聚合物及纤维增强聚合物复合材料在服役过程中的耐久性是其设计和基于状态的维护中的关键因素。我们提出了一种新颖且低成本的实验室测试平台，用于研究机械载荷与环境载荷共同作用的影响，该平台有助于设计出更高效且更安全的复合材料结构。
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本文内容
摘要
摘要
聚合物及其纤维增强复合材料在服役条件下的耐久性是实现其可靠设计和基于状态维护的关键问题。这些材料已广泛应用于多种工程领域，包括飞机和船舶结构、桥梁、风力涡轮机叶片、生物材料及生物医学植入物。聚合物属于粘弹性材料，其力学响应可能高度非线性，因而难以准确预测和监测其在实际使用中的性能表现。本文介绍了一种实验室规模的测试平台，可用于研究机械载荷与环境因素共同作用对这些材料的影响。该平台设计成本低廉且操作简便。其采用的耐化学腐蚀材料使该装置适用于研究材料在服役过程中因接触流体而引发的化学降解行为。一个实验示例在室温下进行，对闭孔聚氨酯泡沫样品施加相当于其静态干态极限载荷约50%的恒定重量载荷。结果表明，该测试装置适用于此类研究。实验结果还显示，在复合载荷条件下，材料表现出更大的脆弱性，表现为中心点位移更大、残余破坏载荷更低。本文最后对该测试装置的进一步改进提出了建议。
引言
聚合物及纤维增强聚合物（FRP）复合材料已被广泛应用于多种工程结构中，包括飞机与航天器、舰船、民用基础设施（例如参见Katnam et al.1、Hollaway2、Mouritz et al.3的综述）、汽车与列车、风力涡轮机叶片，以及用于缝合线和植入物的假体与生物材料。这些材料的耐久性受到复杂服役环境的影响，可能包括以下因素的综合作用：a）热-机械载荷，例如，民用基础设施中的冻融循环4、航空航天器亚音速/超音速飞行工况5、金属背衬聚乙烯的磨损6；b）环境与化学介质引起的降解，例如，海水、除冰剂、航空航天与舰船结构所用液压油7-10，以及唾液导致的聚甲基丙烯酸甲酯牙科复合材料的降解11；c）在紧固或粘接接头中材料之间的复杂相互作用，例如，不同材料之间的电偶腐蚀与脱粘现象，无论是在飞机铝合金蒙皮上的碳纤维补片修复，还是由不锈钢螺钉固定的碳纤维/聚醚醚酮（PEEK）骨板12。
遗憾的是，目前对同时存在的服役环境刺激因素对这些材料长期耐久性影响的认识仍然有限。大多数聚合物可归类为粘弹性材料。力学载荷和环境条件会显著影响聚合物的粘弹性响应。因此，用于预测这些材料长期行为的可靠模型应能够纳入对耦合的湿....
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方案
1. 加载样本
- 打开水箱盖，并将其放置在侧边支撑上（图4）。
- 将试样放入U形螺栓中，并确保横杆与试样中心接触。
- 将试样的两端放置在悬挂在盖子上的铝制支撑上。试样两端应有5-10 mm的悬伸长度。
- 对所有待测试的试样重复步骤1.2至1.4。
- 移除盖子的支撑，放下盖子，并确保盖子已落在水箱边缘的凸缘上。
- 通过在外侧滑轮旁的钢杆上添加砝码，施加所需的力。
2. 测量位移
- 确保拉紧弦式电位计的拉线。
- 使用数字万用表测量电位计外侧引脚之间的电阻（图3），黑色表笔接引脚1，红色表笔接引脚3，并记录读数。
- 通过计算校准系数，将电阻读数转换为位移读数（本例中，1 kΩ 对应 64.895 mm 的位移）。
- 对每个试样重复步骤 2.1–2.3。
3. 称量样本
- 开始称重程序之前，记录位移数据，并准备一个临时存放室，其中装有室温下的测试液体，具体操作按照 ASTM D522931 或相应的测试标准进行。
- 从钢缆末端取下带槽砝码。
- 抬起罐体盖子，并将其放置在侧....
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结果
该测试装置已成功实现将试样浸入流体中进行三点弯曲试验。通过电位计可准确读取试样中点挠度的变化，加载和测试过程具有合理的精度。电阻变化可记录至4位有效数字，从而实现约0.1 µm量级的位移分辨率。
在室温下，对两组闭孔聚氨酯泡沫试样进行了热湿机械性能测试，每组包含四个试样，标称尺寸为215 mm长 × 24 mm宽 × 18 mm厚。其中一组在干燥条件下于环境舱内进行测试，具体条件定义为：a）在空气中、罐体内；b）环境相对湿度约为50% RH（测试于美国加利福尼亚州中部炎热干燥的中央谷地某实验室在6月底进行）。该第一组试样在此记为“干燥试样”。第二组试样则在罐体内完全浸没于去离子水中进行测试（100% RH，此处记为“湿润试样”）。试样所施加的悬挂载荷约为其在静态干燥条件下极限载荷的50%，即(1.780 ± 0.116) kg。每个悬挂载荷的施加过程耗时数秒，以实现准静态加载条件。预期泡沫材料将表现出非线性粘弹性行为，但尚不明确多种刺激因素共同作用下，其耐久性相较于干燥试样将如何降低。
使用数字万用表对每个试样进行电阻测量，在.......
