梁春生

摘 要：纖維增強復(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)計中必須考慮的重要問題。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，文章對不同固化條件下復(fù)合材料織物層合板層間剪切性能進行了研究?？疾炝嗽谙嗤瑴囟茸兓芷跅l件下，分別使用熱壓罐和熱補儀進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試驗標(biāo)準(zhǔn)，開展了相關(guān)試驗，結(jié)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(yōu)于采用熱補儀固化的層合板。

關(guān)鍵詞：復(fù)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(fù)合材料是20世紀60年代中期發(fā)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(shè)計性強等其他材料無法比擬的優(yōu)點[1-2]，在航天和航空等國防領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。為了有效利用復(fù)合材料的性能優(yōu)勢，充分發(fā)揮其潛能，要求對復(fù)合材料力學(xué)性能進行深入細致的研究。

纖維增強復(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)力的能力與基體強度同量級，故層間應(yīng)力的存在很容易導(dǎo)致層間的分層破壞，而層間分層將會嚴重降低層合板的剛度和強度。所以，層間應(yīng)力和層間強度等層間問題是復(fù)合材料設(shè)計中必須考慮的重要問題[4-5]。

目前，國內(nèi)外作為層合板層間剪切強度測試標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計

試驗件的材料采用Cytec公司的碳纖維織物增強樹脂復(fù)合材料T300/CYCOM 970，其中T300為碳纖維織物，CYCOM 970為一種環(huán)氧樹脂。實驗中所采用的層合板按照ASTM D5379[9]中的規(guī)格進行設(shè)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(shè)計加工，得到標(biāo)準(zhǔn)的試驗件，試驗件的規(guī)格為76×20×2，每種類型準(zhǔn)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(chǎn)生純剪力。在V型缺口連線上放置應(yīng)變片測量剪切力作用下，試件V型截面剪應(yīng)變的變化，應(yīng)變片位置見圖4。

試驗過程中，將試驗件夾持到位后，對應(yīng)變片執(zhí)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(fā)生破壞。試驗過程中采集載荷、位移、應(yīng)變等數(shù)據(jù)，記錄試驗件的破壞模式。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗可以得到試件的載荷-位移曲線和應(yīng)變-時間曲線，進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度和剪切模量。

2 試驗結(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(shù)據(jù)經(jīng)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(shù)為9.3%；II型試件的平均層間剪切強度為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(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，因此，無論是從強度離散系數(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（見表1）。結(jié)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(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

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(jié)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(yōu)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(yōu)先采用熱壓罐進行層合板的固化。

參考文獻

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

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