双轴拉伸下ETFE薄膜材料力学性能

吴明儿， 赏莹莹， 李殷堂

（同济大学 建筑工程系，上海 200092）

ETFE（ethylene tetra fluoro ethylene）薄膜结构在国内外应用越来越广泛［1－2］.其主要力学性能指标包括屈服强度、弹性模量、抗拉强度和断裂延伸率等，这些指标一般参照塑料薄膜的拉伸试验方法，通过材性试验获得［3］.目前对ETFE薄膜材料力学性能的研究主要采用单轴拉伸试验的方法，已有研究包括屈服强度及弹性模量等基本参数的获取［4］，拉伸速度及温度对材料性能的影响［5－6］，不同应力水平下的循环拉伸性能以及不同温度和应力水平下的徐变性能试验［7－8］.相对于单轴拉伸试验，ETFE薄膜的双轴拉伸试验研究很少.文献［9］按循环加载的方法对ETFE薄膜进行了双轴拉伸试验，检验了Mises屈服应力，比较了单双轴弹性模量.然而该试验中对两个方向是独立加载，而非同时进行的.

本文对ETFE薄膜进行双轴拉伸试验时采用同时比例加载的办法，即试件从两个方向按设定的应力比同时进行加载使其达到屈服.将成卷ETFE薄膜的长度方向标记为MD（machine direction），与MD垂直的宽度方向标记为TD（transverse direction）.选取200，250μm厚的ETFE薄膜进行5组应力比（MD与TD方向的应力比，下同）双轴拉伸试验；由试验得到双轴应力时的屈服点，利用单轴拉伸时的屈服点验证Mises屈服准则的适用性；计算双轴拉伸试验时的弹性模量和泊松比，并与单轴拉伸试验结果进行比较.

1 双轴拉伸试验方法

参照文献［10］，对ETFE薄膜进行双轴拉伸试验.试验时室温为20℃，拉伸试样为日本旭硝子玻璃股份有限公司生产的厚度为200，250μm的两种ETFE薄膜.

对每种厚度的ETFE薄膜分别进行5组应力比的双轴拉伸试验，试样应力比分别为1∶0，0∶1，1∶1，1∶2，2∶1，每组试验重复5次.试验设备加载比例固定为1∶1，通过调整试样尺寸来获得不同应力比.采用十字形切缝试样，按照膜材的MD，TD方向对称取样.试样尺寸见图1.

图1 ETFE薄膜十字形试样尺寸Fig.1 Cruciform specimen of ETFE foils（size：mm）

2 双轴拉伸试验结果

2.1 双轴拉伸曲线

ETFE薄膜在不同应力比下双轴拉伸试验部分应力－应变曲线如图2所示.

由图2可知，双轴拉伸下ETFE薄膜的应力－应变曲线起初呈近似直线关系，此时可认为材料处于弹性状态；到达某一点后直线斜率迅速减小，材料可认为发生屈服，这与单轴拉伸的应力－应变曲线相似［4］；当双轴拉伸继续进行时，应变迅速增大，十字形试样角部出现应力集中现象，导致材料撕裂破坏，试验停止.按单轴拉伸曲线的近似分析方法［4］来分析处理双轴拉伸曲线，对每条双轴拉伸曲线作初始段的切线，与两转折点间曲线的近似直线相交于点A；过点A作水平线与拉伸曲线相交于点B，点B即为第一屈服点（即第一转折点）.

2.2 屈服应力

图2中应力－应变曲线转折点相当于单轴拉伸曲线的第一转折点.分析处理双轴拉伸曲线，可以得到第一屈服点，将该点对应的应力规定为ETFE薄膜在双轴拉伸状态下的屈服应力.双轴拉伸试验中200，250μm厚ETFE薄膜在单个方向上的屈服应力见表1，2.

表1 200μm厚ETFE薄膜在单个方向上的屈服应力Table 1 Yield stress in a single direction of 200－micron－thick ETFE foils MPa

表2 250μm厚ETFE薄膜在单个方向上的屈服应力Table 2 Yield stress in a single direction of 250－micron－thick ETFE foils MPa

3 折算应力

本文按Mises屈服准则计算ETFE薄膜双轴拉伸达到屈服时的折算应力，将其与单轴拉伸的屈服应力相比较，检验 Mises屈服准则的适用性.由表1，2计算得到的折算应力见表3.

由表3可知，两种厚度ETFE薄膜的折算应力基本相同，这表明厚度对其折算应力影响不大.双轴应力比为1∶1时的折算应力略小于单轴屈服应力；双轴应力比为1∶2，2∶1时的折算应力略大于单轴屈服应力；双轴折算应力与单轴屈服应力相差大约±7%，基本符合Mises屈服准则.

图2 不同应力比双轴拉伸试验部分应力－应变曲线Fig.2 Stress－strain curves of biaxial tensile tests using different stress ratio

表3 ETFE薄膜双轴拉伸屈服时的Mises折算应力Table 3 Mises equivalent stress of ETFE foils at yielding point through biaxial tensile test MPa

4 弹性模量和泊松比

由应力比为1∶0，0∶1的双轴拉伸试验可求得ETFE薄膜在单轴拉伸状态下的弹性模量和泊松比.切线模量、割线模量的定义同单轴拉伸试验曲线分析方法［4］，泊松比取屈服点时的应变比值，试验结果见表4，5.

