復合材料層間斷裂韌度測定與斷面形貌分析

吳義韜

摘 要：分層是復合材料的一種常見破壞模式，分層與層間的斷裂韌度有關。文章對工程復合材料T700/YPX3001的層間斷裂韌度開展了研究，完成了不同加載模式比下層間斷裂韌度的測定，并對不同加載模式比下的層間斷裂形貌進行了分析。

關鍵詞：復合材料；斷裂；韌度

中圖分類號：TB33 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）23-0017-02

引言

現(xiàn)代飛機發(fā)展趨勢表明，先進復合材料在機體結(jié)構(gòu)中的使用比重和應用部位已成為衡量飛機結(jié)構(gòu)設計水平先進性的重要指標之一。雖然復合材料占飛機結(jié)構(gòu)比重越來越高，但工程師們對復合材料的使用還相當保守，復合材料的優(yōu)異性能尚未得到盡情展現(xiàn)。這歸根結(jié)底主要是對復合材料的破壞機理研究還不夠深入。

分層是復合材料的一種典型破壞模式，有I型、II型、III型以及混合型開裂模式。是否分層與層間斷裂韌度大小有關。復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。本文開展了復合材料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，對層間斷裂形貌進行了分析。

1 斷裂韌度測定方法

根據(jù)ASTM D5528-01試驗標準[1]，I型層間斷裂韌度GIc

采用雙懸臂梁（DCB）試驗測定。DCB試件采用復合材料單向?qū)雍习逯瞥?，其一端的中面置入無粘著力的嵌入物，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式：

對II型層間斷裂韌度GIIc的測定，目前還沒有實現(xiàn)標準化，通常采用端邊切口彎曲（ENF）試驗方法測定。ENF試驗件與DCB試驗件幾何形狀相同，在試件一端的中面置入無粘著力的嵌入物，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的距離。

2 試驗及結(jié)果分析

2.1 試驗設計

試件材料為T700/YPX-3001，鋪層為[0]32。名義單層厚度0.143mm。固化前，通過預先埋置薄膜（聚四氟乙烯）來預制層間初始裂紋。裂紋尖端到右支點距離為30mm，ENF和MMB試驗中兩支點跨距為100mm。

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

試件總數(shù)為60件，預先設定了8種加載模式比（βII=GII/GT），每種模式比用了7個試件，剩余4個作為備用試件。

2.2 試驗結(jié)果

計算得到對應各混合模式比的c值。

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

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，純I型模式下法向拉伸應力主控分層，纖維容易從層間樹脂中剝離出來；純II型模式下層間剪切應力主控分層，纖維不容易從樹脂中拔出，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。

參考文獻：

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