CN110108567B - 陶瓷基复合材料层间拉伸试件及其制备方法及其试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种陶瓷基复合材料层间拉伸试件及其制备方法及其试验方法，本发明所述的试件整体成十字形，包括上夹持段、标距段和下夹持段，夹持段只含有L形纤维布，标距段同时包含L形纤维布和平面纤维布，通过L形纤维布连接标距段和夹持段，使试件保持为一体。制备该试件时，首先裁剪出各层纤维布，然后按照在试件中的位置，将各层纤维布叠放铺层，形成试件预制体，在压紧的预制体上沉积界面层并反复多次沉积基体，获得致密的陶瓷基复合材料试件毛坯。最后采用激光切割或水切割对试件毛坯进行切割，得到最终的陶瓷基复合材料层间拉伸试件。使用本发明所述的试件进行试验时，只需普通的实验机夹具即可。本发明所述的试件制备方法简单易于实现。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料力学性能测试试件，具体涉及一种陶瓷基复合材料层间拉伸试件及其制备方法和试验方法。
背景技术
陶瓷基复合材料由于具有低密度、高耐温性和优越的抗疲劳性能，在航空航天领域已经显示出巨大的应用前景。分层破坏是陶瓷基复合材料结构件在使用时常见的失效形式，层间拉伸强度则是衡量陶瓷基复合材料抗分层能力的重要性能参数。
然而陶瓷基复合材料层间拉伸强度的测量非常困难，相比于长度和宽度尺寸，复合材料的厚度方向尺寸往往较小，这导致进行复合材料层间拉伸试验时，试件难以夹持。在进行复合材料层间拉伸试验时，往往采用胶粘的方式，将试件粘在钢或铝制端面上，然后沿厚度方向施加拉伸载荷，直至试件破坏。如文献[李宁, 尚伟, 单杭英, 等. Z-pin增强酚醛复合材料层合板的层间拉伸性能[J]. 材料科学与工程学报, 2012, 30(5).]中采用的就是此方法。然而对于层间拉伸强度较高的材料，采用此方法进行拉伸试验时，往往在胶粘处发生破坏，导致无法准确测量层间拉伸强度。对此，标准[GB/T 4944-2005“玻璃纤维增强塑料层合板层间拉伸强度试验方法”]中建议当层间拉伸强度高于粘结剂的粘结强度时，可在试件中部加工圆弧凹槽，从而保证拉伸时试件产生层间拉伸破坏。然而该方法并不适用于陶瓷基复合材料，由于陶瓷基复合材料硬度较高，无法在试件侧面加工凹槽。
当前，如何保证陶瓷基复合材料层间拉伸试验时，试件产生有效的层间拉伸破坏，是本技术领域重要而难以解决的技术问题。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于克服现有技术的缺陷而提供一种陶瓷基复合材料层间拉伸试件及其制备方法和试验方法。
本发明采用如下技术方案：
一种陶瓷基复合材料层间拉伸试件，包括竖直设置的上夹持段和下夹持段以及位于上夹持段和下夹持段之间、水平设置的标距段，所述的标距段由上至下依次由上加持区、中标距区和下加持区叠成，陶瓷基复合材料层间拉伸试件包括平面纤维布组件和四个L形纤维布组件，每个L形纤维布组件均包括相互垂直的竖直段和水平段，其中两个L形纤维布组件的竖直段背靠背贴紧呈倒T形，且这两个L形纤维布组件的竖直段组成上夹持段，水平段组成上加持区，另外两个L形纤维布组件的竖直段背靠背贴紧呈T形，且这两个L形纤维布组件的竖直段组成下夹持段，水平段组成下加持区，所述的平面纤维布组件构成中标距区；所述的L形纤维布组件和平面纤维布组件上通过沉积陶瓷基界面层和基体，从而形成一个十字形整体。
进一步的，所述的L形纤维布组件由多层L形纤维布层叠构成。
进一步的，所述的平面纤维布组件由多层平面纤维布层叠构成。
进一步的，所述的L形纤维布弯折处为圆角。
进一步的，所述的L形纤维布组件中L形纤维布的层数不少于8层，平面纤维布组件中平面纤维布的层数不少于2层。
本发明还提供了一种制备瓷基复合材料层间拉伸试件的方法，包括以下步骤：
步骤1：根据L形纤维布组件和平面纤维布组件的尺寸大小，在纤维布上裁剪出陶瓷基复合材料层间拉伸试件中的各层纤维布；
步骤2：将多层L形纤维布层叠构成四个L形纤维布组件，将多层平面纤维布层叠构成一个平面纤维布组件，将四个L形纤维布组件和一个平面纤维布组件按照上述的L形纤维布组件和平面纤维布组件的位置关系摆放形成十字形的陶瓷基复合材料层间拉伸试件预制体，采用夹具将试件预制体的上夹持段、下夹持段以及标距段压紧固定；
步骤3：在压紧的试件预制体上沉积界面层和基体，获得陶瓷基复合材料试件毛坯；
