CCF300/BA9916層合板在濕度環境下的剪切性能試驗研究

李曉宇，王佩艷

(1.西安航空職業技術學院， 西安 710089; 2.西北工業大學 力學與土木建筑學院， 西安 710129)

CCF300/BA9916層合板在濕度環境下的剪切性能試驗研究

李曉宇1，王佩艷2

(1.西安航空職業技術學院， 西安 710089; 2.西北工業大學 力學與土木建筑學院， 西安 710129)

針對一種新型復合材料CCF300/BA9916-Ⅱ在低溫、室溫和高溫濕態下面內剪切性能進行研究，得到了不同溫度對CCF300/BA9916-Ⅱ型復合材料面內剪切性能的影響規律以及產生變化的原因。研究結果表明：與室溫相比，低溫下復合材料的剪切強度增加了4.09%，剪切模量降低了18.01%；高溫濕態下復合材料層合板的剪切強度降低了25.32%，剪切模量降低了20.12%。復合材料在室溫下的面內剪切模量和離散系均優于另外2種溫度，實驗結果顯示溫度對該新型復合材料層合板的剪切性能有顯著的影響。

復合材料；剪切；溫度；濕度；離散

用復合材料代替金屬材料制造飛機的零部件可使飛機質量減少25%～50%，既可以增加飛機的運載能力、提高機動性能、加大航程，又可以減少燃油或者推進劑的消耗[1]。但飛機在服役過程中往往會經受復雜的氣候環境，包括高溫、低溫、鹽霧和濕態等環境，在這樣的環境下復合材料會發生一定的老化[2-4]，導致材料力學性能下降。只有掌握了不同環境下復合材料的力學性能的變化規律，才能為飛機的設計、使用以及維修提供理論指導。國外一些學者用Iosipescu剪切法和偏軸拉伸法測試了一種松木的剪切強度，并得出了2種方法的各自優點[5-6]。國內一些學者通過玻璃布/環氧層壓板低溫剪切力學性能的研究，發現纖維和基體的相互作用使復合材料具有良好的力學性能[7]。一些學者在不同溫度和濕度下進行復合材料材料的力學性能實驗[8-9]，研究了濕熱下材料的老化對復合材料力學性能的影響，即材料基體性能降低，導致材料剪切強度的下降[10-11]。以上研究說明在不同環境下對復合材料的力學性能進行研究是很有必要的。本文主要研究了一種新型復合材料層合板CCF300/BA9916-Ⅱ在不同溫度和濕態下的剪切強度，分析了材料的剪切強度隨溫度變化的規律以及復合材料層合板的破壞機理，得到了材料剪切強度和剪切模量在不同溫度下的曲線分布，為該新型復合材料層合板的工程實際應用提供了可靠的試驗依據。

1 試驗

1.1 試驗儀器以及試驗材料

采用長春試驗機研究所的CSS-88100 電子萬能試驗機進行加載，并在重慶五環試驗儀器有限公司生產的MT7006L型環境箱放置試件，環境箱的使用范圍為-70 ℃～150 ℃。試驗中使用CCF300/BA9916-Ⅱ型復合材料層合板試件。該復合材料層合板為某型飛機武器艙門的主要部件，采用熱壓罐成型工藝，對稱鋪層，鋪層角度為[45/0/-45/90/45/02/-45/90]s。在低溫、室溫和高溫濕態3種不同溫度下進行剪切強度試驗，每組實驗有5個相同試驗件，低溫為-55 ℃，高溫為75 ℃，高溫濕態的試件為吸濕試驗完成的試件，材料的吸濕率為95%。對于面內剪切強度試驗，采用Isoipescu剪切試驗方法，在裝夾試件時注意試件的對稱性。試驗夾具以及環境箱見圖1。

圖1 實驗環境箱和夾具圖

1.2 試驗方法

在試驗件的相應位置粘貼[-45°/+45°]電阻應變片，具體貼片見圖2。

圖2 電阻應變片的貼片

試驗中剪切強度的計算公式為[12]

