[论文解读] Evaluating the System Compliance in Testing Carbon Nanotube Fibers

Chunyang Jiang, Xin Zhang+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 2, 2017

Advanced Measurement and Detection Methods被引用 4

一句话总结

本研究通过两种试验机——Keysight T150 和 Instron 3365——评估了碳纳米管（CNT）纤维在拉伸测试中的系统柔度，表明 T150 的可忽略柔度可实现更精确的弹性模量和强度测量。通过威布尔统计分析数据离散度，作者建议最小标距长度为 10 mm，以减少变异性并确保 CNT 纤维机械性能评估的可靠性和统计稳健性。

ABSTRACT

System compliances of two testing machines (Keysight T150 and Instron 3365) were studied for the tensile testing of carbon nanotube (CNT) fibers. Due to the different gripping methods, the T150's system compliance was nearly zero, while that of the Instron was nonnegligible. By analyzing the data dispersion with the Weibull theory, a safe gauge length of >10 mm was suggested for CNT fibers. Therefore, a standard test procedure should involve the compliance evaluation, choice of gauge length, and Weibull statistical analysis.

研究动机与目标

• 解决由于 CNT 纤维独特的机械行为和极细直径，导致缺乏标准化测试程序的问题。
• 研究拉伸试验机中的系统柔度如何影响 CNT 纤维测量弹性模量和强度的准确性。
• 评估标距长度对 CNT 纤维机械性能数据离散度和统计可靠性的影响。
• 提出一种标准化测试程序，整合系统柔度评估、最优标距长度选择及威布尔统计分析，用于 CNT 纤维。

提出的方法

• 使用已知弹性模量的参考试样，测量两种试验机（Keysight T150 和 Instron 3365）的系统柔度。
• 在不同标距长度（6–40 mm）下对三种 CNT 纤维和一根碳纤维进行拉伸测试，以评估变形和柔度影响。
• 应用威布尔统计分析纤维强度数据，使用公式 $ P(\sigma) = \exp\left[-\left(\frac{\sigma}{\sigma_0}\right)^m\right] $，其中 $ \sigma_0 $ 为特征强度，$ m $ 为威布尔模数。
• 使用估计量 $ P(\sigma)_i = 1 - \frac{i}{N+1} $ 对强度数据进行排序，以进行威布尔拟合，通过线性回归计算 $ m $ 和 $ \sigma_0 $，公式为 $ \ln\ln\left[\frac{N+1}{N+1-i}\right] = m\ln(\sigma) - m\ln(\sigma_0) $。
• 通过比较不同标距长度下弹性模量和强度的标准差，评估数据离散度。
• 采用模板夹持法并辅以薄纸以减少纤维损伤，确保夹持力一致，尤其针对 Instron 机器。

实验结果

研究问题

• RQ1 拉伸试验机中的系统柔度如何影响 CNT 纤维弹性模量和强度测量的准确性？
• RQ2 为最小化数据离散度并确保 CNT 纤维机械性能评估的可靠性，最优标距长度是多少？
• RQ3 威布尔统计分析在多大程度上提升了 CNT 纤维报告的抗拉强度值的可靠性？
• RQ4 不同的夹持方法（如气动式与刚性夹持）如何影响系统柔度和测试结果的变异性？
• RQ5 能否为 CNT 纤维开发一种标准化测试程序，整合柔度评估、标距长度选择及统计分析？

主要发现

• Keysight T150 试验机由于其刚性夹持设计，表现出几乎可忽略的系统柔度，而 Instron 3365 由于夹持机构较软，表现出不可忽略的柔度。
• 系统柔度随纤维弹性模量增加而降低，尤其在 Keysight T150 中表现明显，表明其与材料刚度密切相关。
• 随着标距长度增加，弹性模量和抗拉强度的数据离散度显著降低，尤其在 10 mm 以上时降幅最为明显。
• 对于 CNTF-C 纤维，威布尔模数从 $ L_0 < 20 $ mm 时的 5.115 提高至 $ L_0 > 20 $ mm 时的 6.916，表明长标距下强度离散度降低。
• CNTF-C 纤维的特征强度 $ \sigma_0 $ 在 $ L_0 < 20 $ mm 时为 1377 MPa，在 $ L_0 > 20 $ mm 时提高至 1475 MPa，表明大标距下测量精度更高。
• 建议采用 >10 mm 的安全最小标距长度，以最小化局部缺陷的影响并降低 CNT 纤维拉伸测试中的数据离散度。