CN113654895B - 获取三维机织复合材料纤维束内的i型断裂韧性的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种获取三维机织复合材料纤维束内的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，针对纤维束内断裂韧性试件，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，裂纹尖端切口加工在较平直的纱线中，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；二、使用销子或其它形式插入加载孔，将试件与力学试验机连接，使用力学试验机对纤维束内断裂韧性试件加载，依据试验机输出的载荷位移曲线，计算纤维束内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纤维束内的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纤维束内的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纤维束内的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，纤维束横向失效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。
纤维束横向失效的I型断裂韧性很难通过试验获取，并且目前很少有学者直接对其进行研究。采用与三维机织复合材料相同组分材料的层合复合材料的I型断裂韧性作为近似代替似乎是一种合理的方案，但是这种方案存在两个难以解决的问题。其一，层合复合材料很难达到三维机织复合材料纤维束内的高纤维体积分数，这就会导致前者的应力状态与后者不一致，引入了额外的变量。其二，目前通常采用RTM工艺成型三维机织复合材料，但是这种工艺很难应用在层合复合材料中。在成型方法上的差异也会引入额外的变量。这两个问题使得采用层合板I型断裂韧性作为代替的这个方案不那么令人信服。
简言之，目前没有合理的方法测量三维机织复合材料纤维束内的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纤维束内的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纤维束内的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、纤维束内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，针对纤维束内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：
对于纤维束内断裂韧性试件，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，纤维束内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；纤维束内断裂韧性试件的裂纹尖端切口应加工在较平直的纱线中；纤维束内断裂韧性试件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）；纤维束内断裂韧性试件的切割面应平行于较直的纱线，以保证裂纹近似沿直线扩展；
步骤二、使用销子或其它形式插入加载孔，将试件与力学试验机连接，使用力学试验机对纤维束内断裂韧性试件加载，依据试验机输出的载荷位移曲线，计算纤维束内断裂韧性试件的断裂韧性，由于纤维束内断裂韧性试件失效模式单一，因此可以采用面积法或者其它方法计算。
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纤维束内的I型断裂韧性的试验获取方法，填补了这个领域的空白；
（2）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单一的失效模式，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-纤维束内断裂韧性试件、5-加载孔、6-凹口、7-裂纹尖端切口、8-纤维束内断裂韧性试件裂纹尖端切口位置、9-纤维束内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纤维束内的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，纤维束内断裂韧性试件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，纤维束内断裂韧性试件4在三维机织复合材料板3的方向2和方向3组成的平面进行切割。
对于纤维束内断裂韧性试件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2和方向3组成的平面。纤维束内断裂韧性试件4的切割位置应特殊选取，以保证其厚度方向只有一列纬纱2。纤维束内断裂韧性试件裂纹尖端切口位置7选取在较直的纬纱2内部。施加载荷后，裂纹将沿着纬纱2内部扩展，扩展路径近似为直线，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纤维束内断裂韧性试件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。纤维束内断裂韧性试件失效模式9很单一，裂纹始终在纬纱2内部传播，可采用面积法或其它常规方法计算断裂韧性。

Claims (3)

1.一种获取三维机织复合材料纤维束内的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，针对纤维束内断裂韧性试件，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；所述纤维束内断裂韧性试件的厚度尺寸需小于单束纤维束的宽度；纤维束内断裂韧性试件的切割平面应平行于较直的纱线，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纬纱；纤维束内断裂韧性试件的裂纹尖端切口位置选取在较直的纱线内部，以保证裂纹近似沿直线扩展，其中：
三维机织复合材料内部纱线编织结构包含经纱、纬纱，两种纱线之间存在空间互锁，其中，经纱波动较大，纬纱较平直；
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的厚度方向为方向3，纤维束内断裂韧性试件在三维机织复合材料板的方向2和方向3组成的平面进行切割，纤维束内断裂韧性试件的切割位置应保证纤维束内断裂韧性试件厚度方向只有一列纬纱；
纤维束内断裂韧性试件失效模式很单一，裂纹始终在纬纱内部传播；
步骤二、使用销子或其它形式插入加载孔，将试件与力学试验机连接，使用力学试验机对纤维束内断裂韧性试件加载，依据试验机输出的载荷位移曲线，计算纤维束内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纤维束内的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纤维束内的I型断裂韧性的方法，其特征在于所述裂纹尖端切口宽度应小于0.5mm。
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