PTFE膜材料的偏軸拉伸性能及破壞機理

張營營,徐俊豪,曹 原,張其林

(1.江蘇省土木工程環(huán)境災(zāi)變與結(jié)構(gòu)可靠性重點實驗室(中國礦業(yè)大學(xué))，江蘇 徐州 221116；2.同濟大學(xué) 土木工程學(xué)院， 上海 200092)

?

PTFE膜材料的偏軸拉伸性能及破壞機理

張營營1,徐俊豪1,曹 原1,張其林2

(1.江蘇省土木工程環(huán)境災(zāi)變與結(jié)構(gòu)可靠性重點實驗室(中國礦業(yè)大學(xué))，江蘇 徐州 221116；2.同濟大學(xué) 土木工程學(xué)院， 上海 200092)

為深入把握PTFE膜材料的率相關(guān)力學(xué)性能及破壞機理，對3種常見的PTFE膜材料進行了偏軸拉伸試驗，主要考慮了0°、5°、15°、25°、35°、45°、55°、65°、75°、85°、90°等11個偏軸角度和10、25、50、100、200、500 mm/min等6種拉伸速率，分析了主要力學(xué)參數(shù)的變化規(guī)律，研究了不同拉伸速率下的膜材破壞模式及破壞機理.結(jié)果表明：不同拉伸速率下膜材主要力學(xué)參數(shù)的變化規(guī)律比較一致，表現(xiàn)出明顯的各向異性；材料的抗拉強度與破壞模式密切相關(guān)，隨著拉伸速率的增加，抗拉強度逐漸升高，且與拉伸速率的對數(shù)呈近似線性關(guān)系，這主要與材料應(yīng)變能及編織結(jié)構(gòu)有關(guān)；材料的破壞模式和斷裂延伸率受拉伸速率的變化影響不明顯.關(guān)鍵詞: PTFE(聚四氟乙烯)膜材；偏軸拉伸試驗；力學(xué)性能；拉伸速率；破壞機理

在實際工程中，膜材料往往處于雙向受力狀態(tài)，其破壞強度較單軸狀態(tài)下有明顯的折減，而這一點在現(xiàn)有設(shè)計規(guī)程中很少得到直接體現(xiàn)[4-5].現(xiàn)行設(shè)計規(guī)程中膜材料設(shè)計強度的確定往往以膜材料的單軸抗拉強度為參考并采用較大的抗力分項系數(shù)[4-6].導(dǎo)致這種情況的主要原因是膜材料種類眾多，破壞模式復(fù)雜多樣，且其力學(xué)性能受外部環(huán)境影響較大[7]，因此準確判斷膜材料的極限狀態(tài)，明確膜材料的破壞機理，對于指導(dǎo)工程實踐和應(yīng)用有著十分重要的意義[8].

膜材料作為典型的復(fù)合材料，其力學(xué)性能具有明顯的各向異性，這對結(jié)構(gòu)設(shè)計(比如設(shè)計強度、裁剪補償率的確定等)造成了較大影響[8-9].目前，已有部分學(xué)者[10-12]對幾種常見的涂層織物類膜材進行了部分角度的偏軸拉伸試驗，討論了膜材料拉伸性能的各向異性，分析了膜材料的拉伸斷裂機理及適用的相關(guān)強度準則，但也發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有強度準則對于小偏角拉伸試件(15°和75°)的強度預(yù)測精度不高.另外，膜材料作為一種典型的高分子復(fù)合材料，其力學(xué)性能具有明顯的率相關(guān)特性，而上述已有研究大都是在規(guī)范建議的標準拉伸速率下進行的，并沒有考慮到拉伸速率對偏軸拉伸的影響，因此有必要研究不同拉伸速率下膜材料的偏軸拉伸性能及破壞機理[13-15].

本文以3種常見的PTFE膜材為例，進行了不同拉伸速率下的偏軸拉伸試驗，研究了偏軸角度及拉伸速率對膜材料主要力學(xué)參數(shù)的影響規(guī)律，重點討論了不同拉伸速率下的膜材料破壞機理及破壞模式，研究結(jié)果能夠為深入把握膜材料的力學(xué)特性，完善膜結(jié)構(gòu)設(shè)計理論提供參考.

