基于復合材料層合板斷裂韌性的實驗研究

劉　璐,馬一凡

(1.西安航空學院，西安　710077； 2.西北工業大學，西安　710072)

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基于復合材料層合板斷裂韌性的實驗研究

劉璐1,馬一凡2

(1.西安航空學院，西安710077； 2.西北工業大學，西安710072)

采用試驗的方法研究正交鋪層層合板的1型斷裂韌性，采用T800s/M21預浸料，針對不同鋪層方案進行了試驗。使用兩邊缺口拉伸試樣，根據Bazant提出的尺寸效應對斷裂韌性的影響，在長寬比不變的情況下，設計不同尺寸的試樣(44, 52, 60, 68, 76, 84, 92, 100 mm)進行試驗。數據的處理采用2種不同方法，分別由Bao等和Bazant提出，并與文獻中的結果進行了對比。通過比較結果并結合斷口形貌的分析可知：尺寸效應和鋪層對斷裂韌性有的不同影響。

斷裂韌性；雙邊缺口拉伸試驗；應力強度因子；尺寸效應

碳纖維增強復合材料(CFRP)與傳統的建筑材料相比，具有質量輕、比強度高、耐腐蝕性能強、可設計性好等優點?；谶@些優異的力學性能和使用功能，碳纖維復合材料的應用技術在國際和國內都得到了迅速的發展。然而，由于復合材料層合板的各向異性和承載的復雜性，使層合板的破壞失效情況較為復雜。為了更好地研究復合材料層合板的斷裂韌性，當前開發出一些針對復合材料的斷裂韌性的試驗設計[1]：① 緊湊拉伸試驗(CT)[1-3]；② 擴展緊湊拉伸試驗(ECT)[4]；③ 四點彎曲試驗(four point bend)[5]；④ 兩邊缺口拉伸試驗(double edge notched tension)[6-7]；⑤ 中心缺口拉伸(centre notched tension)[8]；⑥ 單側缺口拉伸試驗(single edge notched tension)[9]。研究人員針對這些試驗設計提出了不同的試樣構造、尺寸以及數據整理方法。

本文采用兩邊缺口拉伸試驗的方法研究了復合材料層合板的斷裂韌性，并結合Bazant提出的尺寸效應理論[6]，研究了尺寸效應對復合材料正交層合板的斷裂韌性的影響。

Bazant等[6]研究了一系列尺寸不同的兩邊缺口拉伸試樣來研究尺寸的改變對應變能釋放率的影響，其鋪層設計為正交[0/902]s，設計方案為一組4個1∶2∶4∶8等比例增大兩邊缺口拉伸試樣，厚度均為0.76 mm，每一邊的預開口長度與試樣寬度的比例固定為1∶16(圖1)。根據Bazant[10-11]提出的觀點，拉伸試樣的最大應力與其幾何尺寸之間有對應關系：

其中：B為與試樣幾何尺寸相關的常數；D0為與試樣斷裂失效區域和幾何尺寸相關的常數；fu為層合板的參考強度。這幾個參數均可通過如圖2所示線性回歸結果得到。

由此還可以得到該正交鋪層兩邊開口拉伸試樣的尺寸效應影響，如圖3所示。由圖3可以看出：Bazant所測量尺寸效應的曲線并沒有逼近線彈性斷裂力學(LEFM)的范圍，因而會使試驗得到的斷裂韌性值存在誤差。

圖1　DENT試樣

圖2　線性回歸得到的計算尺寸效應的參數

圖3　測量的尺寸效應曲線

為了使用該兩邊開口拉伸試樣測得更加準確的材料的斷裂韌性，本文在Bazant所做工作基礎上分析認為：應該增加其試樣的尺寸，以使試樣的破壞失效更加接近線彈性斷裂力學的范圍。

1　試驗方法

本文使用復合材料層合板兩邊開口拉伸試樣(double edge notched tension specimen)，對該材料的1型層內斷裂韌性進行研究。該型試樣具有設計加工簡單方便、試驗準備和實施簡單易行的優點。通常材料的失效會在試驗開始就出現，因而無需記錄裂紋的起始擴展。因此，本試驗需要記錄加載和位移數據以對試樣失效時的斷裂韌性進行分析。

1.1材料系統

本文用于制造試樣的材料為Hexcel 單向碳-環氧T800s/M21預浸料，其材料特性如表1所示。

表1　T800s/M21 材料特性

1.2試樣和試驗準備

本文使用了如圖4所示兩邊開口拉伸試樣,試樣分為2組，鋪層方案分別為[902/0]2s,[902/02]2s。

圖4　試樣設計方案

為研究尺寸效應對斷裂韌性的影響，試驗采用了具有同樣寬高比但尺寸不同的試樣，如圖2所示。所有試樣的寬高比L/W=3.0，從而使該試樣的斷裂失效更符合線彈性斷裂力學，使分析具有最大精度[12]。同樣，開口寬度與試樣寬度比2a/W取0.5。試樣尺寸與鋪層方案如表2所示。

表2　試樣尺寸與鋪層方案

圖5　開口尖端的顯微圖像

2　試驗數據整理

對于不同的試樣設計，應力強度因子kIC的計算方法也不同。對于兩邊缺口型拉伸試樣，Donadon等[13]給出：

根據Griffith應變能量釋放率公式得到臨界應變能釋放率GIC：

另一種計算兩邊開口拉伸試樣的斷裂韌性的方法由Bao等提出[14]，應力強化因子為

Y(ρ)為與材料參數ρ有關的系數，

其能量釋放率為

其中：Ex,Ey,Gxy,vxy,vyx為正交層合板的彈性常數；x，y分別代表 0°和90° 纖維方向。有

根據混合定律，纖維破壞的斷裂韌性為

3　試驗方法與試驗過程

本試驗采用Instron8801系列疲勞試驗機，最大軸向載荷容量250 kN。安裝試樣時應保證試樣置于夾具中間，且夾具和試樣的縱向軸線呈一條直線以免加載時產生誤差。試驗時的加載速度為0.5 mm/min。試驗中，加載的拉力由拉力傳感器測得，數據由計算機系統采集并繪制出拉伸應力-應變曲線，直至完全破壞。