参照文献［10］中关于膜材双轴拉伸弹性模量及泊松比的计算方法，利用双轴拉伸试验5组应力比的应力－应变曲线，按应变项残差平方和最小二乘法计算得到ETFE薄膜双轴拉伸弹性模量和泊松比，结果见表6.

表4 200μm厚ETFE薄膜单轴拉伸弹性模量和泊松比Table 4 Elastic modulus and Poisson ratio of 200－micron－thick ETFE foils through uniaxial tensile test

表5 250μm厚ETFE薄膜单轴拉伸弹性模量和泊松比Table 5 Elastic modulus and Poisson ratio of 250－micron－thick ETFE foils through uniaxial tensile test

由表4～6可知，ETFE薄膜在MD，TD两方向上的弹性模量基本一致，250μm厚薄膜弹性模量略小于200μm厚薄膜.单轴拉伸弹性模量中的切线模量稍大于割线模量，而双轴拉伸弹性模量则大致介于单轴拉伸切线模量与割线模量之间.单轴及双轴拉伸得到的泊松比与薄膜厚度及方向关系很小，数值约为0.42.

表6 ETFE薄膜双轴拉伸弹性模量和泊松比Table 6 Elastic modulus and Poisson ratio of ETFE foils through biaxial tensile test

5 结论

（1）试验所得ETFE薄膜双轴拉伸应力－应变曲线与单轴拉伸曲线变化趋势一致；由Mises屈服准则计算得到的双向应力屈服时的折算应力与单轴屈服应力相差在±7%之内，基本符合 Mises屈服准则.

（2）双轴拉伸弹性模量介于单轴拉伸切线模量与单轴拉伸割线模量之间，而其泊松比与单轴拉伸试验数据基本相同.

（3）ETFE薄膜双轴拉伸试验中，当应力超过第一屈服点以后，试件出现角部应力集中，导致撕裂破坏，无法得到第二屈服点.

［1］ LECUYER A.ETFE technology and design［M］.Berlin：Birkhauser Basel，2008：1－20.

［2］ 王双军，陈先明.“水立方”ETFE充气膜结构技术［M］.北京：化学工业出版社，2010：10－40.WANG Shuangjun，CHEN Xianming.“Water cube”ETFE air－supported membrane structure technology［M］.Beijing：Chemical Industry Press，2010：10－40.（in Chinese）

［3］ GB／T 1040.3—2006 塑料拉伸性能的测定 第3部分：薄膜和薄片的试验条件［S］.GB／T 1040.3—2006 Plastics determination of tensile properties part 3：Test conditions for films and sheets［S］.（in Chinese）

［4］ 吴明儿，刘建明，慕仝，等.ETFE薄膜材料单向拉伸性能［J］.建筑材料学报，2008，11（2）：241－247.WU Minger，LIU Jianming，MU Tong，et al.Uniaxial tensile properties of ETFE foils［J］.Journal of Building Materials，2008，11（2）：241－247.（in Chinese）

［5］ 吴明儿，慕仝，刘建明.拉伸速度对ETFE薄膜力学性能的影响［J］.建筑材料学报，2008，11（5）：574－579.WU Minger，MU Tong，LIU Jianming.Influence of extension speed on mechanical properties of ETFE foil［J］.Journal of Building Materials，2008，11（5）：574－579.（in Chinese）

［6］ 慕仝，吴明儿.ETFE薄膜在高低温环境下的材料性能［C］∥第九届全国现代结构工程学术研讨会论文集.济南：工业建筑杂志社，2009：402－404.MU Tong，WU Minger.Mechanical properties of ETFE foils in the environment of high or low temprature［C］∥Conference Proceedings of the 9thNational Conference on Modern Structural Engineering.Jinan：Industrial Architecture Magazine，2009：402－404.（in Chinese）

［7］ KAWABATA M，MORIYAMA F.Study on viscoelastic characteristics and structural response of ETFE membrane structures［C］∥IASS Symposium.Beijing：New Olympics，New Shell and Spatial Structures，2006：150.

［8］ 吴明儿，慕仝，刘建明.ETFE薄膜循环拉伸试验及徐变试验［J］.建筑材料学报，2008，11（6）：690－694.WU Minger，MU Tong，LIU Jianming.Cycle loading and creep tests of ETFE foil［J］.Journal of Building Materials，2008，11（6）：690－694.（in Chinese）

［9］ GALLIOT C.LUCHSINGER R H.Uniaxial and biaxial mechanical properties of ETFE foils［J］.Polymer Testing，2011，30（4）：356－365.

［10］ DG／TJ 08－2019—2007 膜结构检测技术规程［S］.DG／TJ 08－2019—2007 Technical specification for inspection of membrane structures［S］.（in Chinese）