劉高君，葛國(guó)杰，郭鵬宗，王芬，劉亮

(中復(fù)神鷹碳纖維股份有限公司，江蘇 連云港 222069)

0 引言

碳纖維是一種含碳量在95%以上的高性能纖維，具有高比模量、高比強(qiáng)度、強(qiáng)耐疲勞性等優(yōu)異性能，是理想的結(jié)構(gòu)和功能材料，被廣泛應(yīng)用于風(fēng)電、航空航天、體育用品、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域[1]。碳纖維作為結(jié)構(gòu)材料設(shè)計(jì)應(yīng)用時(shí)，其拉伸性能通常為后者設(shè)計(jì)的核心性能指標(biāo)。因此，碳纖維復(fù)絲拉伸性能的準(zhǔn)確測(cè)量是對(duì)其性能評(píng)價(jià)的重要內(nèi)容和關(guān)鍵參數(shù)[2]。

由于碳纖維復(fù)絲拉伸性能測(cè)試屬于破壞性實(shí)驗(yàn)，具有不可重復(fù)性，且受樣品、制樣過程、測(cè)試過程的穩(wěn)定性影響，盡管測(cè)試方法和實(shí)驗(yàn)設(shè)備一致，實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果始終存在離散性。為了客觀全面地表征拉伸性能測(cè)試結(jié)果的可靠性，有必要對(duì)其測(cè)量進(jìn)行不確定度的評(píng)價(jià)。本文依據(jù)GB/T 3362—2017《碳纖維復(fù)絲拉伸性能試驗(yàn)方法》[3]和JJF 1059.1—2012《測(cè)量不確定度評(píng)定與表示》[4]的要求，以某型號(hào)國(guó)產(chǎn)T800級(jí)碳纖維復(fù)絲為試樣，分析影響測(cè)量強(qiáng)度的各項(xiàng)因素，對(duì)其復(fù)絲拉伸強(qiáng)度測(cè)量不確定度進(jìn)行評(píng)定。

1 實(shí)驗(yàn)方法和數(shù)學(xué)模型

1.1 實(shí)驗(yàn)方法

按照GB/T 3362—2017《碳纖維復(fù)絲拉伸性能試驗(yàn)方法》的規(guī)定，在溫度為(23±2)℃，相對(duì)濕度為(50±10)%的環(huán)境條件下，采用萬分之一天平測(cè)量復(fù)絲的線密度，采用密度梯度管法測(cè)量復(fù)絲的體密度，采用34TM-5拉力機(jī)測(cè)試復(fù)絲樣條強(qiáng)度。復(fù)絲的線密度標(biāo)準(zhǔn)為(0.450±0.012)kg/m，體密度為(1.79±0.02)kg/m3，以拉伸速度20mm/min對(duì)試樣施加載荷，保持試驗(yàn)條件不變，1組試樣重復(fù)測(cè)量，共測(cè)試10組。

1.2 數(shù)學(xué)模型

依據(jù)實(shí)驗(yàn)原理建立數(shù)學(xué)模型：

δi=P*ρf*10-6/t

式中：δi——拉伸強(qiáng)度，MPa；

P——破壞最大載荷，N；

ρf——復(fù)絲的體密度，kg/m3；

t——復(fù)絲的線密度，kg/m。

2 結(jié)果和討論

2.1 測(cè)量不確定度的來源

根據(jù)實(shí)驗(yàn)方法和計(jì)算公式，測(cè)量結(jié)果的不確定度來源主要有拉伸破壞的拉力試驗(yàn)機(jī)、復(fù)絲線密度和體密度的測(cè)量、測(cè)量結(jié)果重復(fù)性。測(cè)量時(shí)試樣的選取、試樣制樣過程中的工藝操作等因素均會(huì)影響測(cè)試的強(qiáng)度，因這些因素不包含在測(cè)量體系對(duì)不確定度評(píng)定的范疇[4]，因此本文僅對(duì)拉伸破壞的拉力試驗(yàn)機(jī)、復(fù)絲線密度和體密度、測(cè)量結(jié)果重復(fù)性的測(cè)量進(jìn)行不確定度的評(píng)定。

其中重復(fù)性測(cè)量屬于測(cè)量不確定的A類評(píng)定，依據(jù)校準(zhǔn)證書、儀器準(zhǔn)確度等級(jí)的屬于不確定的B類評(píng)定，如拉力試驗(yàn)機(jī)的不確定度依據(jù)校準(zhǔn)證書計(jì)算為B類評(píng)定。