在加載過程中，試樣在初始階段會發出細碎的響聲，根據觀察應是少量纖維發生斷裂的聲音，隨著加載拉力的增加，聲音逐漸增大，隨之試樣發生破壞。

4　試驗結果和分析

通過試驗測得的全部兩組試樣的應力-應變曲線如圖6所示。

圖6　兩組試樣的應力-應變曲線

由圖6可以看出：試樣在破壞之前出現幾次折點。這是由于復合材料層合板中的0°層纖維少量發生破壞引起的，所以最大應力可能出現在幾次折點之間，而不是在試樣破壞之前。由圖4可以看出：試驗中測得的試樣位移變化范圍較大，且與試樣尺寸無關。這是由于試樣夾持不夠緊密，試驗中產生滑移造成的，但因數據處理過程中并未用到應變數據，因此不影響最終的結果。

根據本文推導的應變能釋放率計算方法可以分別計算出2組試驗的層合板和0°層纖維的應變能釋放率，如圖7所示。

圖7　應變能釋放率

由圖7可以看出：隨著試樣尺寸的增加，應變能釋放率顯著增長。由2組試驗結果對比看：鋪層為[902/02]2s的試樣比鋪層為[902/0]2s的試樣應變能釋放率值更高。這是由于2層0°鋪層層疊使受拉強度增加，而這也符合Laffan等[8]的觀察。因為更厚的0°鋪層會導致沿斷裂方向產生更長的基體裂縫，從而產生更多的纖維拔出，使測得的斷裂韌性明顯增大。通過對試樣斷口的顯微觀察也可以看出：堆疊的0°鋪層產生了更明顯的基體裂紋，X光檢查也顯示更厚的0°鋪層，導致大量沿0°方向的纖維拔出。通過對比不同尺寸式樣的破壞可以看出：隨著尺寸的變化，失效形式不同。Hallett[7]也有類似結論。

而在與其他文獻所得結果的對比發現：本次試驗計算得到的層合板應變能釋放率明顯高于其他幾種方法。類似的，0°鋪層的應變能釋放率值相較其他文獻所得偏大。通過鋪層方案的對比可得：當0°鋪層在層合板中央時，會使斷裂韌性值顯著偏大。參考Bergan等[15]的研究，證實了當堆疊的0°鋪層位于層合板對稱面時,對正交鋪層層合板的斷裂韌性有較大的影響。

根據Bazant的研究，試樣尺寸效應對試驗所得的斷裂韌性有一定影響。對試驗結果應用線彈性斷裂力學分析可以得到尺寸效應的影響，如圖8所示。在與Bazant的研究結果對比發現：本次試驗的結果與線彈性斷裂力學分析結果相差較遠。通過進一步的分析可知：試樣的厚度過薄，使試樣的破壞并非完全屬于斷裂力學，而位于層合板中央的0°鋪層使所得結果有所不同。

通過分析可知：缺口復合材料層合板的拉伸破壞很復雜，受鋪層和層合板尺寸的影響，不僅失效應力會有不同，而且會有多種失效模式。

圖8　尺寸效應的影響

5　結束語

該文采用試驗方法和不同的數據處理方法研究了正交鋪層層合板的尺寸效應、鋪層對1型斷裂韌性的影響。所得結論為進一步準確預測不同尺寸、鋪層、材料的失效形式以及斷裂韌性提供了研究基礎。

在后續工作中，將進一步建立含不同破壞形式的有限元模型，以嘗試精確預測不同尺寸、鋪層和材料的模型的失效形式及其斷裂韌性。

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[3]LAFFAN M J,PINHO S T,Robinson P,et al.Measurement of the in situ ply fracture toughness associated with mode I fibre tensile failure in FRP.Part II:Size and lay-up effects[J].Composites Science & Technology,2010,70(4):614-621.

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(責任編輯劉舸)

Experimental Validation of the Translaminar Fracture Toughness Concept for CFRP

LIU Lu1，MA Yi-fan2

(1.Xi’an Aeronautical University, Xi’an 710077, China;2.Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China)

An experimental investigation on the mode-1 intralaminar toughness of cross-ply laminated composites with different layups manufactured using T800S/M21 prepregs was presented in this report. The type of pre-cracked specimen that used was double edge notched tension (DENT) specimen. Widths of the specimens were 44, 52, 60, 68, 76, 84, 92, 100 mm with the same notch length/width ratio of 0.5 to study the size effect based on the size effect law proposed by Bazant. The loads as well as the displacements during the failure were monitored. The limitation of present data reduction methods from ASTM E399 was discussed; two different data reduction schemes were used and the results were compared to published data. The failure modes of all specimens were discussed based on the fractography analysis. Nominal strengths of all the specimens were measured to study the size effect and the results were compared with Bazant’s work.

fracture toughness; DENT; stress-intensity factor; size effect

2016-01-22

劉璐(1992—)，女，陜西延安人，碩士研究生，主要從事航空材料研究，E-mail:624623804@qq.com。

format：LIU Lu，MA Yi-fan.Experimental Validation of the Translaminar Fracture Toughness Concept for CFRP[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(8):57-62.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.08.009

TB33

A

1674-8425(2016)08-0057-06

引用格式：劉璐,馬一凡.基于復合材料層合板斷裂韌性的實驗研究[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2016(8):57-62.