步骤4：对陶瓷基复合材料试件毛坯进行切割，去除毛刺，得到所述的陶瓷基复合材料层间拉伸试件。
进一步的，所述的步骤2中夹具为四个L形固定件，L形固定件上开有密集的小孔，可通过基体沉积至纤维布内部，所述的L形固定件包括竖直夹紧部和水平夹紧部，两个L形固定件背靠背呈倒T型，这两个L形固定件的竖直夹紧部夹紧所述的试件预制体的上夹持段，另两个L形固定件背靠背呈T型，这两个L形固定件的竖直夹紧部夹紧所述的试件预制体的下夹持段， 四个L形固定件的水平夹紧部配合夹紧所述的试件预制体的标距段，四个L形固定件之间均以螺栓穿透L形固定件，再通过螺母旋紧的方式夹紧，所述的L形固定件、螺栓和螺母均为石墨材料制作。
进一步的，所述的步骤3中的沉积基体要进行多次，以提高试件的致密度。
进一步的，所述的步骤4中切割试件毛刺的方法为采用激光切割或水切割。
本发明还提供了一种使用该陶瓷基复合材料层间拉伸试件的试验方法，包括以下步骤：
步骤1: 在陶瓷基复合材料层间拉伸试件的上夹持段和下夹持段上分别粘贴加强片；
步骤2：将陶瓷基复合材料层间拉伸试件安装在试验机夹具上，分别夹持所述的上夹持段和下夹持段；
步骤3：启动试验机进行拉伸试验，试验机夹具带动上夹持段上移，下夹持段下移，使陶瓷基复合材料层间拉伸试件拉伸，直至标距段层间断裂，从而测量陶瓷基复合材料层间拉伸强度。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
（1）本发明提供的一种陶瓷基复合材料层间拉伸试件，试件与试验机夹头间不再通过胶粘连接，避免了试验时在胶粘处破坏，即使材料的层间拉伸强度很高，也可保证试件发生层间拉伸破坏，因此本发明提供的一种陶瓷基复合材料层间拉伸试件适用性更广。
（2）本发明提供的一种陶瓷基复合材料层间拉伸试件，其夹持段为平板状，进行层间拉伸试验时不需要特殊夹具，普通试验机夹具即可夹持，因此与现有技术相比试验更方便。
（3）本发明提供的一种陶瓷基复合材料层间拉伸试件，在沉积完基体后，L型纤维布形状被基体固定，可避免在拉伸试验过程中L形纤维布变形过大。此外本发明提供的层间拉伸试件，用途是测量层间拉伸强度，并不测量层间拉伸变形，L型纤维布的微小变形对测量的层间拉伸强度值影响很小，可保证测量结果的准确性。
（4）本发明提供的陶瓷基复合材料层间拉伸试件制备方法，工艺简单，易于实现。
附图说明
图1是本发明陶瓷基复合材料层间拉伸试件中各纤维布组件。
图2是本发明用夹具压紧固定试件预制体示意图。
图3是本发明陶瓷基复合材料层间拉伸试件。
图4是本发明陶瓷基复合材料层间拉伸试验时试件夹持方式。
图中：1-L形纤维布组件、1a-竖直段、1b-水平段、2-平面纤维布组件、3-夹具、3a-竖直夹紧部、3b-水平夹紧部、4-螺栓、5-试件预制体、6-螺母、7-上夹持段、8-标距段、8a-上加持区、8b-中标距区、8c-下加持区、9-下夹持段、10-试验机夹具、11-加强片、12-陶瓷基复合材料层间拉伸试件。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
制备本发明的试件时，首先裁剪出各层纤维布，然后按照在试件中的位置，将各层纤维布叠放铺层，形成试件预制体5。如图1所示，在本实施例中，试件预制体5中共有十六层L形纤维布和两层平面纤维布，增加平面纤维布可增加标距段8的层数，从而降低测得的层间拉伸强度的分散性。如图2所示，采用石墨材料的夹具3将试件预制体5压紧，用石墨材料的螺栓4和螺母6固定。然后在压紧的试件预制体5上沉积界面层并反复多次沉积基体，获得致密的陶瓷基复合材料试件毛坯。最后采用激光切割或水切割对陶瓷基复合材料试件毛坯进行切割，去除毛刺，得到最终的陶瓷基复合材料层间拉伸试件。
此方法制备出的陶瓷基复合材料层间拉伸试件整体成十字形，包括上夹持段7、标距段8和下夹持段9，标距段8纤维布与上夹持段7、下夹持段9中的纤维布方向垂直，试件由多层的L形纤维布和平面纤维布层叠而成，其中上夹持段7和下夹持段9只含有L形纤维布，标距段8同时包含L形纤维布和平面纤维布，通过L形纤维布连接上夹持段7、标距段8和下夹持段9，使试件保持为一个整体。
进行层间拉伸试验时，如图4所示，在上夹持段7和下夹持段9分别粘贴加强片11，将陶瓷基复合材料层间拉伸试件12安装在试验机夹具10上，即可进行拉伸试验，测量材料层间拉伸强度。试验表明，本发明提供的陶瓷基复合材料层间拉伸试件能较好地避免现有技术中试件在胶粘处破坏，试验成功率较高，结果更加可靠。
