热塑性CF/PA6复合材料的蠕变应变行为

　　蠕变是一种在恒定载荷下持续的变形过程，可以间接反映材料自身的性能属性，因此在针对材料进行研究时，蠕变是比较重要的一个参数。碳纤维复合材料问世已经超过百年，对其蠕变性能的研究早就开始。近几十年，碳纤维复合材料在不断的演变和进步，热塑性碳纤维复合材料被认为是下一代高性能的新型复材，而对热塑性碳纤维复合材料蠕变性能的研究同样也在进行，本文智上新材料将以热塑性CF/PA6复合材料为对象，介绍该型复合材料的蠕变应变行为。

　　热塑性CF/PA6复合材料的蠕变应变行为测试

　　1、背景简述：

　　蠕变对材料本身来说是一个负面的效果，随着时间材料长时间的应用，蠕变变形不断累积，在超过材料自身结构的间隙极限，就会发生破损，造成材料性能的大幅下降，甚至丧失。对材料自身蠕变性能的研究可以有助于指导材料的应用方向，明确材料应用的实际场景。

　　复合材料通常表现出粘弹性行为，即粘性流动和弹性行为的组合。以CF/PA6复合材料为试样，采用芬德利幂律方程来描述其应变的时间依赖性，该方程形式为：ε(t)=ε0+mtⁿ。其中，ε(t)为蠕变应变，ε0为瞬时应变，m为瞬态蠕变应变的幅度，t为时间，n为时间指数。芬德利幂律方程可以有效描述热塑性CF/PA6复合材料的蠕变应变行为。

　　2、研究过程：

　　通过应变仪法对热塑性CF/PA6复合材料进行蠕变行为的研究，在不同应力条件和温度下，测量热塑性CF/PA6复合材料的变形数据，明确复合材料蠕变应变、应变速率、蠕变顺从性与应力条件、时间和温度的关系，并利用时间-温度叠加原理将实验蠕变应变数据移至参考温度，形成主曲线，用以预测长期的蠕变行为。

　　选用纤维含量为55vol%的CF/PA6预浸料，通过手工铺层和热压技术制备相应的热塑性碳纤维板，使用水冷钻石锯切割成合适的尺寸大小，再利用夹具稳定夹持。后续采用应变仪法加载在试样上，选择恒定应力条件进行蠕变测试，并通过数据采集系统记录应变信号，每个试样测试超过100小时，并在25℃、40°C和55°C下均进行同样的测试操作。

　　3、测试结果：

　　A、弹性模量：通过拉伸实验确定了在不同温度下热塑性CF/PA6复合材料试样的弹性模量。如下图显示，随着温度升高，弹性模量显着降低，尤其是在55°C时，纤维60°方向的弹性模量仅为常温下的51.2%。

　　B、蠕变行为：蠕变测试表明，随着应力水平的增加和纤维取向角度的增大，蠕变应变显着增加。芬德利幂律方程能够很好地拟合实验数据，主曲线也显示出较好的拟合度。其中90°方向例外，因为90°方向CF/PA试样的弹性模量高于60° 试样，因此90°试样的蠕变应变小于60°试样的蠕变应变。

　　通过测试发现，热塑性CF/PA6复合材料的蠕变行为受到温度和纤维取向影响较为显着，而纤维与加载轴的夹角增大时，蠕变应变率增大。芬德利幂律方程可有效描述该复合材料的蠕变响应，实验数据与拟合曲线具有良好的一致性。该项研究对于理解热塑性复合材料在长时间蠕变下的行为具有重要意义，是未来热塑性碳纤维复合材料正向发展的重要基础。