CN113654982B - 一种织物增强复合材料纤维束间界面剪切强度的测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种织物增强复合材料纤维束间界面剪切强度的测试方法，所述测试方法包括：先将织物增强复合材料制作为标准测试样，测量织物中纱线重叠部分的接触面积S，然后对标准测试样进行拉伸测试，获得指定测试速度下、指定测试温度下经纬线脱粘的最大载荷Fmax，经计算即可得到经纬纱间交织点处界面剪切强度。本发明的方法制样较为方便、测试简单可控，且可以根据具体需求，测量不同应变率（测试速度）、不同温度条件下，织物增强复合材料纤维束间的界面剪切强度。

Description

一种织物增强复合材料纤维束间界面剪切强度的测试方法
技术领域
本发明属于复合材料性能测试领域，具体涉及一种织物增强复合材料纤维束间界面剪切强度的测试方法。
背景技术
复合材料是由两种或两种以上化学、物理性质不同的材料组成，各组分之间有明显的界面存在。复合材料的界面剪切强度直接影响到复合材料的力学性能，如强度和韧性。因此，界面剪切强度的研究和测定也成为复合材料界面研究中的一个重点。
复合材料的组分可分为增强体及基体，增强体多以纺织结构的形式存在。纺织结构增强体与基体的接触可分为四个维度，即单纤维表面、纤维束内侧、纤维束外侧及层间，如图1所示。目前研究及测定主要集中在单纤维表面这一维度，测试方法较多，有纤维断裂法、纤维拔出法、纤维压入法、微珠脱粘法等；纤维束内侧这一维度，主要有单向层合板横向拉伸法；层间这一维度，有短臂梁层间剪切法、断裂韧性法(双悬臂梁DCB法、三点弯 ENF法和混合模式弯曲MMB)。然而，对于纤维束外侧维度，尤其是纤维束-纤维束之间的界面性能相关的测试方法较少。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种简单、快速有效的纤维束外侧界面剪切性能的测试方法，该方法制样较为方便、测试简单可控，且可以根据具体需求，测量不同应变率(测试速度)、不同温度条件下织物增强复合材料纤维束间的界面剪切强度。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种织物增强复合材料纤维束间界面剪切强度的测试方法，所述测试方法包括：
S1、将织物增强复合材料制作为标准测试样；
S2、测量并计算织物结构中纤维束重叠部分的接触面积S；
S3、利用配有烘箱的万能试验机对标准测试样进行拉伸测试，获得指定测试速度下、指定测试温度下经纬线脱粘的最大载荷Fmax；
S4、计算纤维束间交织点处的界面剪切强度所述织物增强复合材料，织物由纤维束经纺织工艺制成机织物；
复合材料选自树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料、水泥基复合材料或碳/ 碳复合材料。
进一步地，所述织物的同向纤维束间距为0.5-2mm，纤维束所含纤维数大于500。
进一步地，所述纤维束中的纤维为高性能纤维，选自碳纤维、石墨纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维、聚苯二甲酰对苯二胺纤维、芳香族聚酰胺共聚纤维、杂环族聚酰胺纤维、聚苯并咪唑纤维、高强高模聚乙烯纤维、聚酰亚胺纤维、聚对苯撑苯并双恶唑纤维、聚四氟乙烯纤维中的一种或多种混合。
进一步地，所述S1中，将复合材料制作为标准测试样的过程为：
S11、制备单层织物增强复合材料片材；
S12、裁剪测试用片材，宽度以n根经纱宽度为宜，n为5、7、9、11、13或15，测试样长度5-15cm；
S13、在测试样品中间区域范围内，利用微型切割机沿纬纱间缝隙切割左侧(n-1)/2根经纱及右侧(n-1)/2根经纱；
S14、沿相邻纬纱间隙，利用微型切割机切割正中间经纱，即左侧或右侧第(n+1)/2根经纱；
S15、左右侧切断经纱切口处，将S11所制单层织物增强复合材料片材通过环氧树脂胶粘贴在测试样品表面，贴附片材尺寸需覆盖(n-1)/2根经纱、2根纬纱，贴附片材应与中间经纱所接触的纬纱相贴附，以保证后续步骤中纬纱不变形。
进一步地，所述S2中，测量纱线重叠部分接触面积S的过程为：
S21、利用光学显微镜，对切割区域正中间经纱与纬纱交叉的区域进行观察、拍摄照片并添加标尺；