1 偏軸拉伸試驗方法

本文試驗所選取的材料分別為中興化成FGT800(厚度0.8 mm、面密度為1 300 g/m2)、FGT600(0.6 mm、面密度為1 000 g/m2)和杜肯B18039(厚度0.5 mm、面密度為800 g/m2).參照上海市地方規(guī)程《膜結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)規(guī)程》[16]采用電子萬能(拉伸)試驗機進行拉伸試驗，分別采用高精度拉力傳感器和大變形測試儀來記錄膜材的力和變形.試件的裁剪方式見圖1，其中膜材緯向為X軸，經(jīng)向為Y軸.另外，在部分試件上繪制了網(wǎng)格線，用以分析材料的變形和破壞機理.

考慮到試件尺寸對各向異性材料的偏軸拉伸性能影響較大，本文采用大型通用有限元軟件ANSYS對不同尺寸試件的試驗過程進行模擬分析.考慮到試驗機的構(gòu)造、尺寸和操作等，試件長度和應(yīng)變測距保持不變，分別是1 000 mm和200 mm.本次分析通過變化試件寬度來分析長寬比對于試件拉伸性能的影響，結(jié)合現(xiàn)有測試規(guī)程和經(jīng)驗，確定試件的分析寬度分別為200、100和50 mm.計算分析中采用shell41單元，按照正交各向異性材料進行分析，材料參數(shù)由試驗[16]測得，緯、經(jīng)向彈性模量分別為492 MPa和860 MPa，泊松比為0.3，通過旋轉(zhuǎn)正交各向異性材料的材料軸來模擬偏軸拉伸過程中纖維方向的改變，數(shù)值分析結(jié)果見圖2.從圖2中可以明顯看出：隨著試件尺寸的減小，偏軸試件的應(yīng)力分布更加相對均勻，尤其在偏軸角度較大的試件中更為明顯；分析發(fā)現(xiàn)：試件尺寸對材料應(yīng)力分布影響較大，試件尺寸越大，夾具的邊界條件對于試驗結(jié)果的影響逐漸變大，為后期的應(yīng)力分解和強度準則分析加大了難度.綜合上述分析和文獻[10-12]認為，試件尺寸越小，試驗測得的力學(xué)數(shù)據(jù)越具有代表性，能有效減少試件尺寸對試驗結(jié)果的影響；但是如果試件尺寸過小，試件裁剪過程中很容易造成纖維損傷，從而導(dǎo)致離散性較大.試件尺寸的確定是結(jié)合拉伸設(shè)備的特點及數(shù)值模擬的結(jié)果，選取合適的尺寸使試件在拉伸過程中邊界條件的影響最小、試件應(yīng)力分布盡量均勻，同時考慮到與現(xiàn)有規(guī)程的規(guī)定[5,16]保持一致，最終確定試件尺寸為長度為1 000 mm，寬度為50 mm，其中應(yīng)變測距為200 mm.

圖1 試件裁剪示意

為了更有利于把握材料性能，本文減小了偏軸試驗的角度間隔，偏軸角度(偏離緯向的角度)分別取0°、5°、15°、25°、35°、45°、55°、65°、75°、85°和90°，參考文獻[15]確定試驗中的拉伸速率分別為10、25、50、100、200和500 mm/min.試驗中每組相同的試件為25個.

2 PTFE膜材偏軸拉伸性能

2.1 偏軸拉伸曲線

由圖3可以看出FGT600和杜肯B18039材料的試驗曲線規(guī)律比較一致，且與已有試驗結(jié)果[10-12]規(guī)律比較接近，而FGT800膜材的拉伸曲線與以往試驗[10-12]略有不同.因此本文結(jié)合已有試驗結(jié)果，以FGT800膜材為主、另兩種材料為輔來進行試驗結(jié)果分析.本小節(jié)以規(guī)程[16]規(guī)定的正常拉伸速率100 mm/min時的拉伸試驗結(jié)果為例進行介紹.