(1)

剪切模量的計算公式為[12]

(2)

其中：Pa為外載荷；w為v槽根部間的距離；h為試件的厚度；ΔP為載荷增量；ε45為45°方向應變；ε-45為-45°方向的應變。試件尺寸見表1。

表1 試件尺寸

2 試驗結果

通過在室溫和高溫濕態條件下進行復合材料層合板的剪切試驗，得到試件剪切破壞的斷口圖，如圖3所示。

從圖3(a)和(b)中可以看出：在室溫和高溫濕態條件下復合材料層合板的斷口破壞圖基本一致，都是首先在V型槽底部出現應力集中然后沿45°方向出現剪切破壞，破壞過程伴隨著纖維的脫膠和拔出，并且缺口出現嚴重的變形。

圖3 試件破壞以及斷口圖

通過對不同溫度的復合材料的剪切試驗結果分析得到載荷-溫度、剪切-溫度和剪切模與溫度的直方圖(圖4)，其中試件1～5是每組試驗的5個試件。

圖4 試驗直方圖

從圖4(a)和(b)可以看出：相同溫度下試件的破壞載荷和剪切強度的直方圖基本一致，而不同溫度的載荷以及剪切強度差異很明顯。相比室溫，低溫下復合材料層合板的破壞載荷平均增加了5.78%，剪切強度平均增加了4.09%，這主要是由于加工工藝限制而產生的各種氣體和水分在低溫下固化，使復合材料層合板的界面結合更加緊致，載荷可以充分通過界面在纖維和基體間進行很好的傳遞，能量的消耗可以通過界面充分擴散，使得纖維脫膠和纖維拔出的阻力系數增大。因此，在低溫下必須通過增加載荷才能造成界面的脫膠、分層以及基體的損傷和纖維的斷裂，從而導致低溫下復合材料層合板的破壞載荷和剪切強度增加。高溫濕態下復合材料層合板的破壞載荷平均降低了25.36%，剪切強度平均降低了25.32%，出現較大幅度的降低。主要是由于吸附的水對基體產生了增塑作用，使纖維和基體的界面結合能力下降，并且吸附水產生的局部膨脹應力也會引起基體損傷，使基體與纖維界面脫膠，界面結合松弛，從而導致復合材料層合板在高溫濕態下的破壞載荷和剪切強度下降。從圖4(c)中可以計算出復合材料層合板的剪切模量在低溫的離散系數為10.38%，室溫下的離散系數為6.68%，高溫濕態的離散系數為8.07%。3種溫度下的離散系數都在10%左右，表明復合材料層合板存在分散性但是表現不明顯，并且隨溫度的升高復合材材料的剪切模量先增后減，說明室溫下的材料剪切性能優于低溫和高溫濕態。

不同溫度下同組試驗的5個試件載荷-位移曲線見圖5。

由于復合材料層合板相同溫度下位移-載荷曲線基本一致，力學性能穩定，因此可以取載荷-位移曲線和應力-應變曲線均值進行圖形的擬合，見圖6。

由圖6(a)的載荷位移曲線可以看出：復合材料層合板在低溫下曲線斜率較明顯，室溫和高溫濕態下，隨著載荷增加復合材料層合板逐漸損傷，在達到極限載荷后破壞。

從圖6(b)可以看出面內剪切實驗試件可以分為2個階段。破壞的線性階段，基體和基體/纖維界面剪切破壞的非線性階段。由于面內剪切強度實驗中材料纖維方向和載荷方向不一致，并且上下相鄰復合材料層的鋪成角度和纖維方向也不一致。隨著載荷不斷增大，上下表層變形不協調，首先出現某一復合材料子層平行纖維束之間的斷裂，此時線性階段結束，進入由基體和界面剪切強度控制，沿纖維方向相對滑動階段，直至最后的破壞。還可以從圖6(b)看出：高溫濕態下復合材料層合板的剪切破壞應變小于低溫和室溫，這主要是由于材料吸濕后基體增塑，降低了界面粘接強度，增塑后的基體破壞載荷降低，載荷主要由纖維承受，加快了材料斷裂速度。低溫下界面結合緊致，基體和纖維充分承擔載荷，因此剪切破壞時應變較大。總的來說，隨溫度的增加材料的剪切模量先增加后降低。這主要是低溫應變比室溫大，而剪切強度相差不多，因此低溫模量低于室溫。而高溫濕態應變雖然小，但是剪切強度遠小于室溫剪切強度，整體模量低于室溫。

