CN113654894B - 获取三维机织复合材料界面的i型断裂韧性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种获取三维机织复合材料界面的I型断裂韧性的方法，所述方法步骤如下：一、观察三维机织复合材料纱线的排布结构选取试件加工面，针对界面断裂韧性试件的需求，选取紧凑拉伸的形式，包括两个加载孔、一个凹口和一个裂纹尖端切口，裂纹尖端切口加工在两根平行的经纱或纬纱中间，切割位置选取在单列纤维束中间，保证切割出的试件内部仅有一列经纱或仅有一列纬纱；二、使用销子或其它形式插入加载孔，将界面断裂韧性试件与力学试验机连接，使用力学试验机对界面断裂韧性试件，依据试验机输出的载荷位移曲线，计算界面断裂韧性试件的断裂韧性。本发明首次提出三维机织复合材料界面的I型断裂韧性的试验获取方法，填补了这个领域的空白。

Description

获取三维机织复合材料界面的I型断裂韧性的方法

技术领域

本发明属于复合材料性能测试领域，涉及一种测试三维机织复合材料界面的I型断裂韧性的方法。

背景技术

近来的研究已表明，三维机织复合材料在承受面外载荷，尤其是面外拉伸和面外剪切载荷时，界面脱粘是非常重要的失效模式。因此，与这种失效模式相关的参数，尤其是断裂韧性，对于研究材料力学性能和相关的数值仿真都是十分重要的。然而，目前没有可靠的方法去获取这些参数。

三维机织复合材料的界面一般指的是纤维束/纤维束（或纤维束/基体）的交界处，其性能可以看做是微观界面（纤维丝/基体界面）和基体的综合作用。显然，三维机织复合材料的界面与微观界面存在本质差异，因此微观界面的断裂韧性并不适用于三维机织复合材料的界面。为了评价三维机织复合材料的抗分层能力，一些学者采用双悬臂梁试验测量三维机织复合材料的分层断裂韧性。采用这种方式测量的三维机织复合材料的分层断裂韧性一般会高于类似组分材料的层合复合材料。三维机织复合材料的高断裂韧性一般是由材料内部的Z向纱线横跨在裂纹处产生的桥联区导致的。因此，采用这种方式测量的断裂韧性也被称为是表观断裂韧性。由于掺杂了纤维束桥联，采用双悬臂梁试验测量的表观断裂韧性并不等同于三维机织复合材料的界面断裂韧性。

简言之，目前没有合理的方法测量三维机织复合材料界面的I型断裂韧性的方法。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种获取三维机织复合材料界面的I型断裂韧性的方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种获取三维机织复合材料界面的I型断裂韧性的方法，包括试件结构设计和加工位置选取方式、试验方法以及断裂韧性获取方法，具体包括如下步骤：

步骤一、界面断裂韧性试件加工位置选取方式，应观察三维机织复合材料纱线的排布结构，针对界面断裂韧性试件的需求，在三维机织复合材料板上指定平面进行加工，所使用的三维机织复合材料板应足够厚，足够切割能执行紧凑拉伸试验的试件，其中：

对于界面断裂韧性试件，选取紧凑拉伸的形式，包括两个加载孔、一个凹口和一个裂纹尖端切口，界面断裂韧性试件的厚度应小于三维机织复合材料单根纤维束的宽度；界面断裂韧性试件的裂纹尖端切口应加工在两根平行的经纱（或纬纱）中间；界面断裂韧性试件的切割位置选取在单列纤维束中间，以保证切割出的试件内部仅有一列经纱（或仅有一列纬纱）；界面断裂韧性试件的切割面应垂直于较直的纱线，以保证界面断裂韧性试件的简单结构；

步骤二、使用销子或其它形式插入加载孔，将界面断裂韧性试件与力学试验机连接，使用力学试验机对界面断裂韧性试件加载，依据试验机输出的载荷位移曲线，计算界面断裂韧性试件的断裂韧性，其中：

对于界面断裂韧性试件，失效模式可能掺杂基体损伤，为了排除掉基体损伤对断裂韧性计算的影响，采用基于面积法的断裂韧性计算方法计算界面断裂韧性，具体计算流程如下：

步骤1：基于试验机输出的载荷位移曲线，计算裂纹扩展时消耗的总能量；

步骤2：分别测量界面裂纹和基体裂纹的长度，长度值应取试件正反面的均值；

步骤3：依据已有的基体断裂韧性值，计算基体裂纹扩展消耗的能量；

步骤4：在总能量中去除基体裂纹消耗的能量，得到因界面裂纹扩展消耗的能量；

步骤5：使用界面裂纹消耗的能量除以界面裂纹长度，得到界面临界能量释放率，即界面断裂韧性。

相比于现有技术，本发明具有如下优点：

（1）首次提出三维机织复合材料界面的I型断裂韧性的试验获取方法，填补了这个领域的空白；

（2）提出了基于面积法的、可以去除基体裂纹影响的断裂韧性计算流程；

（3）试件在三维机织复合材料板上原位取材，选定位置加工，这种特殊的试件设计（试件厚度小于纤维束宽度）和定点切割的加工方式，使得试件具有简单的内部结构和可控的失效模式，而且失效模式相对单一，所测断裂韧性更接近真实值。

