李曉宇，王佩艷

(1.西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 西安 710089; 2.西北工業(yè)大學(xué) 力學(xué)與土木建筑學(xué)院， 西安 710129)

CCF300/BA9916層合板在濕度環(huán)境下的剪切性能試驗(yàn)研究

李曉宇1，王佩艷2

(1.西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 西安 710089; 2.西北工業(yè)大學(xué) 力學(xué)與土木建筑學(xué)院， 西安 710129)

針對(duì)一種新型復(fù)合材料CCF300/BA9916-Ⅱ在低溫、室溫和高溫濕態(tài)下面內(nèi)剪切性能進(jìn)行研究，得到了不同溫度對(duì)CCF300/BA9916-Ⅱ型復(fù)合材料面內(nèi)剪切性能的影響規(guī)律以及產(chǎn)生變化的原因。研究結(jié)果表明：與室溫相比，低溫下復(fù)合材料的剪切強(qiáng)度增加了4.09%，剪切模量降低了18.01%；高溫濕態(tài)下復(fù)合材料層合板的剪切強(qiáng)度降低了25.32%，剪切模量降低了20.12%。復(fù)合材料在室溫下的面內(nèi)剪切模量和離散系均優(yōu)于另外2種溫度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示溫度對(duì)該新型復(fù)合材料層合板的剪切性能有顯著的影響。

復(fù)合材料；剪切；溫度；濕度；離散

用復(fù)合材料代替金屬材料制造飛機(jī)的零部件可使飛機(jī)質(zhì)量減少25%～50%，既可以增加飛機(jī)的運(yùn)載能力、提高機(jī)動(dòng)性能、加大航程，又可以減少燃油或者推進(jìn)劑的消耗[1]。但飛機(jī)在服役過(guò)程中往往會(huì)經(jīng)受復(fù)雜的氣候環(huán)境，包括高溫、低溫、鹽霧和濕態(tài)等環(huán)境，在這樣的環(huán)境下復(fù)合材料會(huì)發(fā)生一定的老化[2-4]，導(dǎo)致材料力學(xué)性能下降。只有掌握了不同環(huán)境下復(fù)合材料的力學(xué)性能的變化規(guī)律，才能為飛機(jī)的設(shè)計(jì)、使用以及維修提供理論指導(dǎo)。國(guó)外一些學(xué)者用Iosipescu剪切法和偏軸拉伸法測(cè)試了一種松木的剪切強(qiáng)度，并得出了2種方法的各自優(yōu)點(diǎn)[5-6]。國(guó)內(nèi)一些學(xué)者通過(guò)玻璃布/環(huán)氧層壓板低溫剪切力學(xué)性能的研究，發(fā)現(xiàn)纖維和基體的相互作用使復(fù)合材料具有良好的力學(xué)性能[7]。一些學(xué)者在不同溫度和濕度下進(jìn)行復(fù)合材料材料的力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)[8-9]，研究了濕熱下材料的老化對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，即材料基體性能降低，導(dǎo)致材料剪切強(qiáng)度的下降[10-11]。以上研究說(shuō)明在不同環(huán)境下對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)性能進(jìn)行研究是很有必要的。本文主要研究了一種新型復(fù)合材料層合板CCF300/BA9916-Ⅱ在不同溫度和濕態(tài)下的剪切強(qiáng)度，分析了材料的剪切強(qiáng)度隨溫度變化的規(guī)律以及復(fù)合材料層合板的破壞機(jī)理，得到了材料剪切強(qiáng)度和剪切模量在不同溫度下的曲線分布，為該新型復(fù)合材料層合板的工程實(shí)際應(yīng)用提供了可靠的試驗(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)儀器以及試驗(yàn)材料

采用長(zhǎng)春試驗(yàn)機(jī)研究所的CSS-88100 電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載，并在重慶五環(huán)試驗(yàn)儀器有限公司生產(chǎn)的MT7006L型環(huán)境箱放置試件，環(huán)境箱的使用范圍為-70 ℃～150 ℃。試驗(yàn)中使用CCF300/BA9916-Ⅱ型復(fù)合材料層合板試件。該復(fù)合材料層合板為某型飛機(jī)武器艙門的主要部件，采用熱壓罐成型工藝，對(duì)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(tài)3種不同溫度下進(jìn)行剪切強(qiáng)度試驗(yàn)，每組實(shí)驗(yàn)有5個(gè)相同試驗(yàn)件，低溫為-55 ℃，高溫為75 ℃，高溫濕態(tài)的試件為吸濕試驗(yàn)完成的試件，材料的吸濕率為95%。對(duì)于面內(nèi)剪切強(qiáng)度試驗(yàn)，采用Isoipescu剪切試驗(yàn)方法，在裝夾試件時(shí)注意試件的對(duì)稱性。試驗(yàn)夾具以及環(huán)境箱見圖1。

