復(fù)合材料層間斷裂韌度測(cè)定與斷面形貌分析

吳義韜

摘 要：分層是復(fù)合材料的一種常見(jiàn)破壞模式，分層與層間的斷裂韌度有關(guān)。文章對(duì)工程復(fù)合材料T700/YPX3001的層間斷裂韌度開(kāi)展了研究，完成了不同加載模式比下層間斷裂韌度的測(cè)定，并對(duì)不同加載模式比下的層間斷裂形貌進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料；斷裂；韌度

中圖分類(lèi)號(hào)：TB33 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）23-0017-02

引言

現(xiàn)代飛機(jī)發(fā)展趨勢(shì)表明，先進(jìn)復(fù)合材料在機(jī)體結(jié)構(gòu)中的使用比重和應(yīng)用部位已成為衡量飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平先進(jìn)性的重要指標(biāo)之一。雖然復(fù)合材料占飛機(jī)結(jié)構(gòu)比重越來(lái)越高，但工程師們對(duì)復(fù)合材料的使用還相當(dāng)保守，復(fù)合材料的優(yōu)異性能尚未得到盡情展現(xiàn)。這歸根結(jié)底主要是對(duì)復(fù)合材料的破壞機(jī)理研究還不夠深入。

分層是復(fù)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(kāi)裂模式。是否分層與層間斷裂韌度大小有關(guān)。復(fù)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(kāi)展了復(fù)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(yàn)，對(duì)層間斷裂形貌進(jìn)行了分析。

1 斷裂韌度測(cè)定方法

根據(jù)ASTM D5528-01試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[1]，I型層間斷裂韌度GIc

采用雙懸臂梁（DCB）試驗(yàn)測(cè)定。DCB試件采用復(fù)合材料單向?qū)雍习逯瞥桑湟欢说闹忻嬷萌霟o(wú)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(dá)式：

對(duì)II型層間斷裂韌度GIIc的測(cè)定，目前還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，通常采用端邊切口彎曲（ENF）試驗(yàn)方法測(cè)定。ENF試驗(yàn)件與DCB試驗(yàn)件幾何形狀相同，在試件一端的中面置入無(wú)粘著力的嵌入物，模擬層間起始分層。根據(jù)工程梁理論，II型斷裂韌度的解析表達(dá)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(diǎn)的距離。

2 試驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試件材料為T(mén)700/YPX-3001，鋪層為[0]32。名義單層厚度0.143mm。固化前，通過(guò)預(yù)先埋置薄膜（聚四氟乙烯）來(lái)預(yù)制層間初始裂紋。裂紋尖端到右支點(diǎn)距離為30mm，ENF和MMB試驗(yàn)中兩支點(diǎn)跨距為100mm。

試驗(yàn)均在MTS370電液伺服試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，采用位移加載，加載速率為0.5mm/min。DCB試驗(yàn)、ENF試驗(yàn)和MMB試驗(yàn)裝置如圖1。在ENF試驗(yàn)中，為了避免在已開(kāi)裂的上、下接觸面之間出現(xiàn)摩擦，試驗(yàn)前在開(kāi)裂端的中面處插入了一根大頭針。為了消除因試驗(yàn)裝置間隙引起的額外系統(tǒng)柔度，試驗(yàn)前對(duì)每個(gè)試件都進(jìn)行了預(yù)加載和卸載處理。

試件總數(shù)為60件，預(yù)先設(shè)定了8種加載模式比（βII=GII/GT），每種模式比用了7個(gè)試件，剩余4個(gè)作為備用試件。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

計(jì)算得到對(duì)應(yīng)各混合模式比的c值。

試驗(yàn)獲得了施加在鉸鏈上的臨界載荷Pc，采用公式（1）（3）（4）計(jì)算得到了不同混合模式比下的斷裂韌度Gc。經(jīng)統(tǒng)計(jì)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(jié)強(qiáng)度、試件厚度等因素的分散性大有關(guān)。

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(shù)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(lái)越模糊和平坦，且纖維間出現(xiàn)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(shù)量最多，且排列成有規(guī)律的羽梳狀特征，層片傾斜方向與層間裂紋的擴(kuò)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(guān)，純I型模式下法向拉伸應(yīng)力主控分層，纖維容易從層間樹(shù)脂中剝離出來(lái)；純II型模式下層間剪切應(yīng)力主控分層，纖維不容易從樹(shù)脂中拔出，層間斷面上留下明顯的剪切特征。

3 結(jié)論

完成了不同加載模式比下T700/YPX3001復(fù)合材料的層間斷裂韌度研究，結(jié)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(lái)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(guān)。

參考文獻(xiàn)：

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