預留2.5 mm的夾持位置,量測壓縮強度值可從850 MPa提升至1,320 MPa。
 
纖維複合材料主要由加強材(Reinforcement)與基材(Matrix)所組成,其中常見的加強材有玻璃纖維(Glass Fiber)與碳纖維(Carbon Fiber),而基材則為環氧樹脂(Epoxy)。纖維複合材料常以疊層設計應用於機械結構中,其壓縮強度(Compressive Strength)通常小於拉伸強度,故壓縮強度為纖維複合材料應用時須考慮的重要關鍵因素。本研究主要探討壓縮實驗方法對碳纖維複合材料(Graphite/Epoxy Composites)壓縮強度之影響,並以有限元素法分析驗證。
 
碳纖維複合材料試片的製備
本研究選用由日本東麗(TORAY)公司T700碳纖維所製造之單方向碳纖維混環氧樹脂預浸材(Unidirectional Carbon Fiber Prepreg)。碳纖維複合材料疊層板使用真空封裝製作方法。首先,將單方向預浸材裁切成適當大小依序堆疊,在堆疊過程中,使用滾筒初步將層與層之間的空氣壓出,經熱壓程序完成碳纖維複合材料疊層板。接著依照ASTM D3410壓縮測試規範黏貼末端墊片,選用剛性較碳纖維複合材料軟之玻璃纖維編織複合材料板製作末端墊片。將玻纖板裁切成適當大小後,使用由Huntsman公司生產的樹脂黏著劑(Araldite® AV138M搭配HV998硬化劑)貼合碳纖試片與玻纖末端墊片。
 
碳纖維複合材料壓縮實驗流程
碳纖維複合材料壓縮實驗參考美國材料測試協會(American Society for Testing and Materials; ASTM)的D3410/D3410M-03複合材料壓縮測試規範進行測試。本試驗使用MTS810萬能材料試驗機(Material Test System; MTS)進行測試,控制模式為位移控制,夾頭位移速率為1.5 mm/sec。夾具根據測試規範訂做如圖二所示。實驗流程為分別於試片兩端墊片夾持區,以楔型夾塊(Wedge Grip)利用螺絲鎖力給予試片側向夾力,鎖至定位後,放進支撐塊(Housing Block)裡再架上萬能材料試驗機施以壓力,實驗過程中,以電腦軟體LabView即時記錄實驗數據,待試片破壞完成實驗後,計算結果數據以求得材料壓縮強度。


圖二、壓縮實驗夾具(a)照片;(b)尺寸圖
圖二、壓縮實驗夾具(a)照片;(b)尺寸圖

 
進行高強度壓縮實驗時, 墊片與碳纖維複合材料試片交接處產生之應力集中現象,為影響材料壓縮強度重要因素,先前由Hsiao等人所改良之壓縮測試方法,能夠有效的降低應力集中現象,以測得較精準的壓縮強度。而本研究主要為探討不同夾持方法對碳纖維複合材料壓縮強度的影響,使用了三種夾持方法,其夾持示意圖與主要受力分別如圖三、圖四與圖五所示,並進行實驗量測與分析模擬。

有限元素法模擬
由壓縮強度實驗結果可知,夾具的夾持位置對壓縮強度扮演重要角色。為瞭解夾持位置之影響,吾人將使用有限元素法套裝軟體ANSYS模擬夾持方法A與夾持方法B對試片應力集中現象之影響。為了得到較準確之壓縮模擬結果,透過非線性分析進行逐步求解。
 
依據實驗試片之幾何形狀建立有限元素模型,有鑑於壓縮實驗的受力狀態對稱於X軸與Y軸,因此建立四分之一元素模型(圖七)來減少電腦運算量。分析模型中,元素使用二維平面應變元素PLANE182,此元素為四節點元素,每個節點有兩個---以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 

圖七、有限元素模型網格圖(a)模型整體;(b)墊片與試片交接處放大;(c)圓角示意圖
圖七、有限元素模型網格圖(a)模型整體;(b)墊片與試片交接處放大;(c)圓角示意圖

作者:蔡佳霖 / 國立交通大學;羅品冠 / 台灣艾斯摩爾股份有限公司
★本文節錄自「工業材料雜誌」363期,更多資料請見下方附檔。


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