縫合復(fù)合材料中縫線阻滯層間裂紋擴展研究

金春花，周儲偉，徐小麗

(1.南通大學(xué)建筑工程學(xué)院，江蘇南通 224019;2.南京航空航天大學(xué)結(jié)構(gòu)與強度研究所，南京 210016)

0 引言

傳統(tǒng)的復(fù)合材料層合板層間強度和層間斷裂韌性比較低，限制了其在許多輕型結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。近年來，隨著材料工業(yè)的發(fā)展，許多具有抵抗層間斷裂韌性的復(fù)合材料不斷涌現(xiàn)，其中碳纖維復(fù)合材料表現(xiàn)尤為突出，而其采用縫合方式更是提高層合復(fù)合材料層間性能最有效地方法之一。縫合復(fù)合材料不但具有抗分層能力強、抗疲勞性能優(yōu)良、構(gòu)件整體性能好等特性，它還具有加工簡單、制造成本低等優(yōu)點，在機械制造、建筑加固、航空工業(yè)等方面顯示出了良好的應(yīng)用前景。

近年來，國內(nèi)外已對縫合復(fù)合材料開展了比較多的研究，特別是在工藝、計算和試驗方面，已取得了許多成果。但是，關(guān)于縫合復(fù)合層合板的層間開裂方面的研究報道并不多，特別是國內(nèi)已有的報道中數(shù)值模擬的研究居多，鮮見有相應(yīng)的試驗研究的報道。本文采用三點彎的試驗原理，針對常見的一種縫合復(fù)合材料，就層間開裂問題開展了試驗研究，試驗結(jié)果可望為了解縫合復(fù)合材料層間破壞機理提供參考依據(jù)。

1 縫合復(fù)合材料層間破壞實驗研究

眾所周知，要正確地預(yù)計復(fù)合材料的層間剪切強度必須要清楚地知道其破壞模式和機理，所以，需要開展相關(guān)的試驗研究。目前，雖然有好幾種方法可以對復(fù)合材料的剪切層間強度進行測試和評估，但都或多或少存在著一些問題，特別是應(yīng)力集中問題，嚴重地影響著測量結(jié)果的準確性。迄今為止，在現(xiàn)有的試驗條件和理論依據(jù)下能夠在材料的剪切面上產(chǎn)生均勻的分布剪切力的試驗方法還沒有看到，所以，要通過試驗來正確測量層間剪切強度還是十分困難的。不過，現(xiàn)有的一些方法:如短梁法、V型槽短梁法、品字梁法和雙切口拉伸/壓縮法所得到的結(jié)果還是有參考價值的?；谒趯嶒炇业脑囼灄l件和對結(jié)果分析對比的需要，本文采用了短梁法來研究縫合復(fù)合材料的層間作用力。

1.1 試驗概況

本試驗的目的在于研究并找出縫合復(fù)合材料層合板在層間剪切下的破壞模式和機理?；谒趯嶒炇耶斍暗脑囼灄l件，試驗中采用了一批同一典型鋪層的試驗件(圖1)，按縫合方向的不同分為兩組進行研究。均采用碳纖維T300按照［0/45/0/-45/90/45/0/-45］2s順序鋪設(shè)，采用Kevlar29(1500旦)纖維束并用改進鎖式方式沿厚度方向進行縫合，兩組試驗件主要差別在于:A組是沿0°方向縫合，B組是沿90°方向縫合。試驗件都采用韌性雙馬QY8911-III樹脂基體，由干法縫合和RFI工藝復(fù)合而成。試驗件的名義厚度為h=4mm，名義纖維體積含量為603%，縫合密度為33mm(針距行距)。試驗件長 a=30mm，寬 b=12mm(圖1)。由于目前尚無統(tǒng)一的縫合層板的相關(guān)試驗標準，因此試件參照層合板相應(yīng)的試驗標準制備。在研究層間作用力時也按ASTM D2344標準來進行。

圖1 縫合復(fù)合材料試驗件

試驗采用三點彎的試驗原理在萬能材料試驗機進行，試驗件和加載示意圖如圖2所示。支座間距s=15mm，即s/h=3.125，以確保試驗件主要是受剪切力作用發(fā)生分層破壞。在試驗件上表面沿寬度方向的中心線上作用有均勻分布的載荷，采用位移加載模式進行加載，加載速率為0.5mm/min。試驗前對需要記錄的各項參數(shù)進行調(diào)零，同時對試驗設(shè)備進行位移間隙誤差消除。一切正常后開始正式加載，試驗所需數(shù)據(jù)由計算機自動采集，并實時顯示試驗過程中各個參數(shù)的動態(tài)變化過程。