圖2 不同尺寸試件偏軸拉伸試驗有限元分析

從圖3可以發(fā)現(xiàn)：對于FGT800而言，偏軸角度從0°增加到35°過程中，膜材料的抗拉強度逐漸減小，而斷裂延伸率逐漸增大；從35°增加到90°過程中，抗拉強度逐漸增大，而斷裂延伸率逐漸減??；在35°方向拉伸時抗拉強度最小，斷裂延伸率最大.35°為臨界值較以往的試驗來說比較少見，文獻[11-12]得出的結(jié)果與杜肯B18039(圖3(b))和FGT600(圖3(c))規(guī)律一致，即在偏軸45°拉伸時，抗拉強度最小，而斷裂延伸率最大.結(jié)合兩種角度斷裂的形態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)在FGT800的試驗中，35°試件斷裂形態(tài)中兩邊邊部抽出的纖維量大于45°的試件，而完全斷裂的纖維數(shù)量少于45°的試件，破壞模式以纖維和涂層界面破壞為主，纖維拉斷為輔，從而導(dǎo)致35°試件的抗拉強度小于45°.該現(xiàn)象在不同拉伸速率的試驗中均可觀察到，經(jīng)分析這可能與試驗?zāi)げ牡慕?jīng)、緯向纖維編織密度差別較大、編織過程中產(chǎn)生的卷曲以及纖維-涂層界面的粘結(jié)強度等因素有關(guān)[4,10].其中經(jīng)、緯向纖維編織密度差異也在圖3(a)中的拉伸曲線中得到了體現(xiàn)，正交角度曲線的相似性較以往的試驗差，尤其表現(xiàn)在小角度偏軸拉伸試驗中[11-12].

對在100 mm/min拉伸速率下的FGT800膜材抗拉強度進行統(tǒng)計分析，得到相應(yīng)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表1，總體而言，試驗結(jié)果的離散性較好，符合正態(tài)分布.對比0°與5°以及90°與85°的拉伸數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)偏軸拉伸時，在拉剪耦合作用下，膜材料的抗拉強度有了明顯的下降，且隨著偏軸角度的增加，強度降低速度變緩.從表1中還可以看出偏軸角度接近緯向的試件(5°、15°)的斷裂延伸率大于角度接近經(jīng)向的試件(85°、75°)，這主要與材料的平織編織方式和編織密度有關(guān)，在基布編織過程中，一般是經(jīng)向纖維被拉直，而緯向纖維纏繞編織，此時會產(chǎn)生較大的屈曲.受拉初始階段，緯向纖維由彎曲狀態(tài)被拉直，會產(chǎn)生較大的變形，使得材料的初始模量較小，而在拉伸的后半段，當纖維充分伸直后，材料的拉伸模量主要取決于基布中纖維的拉伸模量和編織密度.

圖3 PTFE膜材的偏軸拉伸曲線

偏軸角度/(°)平均值/(kN·m-1)標準差/(kN·m-1)離散系數(shù)標準值/(kN·m-1)0103.598.2690.079889.99578.563.1000.039573.461563.032.4380.038759.022563.811.2070.018961.823562.611.1730.018760.684566.282.0490.030962.915572.731.1410.015770.856578.630.9460.012077.087588.402.6820.030383.998599.042.9010.029394.2790150.298.6960.0579135.98

2.2 破壞模式及機理研究

圖4是試驗?zāi)げ脑嚰夭煌嵌壤炖瓟嗪蟮臄嗔研螒B(tài).通過觀察試件拉伸破壞過程及拉斷后的斷裂形態(tài)，發(fā)現(xiàn)主要有3種破壞模式，纖維斷裂破壞、剪切破壞、拉剪混合型破壞.第一種是纖維斷裂破壞，主要指的是純拉伸破壞(圖4(a))，該種情況下主要承受的是正應(yīng)力(圖5(a))，主要是由基布承擔(dān)，最終材料破壞是由纖維直接被拉伸斷裂所致，該類破壞只發(fā)生于0°或90°拉伸試驗中.該類破壞模式主要呈現(xiàn)為兩種破壞形態(tài)：一種是發(fā)生在同一橫斷面的纖維整齊斷裂破壞，該類破壞形態(tài)出現(xiàn)頻率較低；另一種是斜向斷裂破壞，該類破壞形態(tài)出現(xiàn)頻率較高，由于材料中存在隨機分布的微觀缺陷，部分位置纖維會首先發(fā)生斷裂，此時纖維斷裂沿邊緣斷口間的連線發(fā)展以致試件完全破壞.

