復(fù)合材料織物層合板層間剪切性能研究

梁春生

摘 要：纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的層間剪切性能是其基本性能之一，是復(fù)合材料設(shè)計(jì)中必須考慮的重要問(wèn)題。而復(fù)合材料固化工藝和條件是影響復(fù)合材料性能的重要因素，因此，文章對(duì)不同固化條件下復(fù)合材料織物層合板層間剪切性能進(jìn)行了研究?？疾炝嗽谙嗤瑴囟茸兓芷跅l件下，分別使用熱壓罐和熱補(bǔ)儀進(jìn)行層合板固化所得到的復(fù)合材料層合板的層間剪切性能?；贏STM D5379試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，開(kāi)展了相關(guān)試驗(yàn)，結(jié)果表明：采用熱壓罐進(jìn)行固化所得到的層合板，其層間剪切強(qiáng)度及剛度都要優(yōu)于采用熱補(bǔ)儀固化的層合板。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料層合板；固化過(guò)程；層間剪切；熱壓罐；熱補(bǔ)儀

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是20世紀(jì)60年代中期發(fā)展起來(lái)的一種新型材料，因其具有比強(qiáng)度高、比剛度高和可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等其他材料無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)[1-2]，在航天和航空等國(guó)防領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。為了有效利用復(fù)合材料的性能優(yōu)勢(shì)，充分發(fā)揮其潛能，要求對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能進(jìn)行深入細(xì)致的研究。

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的層間剪切性能是其基本性能之一，與拉伸和壓縮這些基本性能相比，剪切性能的分析難度更大[3]。按照經(jīng)典層合板理論，一般多向?qū)雍习逯懈麂亴泳雌矫鎽?yīng)力狀態(tài)進(jìn)行分析，不考慮垂直鋪層面的應(yīng)力和垂直剪切應(yīng)力（即層間應(yīng)力）。這在復(fù)合材料設(shè)計(jì)的許多情況下是合適的。然而，在不少情況下層間應(yīng)力是不可忽視的。例如，平板或梁在橫向載荷作用下，將在橫截面內(nèi)產(chǎn)生剪應(yīng)力，按照剪應(yīng)力互等定律，也即構(gòu)成層間剪應(yīng)力。由于層合板復(fù)合材料抵抗層間應(yīng)力的能力與基體強(qiáng)度同量級(jí)，故層間應(yīng)力的存在很容易導(dǎo)致層間的分層破壞，而層間分層將會(huì)嚴(yán)重降低層合板的剛度和強(qiáng)度。所以，層間應(yīng)力和層間強(qiáng)度等層間問(wèn)題是復(fù)合材料設(shè)計(jì)中必須考慮的重要問(wèn)題[4-5]。

目前，國(guó)內(nèi)外作為層合板層間剪切強(qiáng)度測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)方法主要有短梁法、V型槽短梁法、品字梁法和雙切口拉伸/壓縮法[6-8]。本文將采用V型槽短梁法對(duì)不同固化工藝下層合板的層間剪切性能進(jìn)行試驗(yàn)，研究使用熱壓罐或熱補(bǔ)儀進(jìn)行固化對(duì)層合板層間剪切剛度及強(qiáng)度的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)件固化過(guò)程及設(shè)計(jì)

試驗(yàn)件的材料采用Cytec公司的碳纖維織物增強(qiáng)樹(shù)脂復(fù)合材料T300/CYCOM 970，其中T300為碳纖維織物，CYCOM 970為一種環(huán)氧樹(shù)脂。實(shí)驗(yàn)中所采用的層合板按照ASTM D5379[9]中的規(guī)格進(jìn)行設(shè)計(jì)，其鋪層順序?yàn)椋?）304，分別采用熱壓罐和熱補(bǔ)儀進(jìn)行固化，得到兩種類型試驗(yàn)件，這里分別稱作I型和II型。兩種類型試驗(yàn)件在熱壓罐和熱補(bǔ)儀中的固化溫度變化周期相同，如圖1所示。

將固化完成后的層合板按圖2所示進(jìn)行設(shè)計(jì)加工，得到標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)件，試驗(yàn)件的規(guī)格為76×20×2，每種類型準(zhǔn)備四塊試件。加強(qiáng)片分別在常溫下固化24h，60℃下固化2h，82℃下固化1h。

1.2 試驗(yàn)過(guò)程

圖3為層間剪切試驗(yàn)裝置，夾具兩頭緊緊夾住試件，并在試件V型缺口截面上沿載荷方向產(chǎn)生純剪力。在V型缺口連線上放置應(yīng)變片測(cè)量剪切力作用下，試件V型截面剪應(yīng)變的變化，應(yīng)變片位置見(jiàn)圖4。

試驗(yàn)過(guò)程中，將試驗(yàn)件夾持到位后，對(duì)應(yīng)變片執(zhí)行平衡、清零操作，載荷和位移清零后，開(kāi)始進(jìn)行試驗(yàn)；按1mm/min的速度施加載荷，直至發(fā)生破壞。試驗(yàn)過(guò)程中采集載荷、位移、應(yīng)變等數(shù)據(jù)，記錄試驗(yàn)件的破壞模式。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)可以得到試件的載荷-位移曲線和應(yīng)變-時(shí)間曲線，進(jìn)一步處理可以得到相應(yīng)的切應(yīng)力-切應(yīng)變曲線。根據(jù)下列公式，可以得到試件的極限剪切強(qiáng)度和剪切模量。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

圖5分別為I型試件和II型試件的載荷位移曲線，載荷與位移基本呈線性關(guān)系。明顯看出，I型試件的層間剪切極限載荷遠(yuǎn)大于II型試件的極限載荷。由試件的極限載荷及缺口處的截面積，可以得到每個(gè)試件的剪切強(qiáng)度。數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理可得，I型試件的平均層間剪切強(qiáng)度為40.48MPa，離散系數(shù)為9.3%；II型試件的平均層間剪切強(qiáng)度為30.48MPa，離散系數(shù)為10.1%。數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性較好，I型試件平均層間剪切強(qiáng)度較II型試件高出25%。

圖6給出所有試件的破壞模式，可以看出，I型試件的一致性較好，基本都是沿著V型口開(kāi)裂；II型試件一致性稍差，部分試件并未沿著V型口裂開(kāi)，這在一定程度上影響數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，因此，無(wú)論是從強(qiáng)度離散系數(shù)分析還是從剛度離散系數(shù)分析，I型試件都要優(yōu)于II型試件。

圖7給出了兩種類型試件的典型切應(yīng)力-切應(yīng)變曲線，由曲線的斜率可以得到各試件的層間剪切模量（見(jiàn)表1）。結(jié)果表明，I型試件的平均層間剪切模量達(dá)到了3.42GPa，離散系數(shù)為1.2%；II型試件的平均層間剪切模量為2.36GPa，離散系數(shù)為4.0%；I型試件的剪切模量較II型試件高出31%。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)V型槽短梁法分別對(duì)熱壓罐和熱補(bǔ)儀固化條件下的層合板進(jìn)行了層間剪切剛度及強(qiáng)度試驗(yàn)。結(jié)果表明，在相同的固化溫度周期下，采用熱壓罐進(jìn)行壓制的層合板，其層間剪切強(qiáng)度和剛度都要優(yōu)于采用熱補(bǔ)儀進(jìn)行壓制的層合板，分別高于25%和31%。因此，在對(duì)層間剪切性能要求較高的場(chǎng)合，優(yōu)先采用熱壓罐進(jìn)行層合板的固化。

參考文獻(xiàn)

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