以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种陶瓷基复合材料层间拉伸试件，其特征在于，包括竖直设置的上夹持段(7)和下夹持段(9)以及位于上夹持段(7)和下夹持段(9)之间、水平设置的标距段(8)，所述的标距段(8)由上至下依次由上加持区(8a)、中标距区(8b)和下加持区(8c)叠成，陶瓷基复合材料层间拉伸试件包括平面纤维布组件(2)和四个L形纤维布组件(1)，每个L形纤维布组件(1)均包括相互垂直的竖直段(1a)和水平段(1b)，其中两个L形纤维布组件(1)的竖直段(1a)背靠背贴紧呈倒T形，且这两个L形纤维布组件(1)的竖直段(1a)组成上夹持段(7)，水平段(1b)组成上加持区(8a)，另外两个L形纤维布组件(1)的竖直段(1a)背靠背贴紧呈T形，且这两个L形纤维布组件(1)的竖直段(1a)组成下夹持段(9)，水平段(1b)组成下加持区(8c)，所述的平面纤维布组件(2)构成中标距区(8b)，由多层平面纤维布层叠构成；所述的L形纤维布组件(1)和平面纤维布组件(2)上通过沉积陶瓷基界面层和基体，从而形成一个十字形整体。
2.根据权利要求1所述的陶瓷基复合材料层间拉伸试件，其特征在于，所述的L形纤维布组件(1)由多层L形纤维布层叠构成。
3.根据权利要求2所述的陶瓷基复合材料层间拉伸试件，其特征在于，所述的L形纤维布弯折处为圆角。
4.根据权利要求3所述的陶瓷基复合材料层间拉伸试件，其特征在于，所述的L形纤维布组件(1)中L形纤维布的层数不少于8层，平面纤维布组件(2)中平面纤维布的层数不少于2层。
5.制备如权利要求4所述的陶瓷基复合材料层间拉伸试件的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：根据L形纤维布组件(1)和平面纤维布组件(2)的尺寸大小，在纤维布上裁剪出陶瓷基复合材料层间拉伸试件中的各层纤维布；
步骤2：将多层L形纤维布层叠构成四个L形纤维布组件(1)，将多层平面纤维布层叠构成一个平面纤维布组件(2)，将四个L形纤维布组件(1)和一个平面纤维布组件(2)按照权利要求1中的L形纤维布组件(1)和平面纤维布组件(2)的位置关系摆放形成十字形的陶瓷基复合材料层间拉伸试件预制体(5)，采用夹具(3)将试件预制体(5)的上夹持段、下夹持段以及标距段压紧固定；
步骤3：在压紧的试件预制体(5)上沉积界面层和基体，获得陶瓷基复合材料试件毛坯；
步骤4：对陶瓷基复合材料试件毛坯进行切割，去除毛刺，得到所述的陶瓷基复合材料层间拉伸试件。
6.根据权利要求5所述的制备陶瓷基复合材料层间拉伸试件的方法，其特征在于，所述的步骤2中夹具(3)为四个L形固定件，L形固定件上开有密集的小孔，使基体充分沉积至纤维布内部，所述的L形固定件包括竖直夹紧部(3a)和水平夹紧部(3b)，两个L形固定件背靠背呈倒T型，这两个L形固定件的竖直夹紧部(3a)夹紧所述的试件预制体(5)的上夹持段，另两个L形固定件背靠背呈T型，这两个L形固定件的竖直夹紧部(3a)夹紧所述的试件预制体(5)的下夹持段， 四个L形固定件的水平夹紧部(3b)配合夹紧所述的试件预制体(5)的标距段，四个L形固定件之间均以螺栓(4)穿透L形固定件，再通过螺母(6)旋紧的方式夹紧，所述的L形固定件、螺栓(4)和螺母(6)均为石墨材料制作。
7.根据权利要求6所述的制备陶瓷基复合材料层间拉伸试件的方法，其特征在于，所述的步骤3中的沉积基体要进行多次，以提高试件的致密度。
8.根据权利要求7所述的制备陶瓷基复合材料层间拉伸试件的方法，其特征在于，所述的步骤4中切割试件毛刺的方法为采用激光切割或水切割。
9.使用如权利要求1所述的陶瓷基复合材料层间拉伸试件的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1: 在陶瓷基复合材料层间拉伸试件的上夹持段(7)和下夹持段(9)上分别粘贴加强片(11)；
步骤2：将陶瓷基复合材料层间拉伸试件安装在试验机夹具(10)上，分别夹持所述的上夹持段(7)和下夹持段(9)；
步骤3：启动试验机进行拉伸试验，试验机夹具(10)带动上夹持段(7)上移，下夹持段(9)下移，使陶瓷基复合材料层间拉伸试件拉伸，直至标距段(8)层间断裂，从而测量陶瓷基复合材料层间拉伸强度。
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