復合材料織物層合板層間剪切性能研究

梁春生

摘 要：纖維增強復合材料的層間剪切性能是其基本性能之一，是復合材料設計中必須考慮的重要問題。而復合材料固化工藝和條件是影響復合材料性能的重要因素，因此，文章對不同固化條件下復合材料織物層合板層間剪切性能進行了研究。考察了在相同溫度變化周期條件下，分別使用熱壓罐和熱補儀進行層合板固化所得到的復合材料層合板的層間剪切性能。基于ASTM D5379試驗標準，開展了相關試驗，結果表明：采用熱壓罐進行固化所得到的層合板，其層間剪切強度及剛度都要優于采用熱補儀固化的層合板。

關鍵詞：復合材料層合板；固化過程；層間剪切；熱壓罐；熱補儀

纖維增強復合材料是20世紀60年代中期發展起來的一種新型材料，因其具有比強度高、比剛度高和可設計性強等其他材料無法比擬的優點[1-2]，在航天和航空等國防領域得到越來越廣泛的應用。為了有效利用復合材料的性能優勢，充分發揮其潛能，要求對復合材料力學性能進行深入細致的研究。

纖維增強復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]。按照經典層合板理論，一般多向層合板中各鋪層均按平面應力狀態進行分析，不考慮垂直鋪層面的應力和垂直剪切應力（即層間應力）。這在復合材料設計的許多情況下是合適的。然而，在不少情況下層間應力是不可忽視的。例如，平板或梁在橫向載荷作用下，將在橫截面內產生剪應力，按照剪應力互等定律，也即構成層間剪應力。由于層合板復合材料抵抗層間應力的能力與基體強度同量級，故層間應力的存在很容易導致層間的分層破壞，而層間分層將會嚴重降低層合板的剛度和強度。所以，層間應力和層間強度等層間問題是復合材料設計中必須考慮的重要問題[4-5]。

目前，國內外作為層合板層間剪切強度測試標準的試驗方法主要有短梁法、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型槽短梁法對不同固化工藝下層合板的層間剪切性能進行試驗，研究使用熱壓罐或熱補儀進行固化對層合板層間剪切剛度及強度的影響。

1 試驗

1.1 試驗件固化過程及設計

試驗件的材料采用Cytec公司的碳纖維織物增強樹脂復合材料T300/CYCOM 970，其中T300為碳纖維織物，CYCOM 970為一種環氧樹脂。實驗中所采用的層合板按照ASTM D5379[9]中的規格進行設計，其鋪層順序為（0）304，分別采用熱壓罐和熱補儀進行固化，得到兩種類型試驗件，這里分別稱作I型和II型。兩種類型試驗件在熱壓罐和熱補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所示進行設計加工，得到標準的試驗件，試驗件的規格為76×20×2，每種類型準備四塊試件。加強片分別在常溫下固化24h，60℃下固化2h，82℃下固化1h。

1.2 試驗過程

圖3為層間剪切試驗裝置，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生純剪力。在V型缺口連線上放置應變片測量剪切力作用下，試件V型截面剪應變的變化，應變片位置見圖4。

試驗過程中，將試驗件夾持到位后，對應變片執行平衡、清零操作，載荷和位移清零后，開始進行試驗；按1mm/min的速度施加載荷，直至發生破壞。試驗過程中采集載荷、位移、應變等數據，記錄試驗件的破壞模式。

1.3 數據處理

試驗可以得到試件的載荷-位移曲線和應變-時間曲線，進一步處理可以得到相應的切應力-切應變曲線。根據下列公式，可以得到試件的極限剪切強度和剪切模量。

2 試驗結果及討論

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系。明顯看出，I型試件的層間剪切極限載荷遠大于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，可以得到每個試件的剪切強度。數據經過處理可得，I型試件的平均層間剪切強度為40.48MPa，離散系數為9.3%；II型試件的平均層間剪切強度為30.48MPa，離散系數為10.1%。數據的穩定性較好，I型試件平均層間剪切強度較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型口開裂；II型試件一致性稍差，部分試件并未沿著V型口裂開，這在一定程度上影響數據的穩定性，因此，無論是從強度離散系數分析還是從剛度離散系數分析，I型試件都要優于II型試件。

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

3 結束語

通過V型槽短梁法分別對熱壓罐和熱補儀固化條件下的層合板進行了層間剪切剛度及強度試驗。結果表明，在相同的固化溫度周期下，采用熱壓罐進行壓制的層合板，其層間剪切強度和剛度都要優于采用熱補儀進行壓制的層合板，分別高于25%和31%。因此，在對層間剪切性能要求較高的場合，優先采用熱壓罐進行層合板的固化。

參考文獻

[1]Maneenut C， Sakoolnamarka R， Tyas M J. The repair potential of resin composite materials[J]. Dental Materials Official Publication of the Academy of Dental Materials， 2011， 27（2）：e20-e27. DOI： 10.1016/j.dental.2010.09.006.

[2]Christensen， R. M， McCoy， J. J. Mechanics of Composite Materials[M]// Mechanics of composite materials ：. Pergamon Press， 1970：229-230.

[3]航空航天工業部科學技術研究院.復合材料設計手冊[M].航空工業出版社，1990.

[4]Hao W F， Guo G P， Chen X W， et al. CHARACTERIZATION OF INTERLAMINATE SHEAR PROPERTIES FOR COMPOSITE MATERIALS USING DIGITAL IMAGE CORRELATION[J]. Fiber Reinforced Plastics/composites， 2016.

[5]Liu P， Guan Q， Gu A， et al. Interface and its effect on the interlaminate shear strength of novel glass fiber/hyperbranched polysiloxane modified maleimide-triazine resin composites[J]. Applied Surface Science， 2011， 258（1）：572-579.

[6]ASTM D2344-84 （1995）： Standard Test Method for Apparent Interlaminar Shear Strength ofParallel Fiber Composites by Short-Beam Method[Z].

[7]Lauke B， Beckert W， Schneider K. Interlaminar shear strength evaluation of curved composite samples[J]. Applied Composite Materials，1994，1（4）：267-271.

[8]Wang R， Shindo Y， Horiguchi K， et al. Double-Notch Interlaminar Shear Strength of G-10CR Glass-Cloth/Epoxy Laminates at Cryogenic Temperatures.[J]. Teion Kogaku， 1997， 32（1）：18-24.

[9]ASTM Standard D 5379 /D 5379M，Standard Test Method for Shear Properties of Composite Materials by the V-notched Beam Method[Z].