復合材料層間斷裂韌度測定與斷面形貌分析

吳義韜

摘 要：分層是復合材料的一種常見破壞模式，分層與層間的斷裂韌度有關。文章對工程復合材料T700/YPX3001的層間斷裂韌度開展了研究，完成了不同加載模式比下層間斷裂韌度的測定，并對不同加載模式比下的層間斷裂形貌進行了分析。

關鍵詞：復合材料；斷裂；韌度

中圖分類號：TB33 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）23-0017-02

引言

現代飛機發展趨勢表明，先進復合材料在機體結構中的使用比重和應用部位已成為衡量飛機結構設計水平先進性的重要指標之一。雖然復合材料占飛機結構比重越來越高，但工程師們對復合材料的使用還相當保守，復合材料的優異性能尚未得到盡情展現。這歸根結底主要是對復合材料的破壞機理研究還不夠深入。

分層是復合材料的一種典型破壞模式，有I型、II型、III型以及混合型開裂模式。是否分層與層間斷裂韌度大小有關。復合材料層間斷裂韌度大小隨層間加載模式比的變化而不同。本文開展了復合材料T700/YPX3001的層間斷裂韌度性能研究，完成了不同加載模式比下的層間斷裂韌度試驗，對層間斷裂形貌進行了分析。

1 斷裂韌度測定方法

根據ASTM D5528-01試驗標準[1]，I型層間斷裂韌度GIc

采用雙懸臂梁（DCB）試驗測定。DCB試件采用復合材料單向層合板制成，其一端的中面置入無粘著力的嵌入物，模擬層間起始分層。Hashemi等[2]建立了I型斷裂韌度的解析表達式：

對II型層間斷裂韌度GIIc的測定，目前還沒有實現標準化，通常采用端邊切口彎曲（ENF）試驗方法測定。ENF試驗件與DCB試驗件幾何形狀相同，在試件一端的中面置入無粘著力的嵌入物，模擬層間起始分層。根據工程梁理論，II型斷裂韌度的解析表達式：

式中，Pg為加載杠桿和附著件的合重量；cg為杠桿和附著件的重心到跨距中點的距離。

2 試驗及結果分析

2.1 試驗設計

試件材料為T700/YPX-3001，鋪層為[0]32。名義單層厚度0.143mm。固化前，通過預先埋置薄膜（聚四氟乙烯）來預制層間初始裂紋。裂紋尖端到右支點距離為30mm，ENF和MMB試驗中兩支點跨距為100mm。

試驗均在MTS370電液伺服試驗機上進行，采用位移加載，加載速率為0.5mm/min。DCB試驗、ENF試驗和MMB試驗裝置如圖1。在ENF試驗中，為了避免在已開裂的上、下接觸面之間出現摩擦，試驗前在開裂端的中面處插入了一根大頭針。為了消除因試驗裝置間隙引起的額外系統柔度，試驗前對每個試件都進行了預加載和卸載處理。

試件總數為60件，預先設定了8種加載模式比（βII=GII/GT），每種模式比用了7個試件，剩余4個作為備用試件。

2.2 試驗結果

計算得到對應各混合模式比的c值。

試驗獲得了施加在鉸鏈上的臨界載荷Pc，采用公式（1）（3）（4）計算得到了不同混合模式比下的斷裂韌度Gc。經統計分析，斷裂韌度隨著II型模式占比的逐漸增大而增大；純I型模式下，斷裂韌度最小，純II型模式下，斷裂韌度最大。不同加載模式比下斷裂韌度分散性大，這與界面粘結強度、試件厚度等因素的分散性大有關。

2.3 斷面形貌

圖2為3種不同加載模式比下層間斷面的三維電子顯微圖。圖像顯示，純I型模式下，斷裂面上纖維間凹槽清晰，且整齊一致，基本看不到零散的基體層片，該凹槽由上層纖維從樹脂中整齊拔出所致；隨著II型模式占比的增加，斷裂面上纖維間凹槽變得越來越模糊和平坦，且纖維間出現了很多凸起的基體層片；在純II型模式下，凸起的基體層片數量最多，且排列成有規律的羽梳狀特征，層片傾斜方向與層間裂紋的擴展方向相一致。另外，斷面形貌與斷裂面上主控分層的載荷形式密切相關，純I型模式下法向拉伸應力主控分層，纖維容易從層間樹脂中剝離出來；純II型模式下層間剪切應力主控分層，纖維不容易從樹脂中拔出，層間斷面上留下明顯的剪切特征。

3 結論

完成了不同加載模式比下T700/YPX3001復合材料的層間斷裂韌度研究，結果表明斷裂韌度值隨著II型模式占比的增大而逐漸增大，隨著II型模式占比的增加，層間斷裂面上纖維間凹槽變得越來越模糊和平坦，且纖維間凸起的基體層片排列逐漸呈羽梳狀特征；斷面形貌特征與斷裂面上主控分層的載荷形式密切相關。

參考文獻：

[1]ASTM. Standard test method for Mode I interlaminar fracture toughness of unidirectional fiber reinforced polymer matrix composites[S].1994.