圖2 試驗示意圖

1.2 試驗結(jié)果與分析

在試驗過程中，試驗件加載情況如圖3所示。隨著外加載荷(控制位移)不斷的增加，可以聽到有不連續(xù)的啪啪的聲音，對應(yīng)地在計算機實時顯示的載荷-變形曲線中可以看到載荷也由上升突然下降并開始出現(xiàn)波動。初始的聲響說明材料內(nèi)部開始出現(xiàn)第一次分層，而后繼續(xù)加載，到一定程度又聽見崩裂聲，曲線又開始下降，而后反復(fù)這種現(xiàn)象，幾次之后可以看到試驗件中出現(xiàn)了明顯的分層現(xiàn)象，當材料不再發(fā)出受損聲響時，可以看到實驗曲線也趨于平緩并略有下降，說明材料層間已經(jīng)完全破壞。圖4和圖5分別給出了分層破壞后的縫線可見和不可見截面處照片?？梢钥吹剑捎诳p線的存在，分層破壞到有縫線的區(qū)域就停止了，進一步說明了縫合可以有效地抵抗復(fù)合材料層合板的分層問題。同時分層的位置并不在試驗件的中間層上，而且每次的分層區(qū)域大小也不一樣。并且可以看到各分層有的出現(xiàn)跨層延伸，說明層合板面內(nèi)的纖維也出現(xiàn)了破壞。所以分層的不規(guī)則性說明了縫合復(fù)合材料破壞機理的復(fù)雜性，需要后期深入研究。

圖3 試驗裝置照片

圖4 縫合復(fù)合材料層間剪切破壞照片1

圖5 縫合復(fù)合材料層間剪切破壞照片2

兩組試件的典型的外加載荷和位移曲線如圖6和圖7所示，圖中曲線上的幾個特征數(shù)據(jù)(峰值載荷及其相應(yīng)的位移、載荷降)列于表1中。

圖6 A組試件的載荷和位移典型曲線圖

圖7 B組試件的載荷和位移典型曲線圖

對比兩組試驗件的典型曲線(圖6和圖7)，發(fā)現(xiàn)曲線走向基本相同，初始曲線大致呈線性，說明材料呈現(xiàn)出線彈性材料的特點。達到峰值載荷時材料出現(xiàn)第一次分層破壞，從表1的數(shù)據(jù)上可以看到發(fā)生第一次分層破壞時的位移值分布在0.35mm到0.47mm之間，A組數(shù)據(jù)相對較大，說明阻滯作用更明顯。而后由于材料出現(xiàn)分層破壞，荷載開始急劇回落，再又小幅度上升，再急劇下降，說明材料內(nèi)部損傷在逐漸累積，如此反復(fù)，不斷地震蕩衰減，直至損傷達到一定的容限，曲線就在一定值左右小范圍波動，漸趨于平直。

表1 實驗載荷最大值和其對應(yīng)位移數(shù)據(jù)列表

表1也給出了峰值和對應(yīng)位移的數(shù)據(jù)，通過比較發(fā)現(xiàn)B組承載的平均峰值比A組的低802N左右，而從載荷降來看，0°縫合的材料下降的要明顯的少，說明了縫合的方向?qū)p合復(fù)合材料的失效模式有一定的影響。對于本文研究的縫合復(fù)合材料，從剪切強度來看，0°縫合優(yōu)于90°縫合。另外看到同一組材料的試驗數(shù)據(jù)有些分散，究其原因，可能在于試驗件數(shù)量不夠、33mm的縫合密度相對稀疏，制造工藝不能確保制造試驗件的質(zhì)量一致，即試驗件內(nèi)部的初始缺陷可能各不相同等。

2 結(jié)論

(1)試驗結(jié)果表明:由于縫線的存在抑制了分層破壞的進一步擴展，說明了縫合可以有效地抵抗復(fù)合材料層合板的分層問題。

(2)縫合復(fù)合材料層合板發(fā)生分層破壞的位置并不在試驗件的中間層上，出現(xiàn)了多分層破壞模式，而且各分層出現(xiàn)跨層延伸，說明發(fā)生多分層破壞時層合板面內(nèi)的纖維也發(fā)生了破壞。

(3)縫合的方向?qū)p合復(fù)合材料抵抗分層的能力有一定的影響。就本文研究的材料，同樣的荷載條件下，抗分層能力0°縫合相對較好些。

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