圖1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境箱和夾具圖

1.2 試驗(yàn)方法

在試驗(yàn)件的相應(yīng)位置粘貼[-45°/+45°]電阻應(yīng)變片，具體貼片見圖2。

圖2 電阻應(yīng)變片的貼片

試驗(yàn)中剪切強(qiáng)度的計(jì)算公式為[12]

(1)

剪切模量的計(jì)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(yīng)變；ε-45為-45°方向的應(yīng)變。試件尺寸見表1。

表1 試件尺寸

2 試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)在室溫和高溫濕態(tài)條件下進(jìn)行復(fù)合材料層合板的剪切試驗(yàn)，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(tài)條件下復(fù)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(xiàn)應(yīng)力集中然后沿45°方向出現(xiàn)剪切破壞，破壞過(guò)程伴隨著纖維的脫膠和拔出，并且缺口出現(xiàn)嚴(yán)重的變形。

圖3 試件破壞以及斷口圖

通過(guò)對(duì)不同溫度的復(fù)合材料的剪切試驗(yàn)結(jié)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(yàn)的5個(gè)試件。

圖4 試驗(yàn)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(qiáng)度的直方圖基本一致，而不同溫度的載荷以及剪切強(qiáng)度差異很明顯。相比室溫，低溫下復(fù)合材料層合板的破壞載荷平均增加了5.78%，剪切強(qiáng)度平均增加了4.09%，這主要是由于加工工藝限制而產(chǎn)生的各種氣體和水分在低溫下固化，使復(fù)合材料層合板的界面結(jié)合更加緊致，載荷可以充分通過(guò)界面在纖維和基體間進(jìn)行很好的傳遞，能量的消耗可以通過(guò)界面充分?jǐn)U散，使得纖維脫膠和纖維拔出的阻力系數(shù)增大。因此，在低溫下必須通過(guò)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(dǎo)致低溫下復(fù)合材料層合板的破壞載荷和剪切強(qiáng)度增加。高溫濕態(tài)下復(fù)合材料層合板的破壞載荷平均降低了25.36%，剪切強(qiáng)度平均降低了25.32%，出現(xiàn)較大幅度的降低。主要是由于吸附的水對(duì)基體產(chǎn)生了增塑作用，使纖維和基體的界面結(jié)合能力下降，并且吸附水產(chǎn)生的局部膨脹應(yīng)力也會(huì)引起基體損傷，使基體與纖維界面脫膠，界面結(jié)合松弛，從而導(dǎo)致復(fù)合材料層合板在高溫濕態(tài)下的破壞載荷和剪切強(qiáng)度下降。從圖4(c)中可以計(jì)算出復(fù)合材料層合板的剪切模量在低溫的離散系數(shù)為10.38%，室溫下的離散系數(shù)為6.68%，高溫濕態(tài)的離散系數(shù)為8.07%。3種溫度下的離散系數(shù)都在10%左右，表明復(fù)合材料層合板存在分散性但是表現(xiàn)不明顯，并且隨溫度的升高復(fù)合材材料的剪切模量先增后減，說(shuō)明室溫下的材料剪切性能優(yōu)于低溫和高溫濕態(tài)。

不同溫度下同組試驗(yàn)的5個(gè)試件載荷-位移曲線見圖5。

由于復(fù)合材料層合板相同溫度下位移-載荷曲線基本一致，力學(xué)性能穩(wěn)定，因此可以取載荷-位移曲線和應(yīng)力-應(yīng)變曲線均值進(jìn)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(fù)合材料層合板在低溫下曲線斜率較明顯，室溫和高溫濕態(tài)下，隨著載荷增加復(fù)合材料層合板逐漸損傷，在達(dá)到極限載荷后破壞。

從圖6(b)可以看出面內(nèi)剪切實(shí)驗(yàn)試件可以分為2個(gè)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(nèi)剪切強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)中材料纖維方向和載荷方向不一致，并且上下相鄰復(fù)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(xié)調(diào)，首先出現(xiàn)某一復(fù)合材料子層平行纖維束之間的斷裂，此時(shí)線性階段結(jié)束，進(jìn)入由基體和界面剪切強(qiáng)度控制，沿纖維方向相對(duì)滑動(dòng)階段，直至最后的破壞。還可以從圖6(b)看出：高溫濕態(tài)下復(fù)合材料層合板的剪切破壞應(yīng)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(qiáng)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(jié)合緊致，基體和纖維充分承擔(dān)載荷，因此剪切破壞時(shí)應(yīng)變較大。總的來(lái)說(shuō)，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(yīng)變比室溫大，而剪切強(qiáng)度相差不多，因此低溫模量低于室溫。而高溫濕態(tài)應(yīng)變雖然小，但是剪切強(qiáng)度遠(yuǎn)小于室溫剪切強(qiáng)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(yīng)力-應(yīng)變均值曲線