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讨论
从所获得的数据可以看出，并发测试场景确实影响了闭孔聚氨酯泡沫试件的耐久性。通过比较干燥和湿润试件在位移（图5）以及残余破坏载荷（图6）方面的显著差异，可以明显观察到这一影响。图7展示了残余强度测试后试件的照片。还应注意的是，干燥试件的位移在24小时的观测时间内已达到稳定状态，而湿润试件则未达到。因此，后续测试将延长测试时间，以使经过环境处理的试件达到稳定状态，或确定在给定的测试时间范围内可能无法实现稳定状态（例如，当材料发生导致失效的降解时）。
图6的箱线图显示，湿态试件的残余破坏载荷分布与干态试件相比在统计学上存在显著差异，且数值更低。
由于已发表的数据相对有限，且不同作者选择了不同的材料和载荷条件，因此无法将此结果与文献进行直接比较。然而，使用该夹具获得的代表性结果与Gellert和Turley7所观察到的趋势一致，即他们的玻璃纤维增强样品经历了“显著更高”的蠕变挠度.......
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
作者感谢Destiny Garcia、Serena Ferraro、Erik Quiroz和Steven Kern（先进复合材料研究、工程与科学实验室）在试验装置设计与制造过程中提供的帮助。感谢Shawn Malone、Michael Akahori、David Kehlet（工程制造实验室）在加工过程中提出的意见和给予的协助。谨此感谢美国国家科学基金会（合作项目CMMI-1265691及其REU补充项目）以及美国海军研究办公室（项目编号N00014-13-1-0604，由A. Muliana（德克萨斯大学A&M分校，首席研究员）和V. La Saponara负责，项目主管为Yapa Rajapakse）提供的支持。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 6061铝合金矩形棒 | McMaster-Carr, 美国 | 8975K268, 1668T72, 7062T17, | 测试平台组成部分 |
| 6061铝合金90°角件 | McMaster-Carr, 美国 | 8982K91, 8982K14 | 测试平台组成部分 |
| 440C不锈钢 | McMaster-Carr, 美国 | 6253K52 | 测试平台组成部分 |
| 高密度聚乙烯板材 | Tap Plastics, 美国 | N/A（厚度0.236英寸 × 宽度10.75英寸 × 长度16.75英寸） | 测试平台组成部分 |
| 高密度聚乙烯板材 | Tap Plastics, 美国 | N/A（厚度0.354英寸 × 宽度6英寸 × 长度10英寸） | 测试平台组成部分 |
| 高密度聚乙烯板材 | Tap Plastics, 美国 | N/A（厚度0.354英寸 × 宽度6英寸 × 长度16.75英寸） | 测试平台组成部分 |
| 聚碳酸酯板材 | Tap Plastics, 美国 | N/A（厚度0.375英寸，宽度11.5英寸，长度17.5英寸） | 测试平台组成部分 |
| 发泡聚苯乙烯泡沫 | Home Depot | 型号 # 310880 互联网编号 # 202532855 | 测试平台组成部分 |
| 镀锌钢丝绳 | McMaster-Carr, 美国 | 3498T63 | 测试平台组成部分 |
| 钢制吊环螺栓 | McMaster-Carr, 美国 | 3013T341 | 测试平台组成部分 |
| 低碳钢90°角件 | McMaster-Carr, 美国 | 9017K444 | 测试平台组成部分 |
| 低碳钢圆棒 | McMaster-Carr, 美国 | 8920K84, 8920K75, 8920K231, 8920K135, 8920K84 | 测试平台组成部分 |
| 低碳钢管材 | McMaster-Carr, 美国 | 6527K314, 8910K394, 8910K395, 8920K94 | 测试平台组成部分 |
| 304不锈钢U型螺栓 | McMaster-Carr, 美国 | 8896T104 | 测试平台组成部分 |
| 钢制滑轮 | McMaster-Carr, 美国 | 3099T34 | 测试平台组成部分 |
| 1008碳钢板材 | McMaster-Carr, 美国 | 9302T113 | 测试平台组成部分 |
| 轻型万向脚轮 | Harbor Freight, 美国 | 41519 | 测试平台组成部分 |
| 100磅力乙烯基砝码组 | Overstock.com | 11767059 | 测试平台组成部分 |
| 闭孔聚氨酯泡沫 | General Plastics, 美国 | FR-3704 | 测试样品 |
| 去离子水 | 水龙头，PurLab过滤系统 | N/A | 水箱的调节液体 |
| 扭力弹簧 | 可伸缩钥匙扣，Ebay, 美国 | 批次10 | 用于制作拉线式电位计 |
| 凯夫拉线 | Cabela’s | IK-321909 | 用于制作拉线式电位计 |
| 10 kOhm电位计 | Ebay, 美国 | 3590S-2-103L | 用于制作拉线式电位计 |
| 数字万用表 | Harbor Freight, 美国 | 98674 | 用于测量拉线式电位计的电阻值 |
参考文献
- Katnam, K. B., Da Silva, L. F. M., Young, T. M. Bonded repair of composite aircraft structures: A review of scientific challenges and opportunities. Prog Aerosp Sci. 61, 26-42 (2013).
- Hollaway, L. C.
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