圖4 試件在不同拉伸方向下的斷裂形態(tài)

第二種破壞模式呈拉剪混合型破壞(圖4(b))，該類破壞模式在試驗中出現(xiàn)頻率最高.在該類試件的拉伸過程中，由于纖維的方向與荷載方向呈一定夾角，主受力纖維受力后發(fā)生偏轉(zhuǎn)，此時經(jīng)緯向纖維間的夾角逐漸發(fā)生改變，材料處于拉剪耦合狀態(tài)下，最終材料的破壞狀態(tài)與試件偏軸角度有較大關(guān)系(圖5(b)).在小偏角(5°、15°、75°、85°)拉伸試件中，大部分纖維貫穿整個試件，發(fā)生斷裂破壞，而邊緣處的少數(shù)纖維會被拔出，此時材料仍是以拉應(yīng)力為主，因此相比經(jīng)、緯向試件而言，強度降低明顯，這與上一節(jié)試驗統(tǒng)計結(jié)果一致.當偏軸角度相對較大(25°、35°、55°、65°)時，在試件拉伸過程，由于纖維與拉伸方向呈一定的夾角，纖維有被拉直的趨勢，但涂層會對這種趨勢產(chǎn)生一定的束縛，此時剪力所起的作用較大，相比小偏角試件而言.最終的破壞模式是在拉剪耦合作用下，面層與基布纖維逐漸剝離，試件邊部纖維從基體中被抽拔出來，中間部分纖維被拉斷而導(dǎo)致膜材破壞，斷口方向總是平行于或者垂直于纖維方向.第三種破壞模式為剪切破壞(圖4(c))，主要發(fā)生在45°試件，表現(xiàn)為試件在拉伸過程中面內(nèi)剪應(yīng)力起主導(dǎo)作用(圖5(c)).

在45°試件中端部直接受拉纖維覆蓋面積較小且呈均勻?qū)ΨQ分布，如圖6所示，這導(dǎo)致破壞首先會出現(xiàn)在受約束較小的試件邊緣纖維上.試件邊緣纖維在剪應(yīng)力的作用下從面層中抽拔出來，然后該截面上的其余纖維會被拉斷并導(dǎo)致膜材的最終破壞，斷口方向總是垂直于加載方向且多呈現(xiàn)在試件中部.

如圖1所示，偏軸試驗時，基布纖維主要有兩種受力方式：貫穿試件的纖維兩端固定在夾具中，以承受拉力為主，材料利用率相對較高；而未貫穿試件的纖維只能承受部分拉力以及涂層界面對其的剪切作用，利用率相對較低.當偏軸角度逐漸增加時，試件中纖維的總數(shù)不變，貫穿試件的纖維數(shù)目逐漸減少.試件邊緣處纖維無法貫穿整個試件，承受拉力的能力降低，從圖6中可以看出這部分纖維所受剪力迅速增大，在拉剪耦合狀態(tài)下更易從周圍的纖維及涂層界面中拔出，導(dǎo)致試件的抗拉強度迅速降低.當偏軸角度從15°增加到25°(75°減少到65°)時，貫穿試件的纖維數(shù)量減少到0，主受力纖維所受的拉應(yīng)力繼續(xù)降低，而剪應(yīng)力繼續(xù)增大，此時試件的抗拉強度降低不明顯.當偏軸角度從25°增加到45°(65°減少到45°)時，試件邊緣處纖維變短，與周圍纖維及涂層界面的粘結(jié)強度降低，所受剪力繼續(xù)增大，最終剪應(yīng)力起控制作用，試件呈現(xiàn)出剪切破壞的模式.這從試驗過程中的試件網(wǎng)格變形也能看出(圖7)，在小偏軸拉伸過程中，試件網(wǎng)格主要呈現(xiàn)拉剪變形，而偏軸角度較大時，試件網(wǎng)格主要呈現(xiàn)剪切變形，這與圖5所示的單元應(yīng)力狀態(tài)一致.

圖5 不同破壞形式對應(yīng)的單元應(yīng)力狀態(tài)

Fig.5 Schematic diagram of stress of membrane units with different failure modes

圖6 偏軸拉伸試驗有限元分析

圖7 偏軸拉伸過程試件變形

2.3 拉伸速率

通過分析試驗結(jié)果，發(fā)現(xiàn)在不同拉伸速率下試驗?zāi)げ牡膽?yīng)力-應(yīng)變曲線變化趨勢大致相同.隨著拉伸速率的增加，抗拉強度逐漸增加，而斷裂延伸率逐漸減小.一般來講，拉伸速率的增加，導(dǎo)致纖維和基體間界面的剪切強度增加[17-18]，界面剪切強度的大小決定了基體傳遞載荷到纖維的程度，高的剪切強度將提高載荷傳遞率，在拉伸速率高的情況下，基體某處先開裂，使纖維受到很大的應(yīng)力.由于界面剪切強度高，在基體與纖維尚未脫粘前，荷載已傳到纖維，使纖維在接近裂紋面的地方斷裂，因而阻礙了拉伸過程中纖維從基體中拔出，從而實現(xiàn)了較高的破壞強度.另外，試件內(nèi)部存在的內(nèi)部缺陷對于抗拉強度的變化也有影響[19-20].在速度較慢時，材料內(nèi)部的缺陷能夠逐漸擴展，從而影響到材料的整體受力性能，降低材料的抗拉強度.而當拉伸速率變大時，材料的內(nèi)部缺陷很難迅速擴展，對于材料的抗拉強度影響程度相對較小，這也相當于“變相”地提高了材料的抗拉強度.

