陶瓷基质复合材料及其弯曲特性

1. 制作一个普通石膏样品

1. 从讲师处获取蓝色橡胶模具。每个模具可以制作3个条形样品，每个条形的尺寸大约在26毫米的宽度，43毫米的长度，和10毫米的厚度。
2. 将40克干石膏粉放入纸杯中。慢慢加入20毫升去离子水，用木棍搅拌浆料，直到达到平滑的一致性。立即执行步骤 3！石膏在5分钟内开始变硬。
3. 将产生的浆料倒入模具的其中一个隔间中。完全填充模具，用木棍将其平滑。扔掉杯子和任何多余的石膏;保持棍子供将来使用。

2. 制作两个复合样品

1. 准备用切碎的纤维增强的样品:
   a.） 将4克切碎的玻璃纤维放入纸杯中。
   b.） 将40克石膏粉称重至同一杯中。
   c.） 缓慢加入20ml去离子水，用木棍搅拌浆料，直到纤维完全混合，实现平滑的一致性。
   d.） 将浆料倒入其中一个模具仓中。完全填充模具，用木棍将其平滑。
2. 准备用玻璃纤维胶带制成的样品:
   a.） 切割2条玻璃纤维胶带，约5英寸长。称量条。
   b.） 将 40 克干石膏粉称重到纸杯中。慢慢加入20ml去离子水，搅拌浆料，直到达到平滑的稠度。
   c.） 将大约三分之一的石膏倒入模具中。在石膏上放一条玻璃纤维胶带，用木棍压下。确保石膏彻底弄湿玻璃纤维胶带。
   d.） 将剩余的石膏的大约一半倒在玻璃纤维胶带上。将第二条胶带放在石膏上，用木棍将其压下。
   e.） 将石膏的其余部分倒在第二条的顶部，然后用木棍向下压。确保石膏彻底弄湿玻璃纤维胶带，并挤出任何气泡。

3. 进行实验

1. 测量 3 点测试夹具上每个杆测量 L（下图中的跨度长度）的平均长度、厚度和宽度，使用校准卡钳进行测量。
2. 对所有测试使用 5 mm/min 的位移速度。（UTM 应以 5mm/min 的位移速度归零并启动）。对于普通石膏和切碎的纤维样品，运行测试，直到样品失败。对于玻璃纤维胶带样品，运行测试，直到偏转为 6 mm。
3. 使用计算机上的 LabVIEW 程序将每个测试的数据收集到文本文件中。

4. MATLAB 计划

1. 创建一个 MATLAB 程序，该程序将执行以下操作:
2. 读取单个列文本文件，并将读数分离为强制和偏转数据。使用以下转换因子将原始数据转换为力和偏转:
   力 = （负载单元最大值 / 30000） = UTM 生成的数字 （2）
   偏转 = 0.001mm = UTM 生成的数字 （3）
3. 计算每个样品的弯曲强度和弯曲应变:
   弯曲强度=_f = （3FL）/（2wt²） （4）
   弯曲应变=_f = （6Dt）/（L²） （5）
4. 为每个样本绘制应力-应变曲线。让 μ_f是水平轴，让_+f是垂直轴。
5. 查找每个样本的最大_μf和_+f值。对于复合样本，选择对应于最大 μ_f值的 +_f值。
6. 通过计算弹性区域曲线的斜率来查找弹性模量 E_f。
7. 查找每个应力应变曲线下的面积。

5. 数据分析

1. 复合样品的柔韧性强度和模量与普通石膏样品的柔韧性和模量比较
   由于 UTM 生成单个列文本文件，因此对于强制和偏转，MATLAB 接口必须将相应的值排序到不同的数组中。因此，为了确定方程4和5所需的力和偏转，方程2和3应实现到MATLAB中。
   使用最大载荷单元 1000，弹性强度和应变的确定是所有方程的组合。由于MATLAB还生成每个样品的应力应变曲线，因此通过计算弹性区域的斜率来确定弯曲模量。使用公式6，将相对于应力应变图上的两个选定点计算柔韧性模量:
   (6)
   在检查样本数据时，我们将看到，随着不同形式的增强，样品的强度将增加，玻璃纤维胶带提供最大的额外强度。在延展性方面（可视为"最可塑性变形"）中，玻璃纤维胶带增强的试样也将是最伟大的。
   此外，纤维长度和方向会严重影响复合样品的性能。例如，只有在将玻璃纤维胶带设置为与试样表面平行时，才能实现最大增强。这样，当石膏基质失效时，这种空间方向允许玻璃纤维胶带承受额外的力。此外，还可以得出结论，较长的玻璃纤维胶带条将比较短的带子更强。在 3 点弯曲测试的条件下，较长的部件将允许最大的牵引力，因为玻璃纤维增强周围有更多的石膏。
2. 键测试期间的能量吸收
   应力-应变曲线下的面积表示材料在失效前吸收的能量。根据我们将取得的成绩，将表明玻璃纤维增强样品吸收的能量最大。此外，由于韧性相当于材料吸收能量和塑性变形的能力，无需压裂，因此玻璃纤维样品通过吸收最大能量被证明是最延展性的;玻璃纤维试样本质上是三个中最难的。因此，韧性是强度和延展性之间的平衡，玻璃纤维样品在其应力应变曲线下具有最大的面积。
3. 使用"混合物规则"公式计算切碎的纤维和玻璃纤维胶带复合材料的理论强度（相关材料特性列于表1）。
   合成的理论强度可以通过公式 1 计算，其中:
   V_F = 光纤的体积分数 = （光纤体积）/（样品的总体积）
   纤维体积 = （纤维质量）/（纤维密度）
   石膏的体积分数 = V_P = 1- V_F 。

表 1.材料属性。