3 結(jié)論

1) 復(fù)合材料層合板在相同環(huán)境下試件的破壞載荷、剪切強(qiáng)度直方圖很好地吻合，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有一定的可靠性。

2) 復(fù)合材料層合板的剪切模量在低溫的離散系數(shù)為10.38%；室溫下的離散系數(shù)為6.68%；高溫濕態(tài)的離散系數(shù)為8.07%。3種溫度下的離散系數(shù)都在10%左右，表明復(fù)合材料層合板存在分散性但是表現(xiàn)不明顯，說(shuō)明該復(fù)合材料層合板的剪切性能很穩(wěn)定。

3) 低溫下界面結(jié)合緊致，載荷可以充分通過(guò)界面在纖維和基體間進(jìn)行傳遞，使得纖維脫膠和纖維拔出的阻力系數(shù)增大。因此，必須通過(guò)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(tài)下吸附的水對(duì)基體產(chǎn)生了增塑作用，并且吸附水產(chǎn)生的局部膨脹應(yīng)力并引起基體損傷，使基體與纖維界面脫膠，從而導(dǎo)致復(fù)合材料在高溫濕態(tài)中的剪切強(qiáng)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(qiáng)度增加了4.09%，模量降低了18.01%；而高溫濕態(tài)下材料破壞載荷降低了25.36%，剪切強(qiáng)度降低了25.32%，剪切模量降低了20.12%。總的來(lái)看，剪切模量隨溫度的增加先增加后降低。綜合分析該復(fù)合材料層合板在不同溫度的剪切試驗(yàn)結(jié)果，表明溫度對(duì)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(yōu)于低溫和高溫濕態(tài)，室溫下材料可以最大限度地發(fā)揮其剪切性能。

[1] 杜善義.先進(jìn)復(fù)合材料與航空航天[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào),2007,24(1):1-17.

[2] LE DUIGOU A，DAVIES P，BALEY C.Seawater ageing of flax/poly(lactic acid)Bio-composites[J].Polymer Degradation and Stability,2009,94(7):1151-1162.

[3] BRANCA F O,GUILLERMO J C.An analytical-numerical framework for the study of ageing in fiber reinforced polymer composites[J].Composite Structures,2004,65(3):443-457.

[4] DUONG C N.An engineering approach to geometrically nonlinear analyses of a one-sided composite repair under theoretic mechanical loading[J].Composite Structure,2004,34:13-21.

[5] XAVIER J C,GARRIDO N M,OLIVEIRA M.A comparison between the Iosipescu and off-axis shear test methods for the characterization of Pinus Pinaster ait[J].Composites Part A:Applied science and manufacturing,2004,35:827-840.

[6] YOSHIHARA H,OHASKI H,KUBOJIMA Y,et al.Comparisions of shear stress/shear strain relations of wood obtained by Iosipescu and torsion tests[J].Wood Fiber Sci,2001,33(2):83-275.

[7] 王正道，張忠.G-10CR 玻璃布/環(huán)氧層合板低溫剪切力學(xué)性能[J].力學(xué)學(xué)報(bào),2001,33(4):531-534.

[8] 王佩艷，王富生，岳珠峰.石英纖維布氰酸酯樹脂基復(fù)合材料的環(huán)境試驗(yàn)性能研究[J].實(shí)驗(yàn)力學(xué)，2010 (3):325-330.

[9] TANG X D，WHITCOMB J D,LI Y M,et al.Micromechanics modeling of moisture diffusion in woven composite[J].Composites Science and Technology,2005(3)：817-826.

[10]呂小軍，張琦，馬兆慶.濕熱老化對(duì)炭纖維/環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料力學(xué)性能影響研究[J].材料工程，2005 (11):50-53.

[11]王曉潔，梁國(guó)正，張煒，等.濕熱老化對(duì)高性能復(fù)合材料性能的影響[J].固體火箭技術(shù)，2006,29(4):301-304.

[12]杜善義，張少實(shí)，莊茁.復(fù)合材料與粘彈性力學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2005.

(責(zé)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(xiàng)目：西北工業(yè)大學(xué)基礎(chǔ)研究基金資助項(xiàng)目(JC2011025)

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

李曉宇，王佩艷.CCF300/BA9916層合板在濕度環(huán)境下的剪切性能試驗(yàn)研究[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，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