由圖8可以看出在不同拉伸速率下，試件的破壞形態(tài)幾乎沒有改變，但是不同速度下不同破壞模式的出現(xiàn)幾率略有不同.從0°、90°試件的破壞模式來看，出現(xiàn)純拉伸破壞的幾率越來越大；從25°、35°試件的破壞模式來看，不難發(fā)現(xiàn)隨著拉伸速率的增加，被拔出纖維所在的涂層部分破壞越嚴重，這是因為界面剪切強度的增大提高了纖維與面層的共同作用，阻礙了纖維從基體中的拔出，從而在試件斷裂時涂層破壞較嚴重.綜上可見，膜材料的破壞總是出現(xiàn)在膜材料中較薄弱的部分，多發(fā)生于強度較低的纖維或纖維與涂層材料的界面上，然后裂縫的發(fā)展總是平行或垂直于纖維方向.在偏軸拉伸時，在拉、剪應(yīng)力的耦合作用下，膜材料的抗拉強度會顯著降低，而且與破壞模式密切相關(guān).

由于斷裂延伸率很大程度上取決于試件膜材的斷裂形態(tài)，隨機性較大，所以本文只對抗拉強度進行了擬合.對試驗拉伸曲線進行分析，擬合得到試驗?zāi)げ目估瓘姸扰c拉伸速率、偏軸速度的關(guān)系公式，如式(1)所示，圖9中黑點為膜材的抗拉強度試驗值，直線為擬合公式的預(yù)測結(jié)果，從圖9看出該公式能夠較好預(yù)測不同拉伸速度及偏軸角度下的材料拉伸強度.

圖8 試件在不同拉伸速率下斷裂形態(tài)

(1)

式中：θ為偏軸角度；X、Y和S分別為拉伸速率為10 mm/min時緯向強度、經(jīng)向強度及剪切強度，v為拉伸速率，A、B和C為擬合系數(shù)，可以通過試驗數(shù)據(jù)擬合得到.

圖9 公式(1)預(yù)測結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)對比

Fig.9 Comparisons of formula 1 calculation results and experimental data

3 結(jié) 論

1) PTFE膜材是典型的各向異性材料.不同拉伸速率下的同一材料的偏軸拉伸曲線變化規(guī)律比較一致，隨著偏軸角度的增加，抗拉強度會有明顯的下降，且降低速率逐漸變緩，而斷裂延伸率與抗拉強度的變化趨勢相反.材料的抗拉強度取決于纖維編織密度、纖維自身強度及纖維-涂層界面的粘結(jié)強度.杜肯B18039和FGT600的抗拉強度最小值出現(xiàn)在偏軸45°處，而FGT800膜材偏軸拉伸試件的抗拉強度最小值出現(xiàn)在偏軸35°處，這主要與FGT800膜材的經(jīng)、緯向纖維編織密度差別較大、紡織過程中出現(xiàn)的卷曲以及纖維-涂層界面的粘結(jié)強度等因素的耦合作用有關(guān).

2)材料的抗拉強度與破壞模式密切相關(guān)，拉伸速率對膜材的斷裂形態(tài)影響不明顯，但是各種破壞模式出現(xiàn)的幾率略有變化.偏軸拉伸試驗中主要觀察到三種破壞現(xiàn)象：纖維斷裂破壞、剪切破壞、拉剪混合型破壞，這與材料微觀單元受力特性密切相關(guān).經(jīng)緯向試件中主要承受的是正應(yīng)力，破壞模式是纖維斷裂破壞，此時強度最高；中間角度的試件處于拉剪應(yīng)力耦合作用下，部分纖維并非完全斷裂，而是被拔出，強度降低明顯；剪切破壞出現(xiàn)在45°試件中，主要承受剪應(yīng)力，試件邊緣纖維從基體中拔出及中間部分的纖維斷裂而導(dǎo)致破壞.