圖5 不同溫度的載荷位移曲線

圖6 載荷-位移和應力-應變均值曲線

3 結論

1) 復合材料層合板在相同環境下試件的破壞載荷、剪切強度直方圖很好地吻合，說明實驗結果具有一定的可靠性。

2) 復合材料層合板的剪切模量在低溫的離散系數為10.38%；室溫下的離散系數為6.68%；高溫濕態的離散系數為8.07%。3種溫度下的離散系數都在10%左右，表明復合材料層合板存在分散性但是表現不明顯，說明該復合材料層合板的剪切性能很穩定。

3) 低溫下界面結合緊致，載荷可以充分通過界面在纖維和基體間進行傳遞，使得纖維脫膠和纖維拔出的阻力系數增大。因此，必須通過增加載荷才能造成界面的脫膠、分層、基體的損傷和纖維的斷裂。而高溫濕態下吸附的水對基體產生了增塑作用，并且吸附水產生的局部膨脹應力并引起基體損傷，使基體與纖維界面脫膠，從而導致復合材料在高溫濕態中的剪切強度下降。

4) 相比室溫，低溫下材料的破壞載荷增加了5.78%，剪切強度增加了4.09%，模量降低了18.01%；而高溫濕態下材料破壞載荷降低了25.36%，剪切強度降低了25.32%，剪切模量降低了20.12%?？偟膩砜?，剪切模量隨溫度的增加先增加后降低。綜合分析該復合材料層合板在不同溫度的剪切試驗結果，表明溫度對材料的剪切性能具有顯著影響，在室溫下材料的剪切性能優于低溫和高溫濕態，室溫下材料可以最大限度地發揮其剪切性能。

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(責任編輯 何杰玲)

Shear Properties of a New Composite Laminated Plate CCF300/BA9916 at Different Moist Environmental

LI Xiaoyu1, WANG Peiyan2

(1.Xi’an Aeronautical Polytechnic Institute, Xi’an 710089, China; 2.School of Mechanics and Civil & Architecture, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710129, China)

Shear properties of a new type of composite laminated plate CCF300/BA9916-Ⅱ were studied at low temperature, room temperature and in high moist environment. The effect rules and variation reason for the properties of these composites at different temperatures were discussed, and the reasons for the variations of shear property of these composites at different temperatures were also analyzed. Test results show that compared with the shear properties at room temperature, at low temperature, the shear strength increases by 4.09% and the shear modulus decreases by 18.01%; in high moist environment, the shear strength decreases by 25.32% and the shear modulus decreases by 20.12%. At room temperature, the in-plane shear property and discrete coefficient of composite laminated plate both are better than the other two temperatures. It can conclude that temperature is of great importance to the shear property of this new composite.

composites; shear; temperature; moist environment; discrete

2017-03-31 基金項目：西北工業大學基礎研究基金資助項目(JC2011025)

李曉宇(1983—)，男，碩士研究生，主要從事先進復合材料的力學行為研究，E-mail:115553448@qq.com。

李曉宇，王佩艷.CCF300/BA9916層合板在濕度環境下的剪切性能試驗研究[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2017(8):98-102.

format：LI Xiaoyu, WANG Peiyan.Shear Properties of a New Composite Laminated Plate CCF300/BA9916 at Different Moist Environmental[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(8):98-102.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.08.016

TB332

A

1674-8425(2017)08-0098-05