附图说明

图1是典型的三维机织复合材料内部纱线编织结构；

图2是试件切割位置；

图3是裂纹尖端切口位置;

图4是试件典型失效模式；

图中：1-经纱、2-纬纱、3-三维机织复合材料板、4-界面断裂韧性试件、5-加载孔、6-凹口、7-裂纹尖端切口、8-界面断裂韧性试件裂纹尖端切口位置、9-界面断裂韧性试件失效模式。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

本发明的研究对象为典型的三维机织复合材料内部纱线编织结构，其结构如图1所示，包含经纱1、纬纱2，两种纱线之间存在空间互锁。其中，经纱1波动较大，而纬纱2较平直。

图2为试件切割位置，图3为裂纹尖端切口位置。为表述方便，设定经纱方向为方向1，纬纱方向为方向2，三维机织复合材料板3的厚度方向为方向3。对于测量三维机织复合材料界面的I型断裂韧性，最大的挑战是三维机织复合材料复杂的内部结构和掺杂了Z向纱线桥联的复杂失效模式。为了最大程度克服这两个问题，界面断裂韧性试件4的厚度尺寸需小于单束纤维束的宽度。依据本发明研究材料的纱线波动特点，界面断裂韧性试件4在三维机织复合材料板3的方向1和方向3组成的平面进行切割。

对于界面断裂韧性试件4，选定紧凑拉伸的试件形式，包括加载孔5、凹口6和裂纹尖端切口7。其中，裂纹尖端切口7宽度应小于0.5mm。切割平面选取沿方向1和方向3组成的平面。界面断裂韧性试件4的切割位置应特殊选取，以保证在其厚度方向只有一列经纱1。界面断裂韧性试件裂纹尖端切口位置8选取在两束平行的经纱1之间。在施加载荷后，裂纹即可扩展至界面处。由于纬纱2较平直，因此界面断裂韧性试件4的内部结构在厚度方向可以认为是保持不变的，这有利于裂纹长度的测量。

使用销子（或其它形式）插入加载孔5，将试件与力学试验机连接。使用力学试验机即可对界面断裂韧性试件4加载。

图4为使用本发明所述方法执行试验的试件典型失效模式。界面断裂韧性试件失效模式9较为复杂，掺杂了基体失效和界面失效。为了在计算断裂韧性时排除基体裂纹的影响，得到真实的界面断裂韧性，本发明提出了基于面积法的断裂韧性计算流程：

步骤1：基于试验机输出的载荷位移曲线，计算裂纹扩展时消耗的总能量；

步骤2：分别测量界面裂纹和基体裂纹的长度，长度值应取试件正反面的均值；

步骤3：依据已有的基体断裂韧性值（基体断裂韧性值可单独测量，已有成熟方法），计算基体裂纹扩展消耗的能量；

步骤4：在总能量中去除基体裂纹消耗的能量，得到因界面裂纹扩展消耗的能量；

步骤5：使用界面裂纹消耗的能量除以界面裂纹长度，得到界面临界能量释放率，即界面断裂韧性。

Claims (4)

1.一种获取三维机织复合材料界面的I型断裂韧性的方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：

步骤一、观察三维机织复合材料纱线的排布结构，针对界面断裂韧性试件的需求，选取紧凑拉伸的形式，包括两个加载孔、一个凹口和一个裂纹尖端切口，其中：界面断裂韧性试件的厚度尺寸需小于单束纤维束的宽度；界面断裂韧性试件的切割平面应垂直于较直的纱线，以保证界面断裂韧性试件的简单结构；裂纹尖端切口应加工在两根平行的经纱或纬纱中间，切割位置选取在单列纤维束中间，以保证切割出的试件内部仅有一列经纱或仅有一列纬纱；

步骤二、使用销子或其它形式插入加载孔，将界面断裂韧性试件与力学试验机连接，使用力学试验机对界面断裂韧性试件，依据试验机输出的载荷位移曲线，计算界面断裂韧性试件的断裂韧性。

2.根据权利要求1所述的获取三维机织复合材料界面的I型断裂韧性的方法，其特征在于所述三维机织复合材料板应足够厚，足够切割能执行紧凑拉伸试验的试件。

3.根据权利要求1所述的获取三维机织复合材料界面的I型断裂韧性的方法，其特征在于所述界面断裂韧性试件的裂纹尖端切口宽度应小于0.5mm。

4.根据权利要求1所述的获取三维机织复合材料界面的I型断裂韧性的方法，其特征在于所述界面断裂韧性试件采用基于面积法的断裂韧性计算方法计算界面断裂韧性，具体计算流程如下：

步骤1：基于试验机输出的载荷位移曲线，计算裂纹扩展时消耗的总能量；

步骤2：分别测量界面裂纹和基体裂纹的长度，长度值应取试件正反面的均值；

步骤3：依据已有的基体断裂韧性值，计算基体裂纹扩展消耗的能量；

步骤4：在总能量中去除基体裂纹消耗的能量，得到因界面裂纹扩展消耗的能量；

步骤5：使用界面裂纹消耗的能量除以界面裂纹长度，得到界面临界能量释放率，即界面断裂韧性。

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