3)隨著拉伸速率的增加，抗拉強度逐漸增大，且與拉伸速率的對數(shù)值呈良好的線性關(guān)系.拉伸速率的增大，會導(dǎo)致纖維與基體間界面剪切強度增大，阻礙了拉伸過程中纖維的拔出，最終破壞以纖維斷裂為主，纖維利用率相對較高，因此材料抗拉強度隨之增大.最后擬合得到了一個能用于預(yù)測不同偏軸角度、拉伸速度的強度預(yù)測公式.由于破壞形態(tài)復(fù)雜，所以斷裂延伸率隨拉伸速率的變化規(guī)律不明顯.

[1] 陳務(wù)軍. 膜結(jié)構(gòu)工程設(shè)計[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005. CHEN Wujun. Design of membrane structure engineering [M]. Beijing: China Architecture and Building Press, 2005.

[2] 張其林. 索和膜結(jié)構(gòu)[M]. 上海：同濟大學(xué)出版社，2002. ZHANG Qilin. Cable and membrane structure[M].Shanghai: Tongji University Press,2002.

[3] 王長國，謝軍，譚惠豐. 薄膜充氣拱褶皺特性分析 [J]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2013, 45(3): 66-69. WANG Changguo, XIE Jun, TAN Huifeng.Wrinkling characteristics analysis of inflated membrane arch[J]. Journal of Harbin Institute of Technology, 2013,45(3):66-69.

[4] FORSTER B, MOLLAERT M. European design guide for tensile surface structures [M]. Brussel： Tensinet, 2004.

[5] 中國工程建設(shè)標準化協(xié)會標準.膜結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程:CECS 158:2015 [S]. 北京：中國計劃出版社，2015. China engineering construction standardization association standard. Technical specification for membrane structures: CECS 158:2015 [S]. Beijing: China Planning Press, 2015.

[6] 張營營，張其林，吳明兒. 膜材料性能及其對結(jié)構(gòu)的影響[J].空間結(jié)構(gòu)，2012，8(2):70-79. ZHANG Yingying, ZHANG Qilin, WU Minger. Material properties of membrane and its influence on structural behaviors [J]. Spatial Structures,2012,18(2):70-79.

[7] CHLOE I, ERIC P, FRANCE S, et al. Modelling of UV optical ageing of optical fibre fabric coated with TiO2[J]. Applied Catalysis B: Environmental,2015,182:229-235. DOI:10.1016/ j.apcatb.2015.09.037.

[8] BRIDGENS B N, BIRCHALL M J S. Form and function: The significance of material properties in the design of tensile fabric structures [J]. Engineering Structures, 2012, 44: 1-12. DOI:10.1016/j.engstruct.2012.05.044.

[9] DINH T D, REZAEI A, LAET L D, et al. A new elasto-plastic material model for coated fabric [J]. Engineering Structures, 2014, 71: 222-233. DOI:10.1016/j.engstruct.2014.04.027.

[10]ZHANG Yingying, SONG Xiaoguang, ZHANG Qilin, et al. Fracture failure analysis and strength criterion for PTFE-coated woven fabrics [J]. Journal of Composite Materials, 2015, 49(12): 1409-1421. DOI:10.1177/0021998314534706.

[11]易洪雷，丁辛，陳守輝. PES/PVC膜材料拉伸性能的各向異性及破壞準則[J]. 復(fù)合材料學(xué)報, 2005, 22(6): 98-102. YI Honglei, DING Xin, CHEN Shouhui. Orthotropic behavior and strength criterion of PES/PVC membrane materials under tensile loading [J]. Acta Materiae Compositae Sinica, 2005, 22(6):98-102.

[12]鄒宗勇，韓建，劉杭鋒，等. PVC建筑膜材拉伸異向性能研究[J]. 浙江理工大學(xué)學(xué)報, 2010, 27(2): 186-191. ZOU Zongyong, HAN Jian, LIU Hangfeng, et al. Orthotropic behavior of PVC architectural membrance materials under tensile loading [J].Journal of Zhejiang Sci-tech University, 2010, 27(2):186-191.

[13]AMBROZIAK A. Mechanical properties of Precontraint 1202S coated fabric under biaxial tensile test with different load ratios [J]. Construction and Building Materials, 2015,80: 210-224.DOI:10.1016/j.conbuildmat.2015.01.074.