2.2 不確定度分量的評(píng)定

2.2.1 試樣線密度t測(cè)量引起的不確定分度

(3)線密度t測(cè)量引起的不確定度UA(t)。在相同條件下，1組試樣測(cè)量3個(gè)，共10組，表1為測(cè)數(shù)數(shù)據(jù)匯總表，由表1可計(jì)算出線密度t的合并樣本標(biāo)準(zhǔn)差并得到UA(t)。測(cè)量次數(shù)n=3 ，組數(shù)m=10，則有：

其相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度U3=0.004 809/0.450=1.068 6%。

表1 線密度測(cè)試數(shù)據(jù)匯總表

2.2.2 試樣體密度ρf測(cè)量引起的不確定分度

(1)密度柱引起的不確定度UB(ρf)。由密度柱校準(zhǔn)證書可知，密度柱的不確定度Urel=1%，k=2，則U4=Urel/k=0.5%。

(2)體密度ρf測(cè)量引起的不確定度，UA(ρf)。在相同條件下1組試樣測(cè)量3個(gè)，共10組，表2為測(cè)數(shù)數(shù)據(jù)匯總表，由表2可計(jì)算出體密度ρf的合并樣本標(biāo)準(zhǔn)差并得到UA(ρf)。測(cè)量次數(shù)n=3，組數(shù)m=10，則有：

其相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度U5=0.002 514/1.79 =0.1404%。

表2 體密度測(cè)試數(shù)據(jù)匯總表

2.2.3 拉力試驗(yàn)機(jī)測(cè)量引起的不確定分度

由拉力試驗(yàn)機(jī)校準(zhǔn)證書可知，拉力試驗(yàn)機(jī)的不確定度Urel=0.22%，k=2，則U6=Urel/k=0.22%/2=0.11%。

2.2.4 測(cè)量結(jié)果引起的不確定度UA(δi)

在相同條件下，1組試樣測(cè)量6個(gè)有效樣條，共10組，表3為拉伸強(qiáng)度數(shù)據(jù)匯總表，10組的平均強(qiáng)度為δi=5 923 MPa，由表3可計(jì)算出拉伸強(qiáng)度δi的合并樣本標(biāo)準(zhǔn)差并得到UA(δi)。測(cè)量次數(shù)n=6 ，組數(shù)m=10，則有：

其相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度U7=89.605 9/5 923 =1.512 7%。

2.3 合成相對(duì)不確定度

將各分量引入的相對(duì)不確定度匯總(表4、圖1)，各輸入分量間互不相關(guān)，將測(cè)量結(jié)果代入不確定度進(jìn)行合成，則Urel(δi)2=U12+U22+U32+U42+U52+U62+U72，則Urel(δi)=1.927 6%.標(biāo)準(zhǔn)不確定度為U(δi)=Urel(δi)×δi=1.927 6%×5 923 MPa=114 MPa。

表3 拉伸強(qiáng)度測(cè)試數(shù)據(jù)匯總表

表4 各分量引入的相對(duì)不確定度匯總表

圖1 各分量引入的相對(duì)不確定度

2.4 擴(kuò)展不確定度的計(jì)算

在95%置信概率下，取包含因子k=2，則測(cè)量結(jié)果的擴(kuò)展不確定度U=kU(δi)=2×114 MPa=228 MPa。

2.5 減小測(cè)量不確定度的方法

由圖1可知，復(fù)絲拉伸強(qiáng)度測(cè)量不確定度的主要來源為測(cè)量結(jié)果重復(fù)性和線密度計(jì)算。根據(jù)建立的數(shù)學(xué)模型可知，線密度是引入不確定度的關(guān)鍵。為減小拉伸強(qiáng)度測(cè)量的不確定度，可通過以下方法降低引起的不確定度分量，一是采用合適的測(cè)量設(shè)備，如精準(zhǔn)度更高的刻度尺；二是規(guī)范試樣的制樣過程，確保試樣制樣的均勻性；三是固化測(cè)試過程中樣條的放置位置等；四是選擇熟練的測(cè)試人員進(jìn)行制樣和測(cè)量，從而最大限度地穩(wěn)定測(cè)量體系，以期確保測(cè)量的穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

(1)某型號(hào)國(guó)產(chǎn)T800級(jí)碳纖維復(fù)絲拉伸強(qiáng)度的擴(kuò)展不確定度結(jié)果為(5 923±228)MPa，由各不確定度分量可得出，影響合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的主要因素為復(fù)絲線密度和測(cè)量結(jié)果。

(2)為減小拉伸強(qiáng)度測(cè)量的不確定度，可通過采用合適的測(cè)量設(shè)備、規(guī)范試樣的制樣過程，固化測(cè)試過程中樣條的放置、選擇熟練的測(cè)試人員進(jìn)行制樣和測(cè)量等方法確保測(cè)量的穩(wěn)定性。