[14]孟雷，吳明兒. 建筑用PTFE膜材應(yīng)力松弛和徐變性能研究[J]. 建筑材料學(xué)報, 2012, 15(2): 206-211. MENG Lei, WU Minger. Study on stress relaxation and creep properties of PTFE membrane [J].Journal of Building Materials, 2012, 15(2): 206-211.

[15]吳明兒，慕仝，劉建明. 拉伸速度對ETFE薄膜力學(xué)性能的影響[J]. 建筑材料學(xué)報，2008, 11(5)：574-579. WU Minger, MU Tong, LIU Jianming. Influence of tensile rate on mechanical properties of ETFE foils [J].Journal of Building Materials, 2008, 11(5):574-579.

[16]上海市工程建設(shè)規(guī)范. 膜結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)規(guī)程: DG/ TJ 08-2019—2007 [S]. 上海: [s.n.], 2007. Shanghai engineering construction standard. Technical specification for inspection of membrane structures: DG/ TJ 08-2019—2007 [S]. Shanghai: [s.n.], 2007.

[17]周改麗. 加載速率影響系纜合成纖維拉伸力學(xué)性能的機理研究[D]. 天津: 天津大學(xué), 2012. ZHOU Gaili. The mechanism research of loading rateon the tensile mechanical properties of mooring synthetic fiber [D].Tianjin: Tianjin University, 2012.

[18]鄭開宏，李林，蘇志輝，等. 加載速率對Csf/LAS復(fù)合材料斷裂特性的影響[J]. 廣東有色金屬報, 2001, 11(1): 51-55. ZHENG Kaihong, LI Lin, SU Zhihui, et al. The effect of loading rate on the fracture characteristic of Csf/LAS composite [J]. Journal of Guangdong Non-ferrous Metals, 2001, 11(1):51-55.

[19]方欽志，李慧敏，歐陽小東. 加載速率對PC/ABS拉伸性能的影響[J]. 高分子材料科學(xué)與工程，2006，22(1): 131-134. FANG Qinzhi, LI Huimin, OUYANG Xiaodong. Effect of loading rate on the tensile properties of PC/ABS [J]. Polymer Materials Science and Engineering, 2006, 22(1): 131-134.

[20]傅政. 高分子材料強度及破壞行為[M]. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2005. FU Zheng. Strength and fracture behavior of polymers[M]. Beijing: Chemical Industry Press, 2005.

(編輯 趙麗瑩)

Off-axial tensile behaviors and failure mechanisms of PTFE coated fabrics

ZHANG Yingying1, XU Junhao1, CAO Yuan1, ZHANG Qilin2

(1.Jiangsu Key Laboratory of Environmental Impact and Structural Safety in Engineering (China University of Mining and Technology),Xuzhou 221116, Jiangsu,China; 2.College of Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China)

To understand the rate-dependent mechanical properties and failure mechanism, a series of uniaxial off-axial tensile tests were carried out to study the mechanical properties of three common PTFE (Poly tetra fluoro ethylene) coated fabrics under different tensile rates. The following parameters were considered in the tests including eleven in-plane directions (0°, 5°, 15°, 25°, 35°, 45°, 55°, 65°, 75°, 85°and 90°) and six tensile rates (10 mm/min, 25 mm/min, 50 mm/min, 100 mm/min, 200 mm/min, and 500 mm/min). The variations of main mechanical parameters of PTFE coated fabrics were analyzed and the corresponding tensile failure modes and mechanisms were studied. The results show that the variations of main mechanical parameters are consistent under different tensile rates and it shows significant anisotropic characteristic. The tensile strength is strongly related with the failure modes. With tensile rate increasing, the tensile strength increases slightly while the strain at break decreases. The tensile strength shows good linear relationship with the tensile rate’s logarithm, which is mainly related with the strain energy and the woven structure. The change of tensile rate has no significant effects on the material failure modes and the strain at break.

Poly tetra fluoro ethylene (PTFE) coated fabric; off-axial tensile test; mechanical properties; tensile rate; failure mechanism

10.11918/j.issn.0367-6234.2016.12.019

2015-08-17

國家自然科學(xué)基金 (51308532，90815003)

張營營(1985—)，男，副教授，碩士生導(dǎo)師; 張其林(1962—)，男，教授，博士生導(dǎo)師

張營營，zhangyingying85@163. com

TQ325.3,TU502.6

A

0367-6234(2016)12-0135-07