S22、基于照片，测量经纱与纬纱接触面在经向、纬向的长度分别记为L1、L2，计算接触面面积S＝L1*L2。
进一步地，所述S3中，拉伸测试的过程为：
S31、将样品两端夹持，夹持距离1.5-5cm，控制未握持区域2-5cm；
S32、设定拉伸速度并调节测试温度，进行拉伸测试；
S33、记录位移-载荷数据，获得试样中纱线间脱粘的最大载荷Fmax。
本发明的方法制样较为方便、测试简单可控，且可以根据具体需求，测量不同应变率 (测试速度)、不同温度条件下，织物增强复合材料纤维束间的界面剪切强度。
附图说明
图1为织物增强复合材料中增强体与基体接触的四个维度。
图2为实施例1中纱线重叠部分接触面积S的测试方法示意图。
图3为实施例1中拉伸测试的测试方法示意图。
图4为实施例1中拉伸过程所记录的位移-载荷曲线。
图5为实施例1中不同温度条件(20℃、40℃、60℃、80℃、100℃)下，碳纤维/环氧树脂复合材拉伸后经纬纱分离后，经纬纱表面的光学观察照片。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
实施例1
本实施例以碳纤维织物增强环氧树脂基复合材料为例进行测试。
一种织物增强复合材料纤维束间界面剪切强度的测试方法，所述测试方法包括：
S1、将复合材料制作为标准测试样；
S2、测量纱线重叠部分接触面积S；
S3、利用配有烘箱的万能试验机对标准测试样进行拉伸测试，获得指定测试速度下、指定测试温度下经纬线脱粘的最大载荷Fmax；
S4、计算经纬纱间交织点处界面剪切强度
在S1中，将复合材料制作为标准测试样，具体过程为：
S11、制备单层碳纤维织物增强环氧树脂基复合材料片材；
S12、裁剪测试用片材，宽度以n根(n为奇数，5≤n≤15)经纱宽度为宜，测试样长度5- 15cm；
S13、在测试样品中间区域范围内，利用微型切割机沿纬纱间缝隙切割左侧(n-1)/2根经纱及右侧(n-1)/2根经纱；
S14、沿相邻纬纱间隙，利用微型切割机切割正中间经纱，即左侧或右侧第(n+1)/2根经纱；
S15、左右侧切断经纱切口处，将S11所制碳纤维/环氧树脂复合材料片材通过环氧树脂胶粘贴在测试样品表面，贴附片材尺寸需覆盖(n-1)/2根经纱、2根纬纱，贴附片材应与中间经纱所接触的纬纱相贴附，以保证后续步骤中纬纱不变形。
在S2中，测量纱线重叠部分接触面积S，具体过程为：
S21、利用光学显微镜，对切割区域正中间经纱与纬纱交叉的区域进行观察、拍摄照片并添加标尺；
S22、如图2所示，基于照片测量经纱与纬纱接触面长度在经纬向的长度分别为L1及L2，计算接触面面积S＝L1*L2。
在S3中，拉伸测试的具体过程为：
S31、如图3所示，将样品两端夹持，夹持距离1.5-5cm，控制未握持区域2-5cm；
S32、设定拉伸速度并调节测试温度，进行拉伸测试；
S33、记录位移-载荷数据，获得试样中纱线间脱粘的最大载荷Fmax。
如图4所示，拉伸过程首先发生线性变形，这一过程没有损伤；随后进入微脱粘阶段，这一阶段有部分尺度很小的脱粘发生，载荷上升趋势减缓；随后发生稳定渐进的脱粘，这一阶段脱粘逐渐扩展，载荷逐渐下降；随后由于粘接区域逐渐减小，某一个瞬间，粘接区快速脱粘并且分离，载荷也随之突然下降；最后一个阶段，分离后的经纬纱发生表面的摩擦，载荷为经纬纱间的摩擦力。
如表1所示，碳纤维平纹织物增强环氧树脂复合材料在20℃升高至100℃时，纤维束间界面剪切强度从15.5MPa降低至2.5MPa。
表1不同温度条件下碳纤维平纹织物增强环氧树脂复合材料纤维束间界面剪切强 度
测试温度 20℃ 40℃ 60℃ 80℃ 100℃
界面剪切强度/MPa 15.5 9.8 3.5 2.6 2.5
如图5所示，本发明的测试方法实现了经纬纱间的分离，即验证了测试方法所预期测试的范围(经纬纱间界面剪切强度)。
本发明的方法制样较为方便、测试简单可控，且可以根据具体需求，测量不同应变率(测试速度)、不同温度条件下，织物增强复合材料纤维束间的界面剪切强度。

Claims (5)

1.一种织物增强复合材料纤维束间界面剪切强度的测试方法，其特征在于：所述测试方法包括：
S1、将织物增强复合材料制作为标准测试样；
S1中将复合材料制作为标准测试样的过程为：
S11、制备单层织物增强复合材料片材；
S12、裁剪测试用片材，宽度以n根经纱宽度为宜，n为5、7、9、11、13或15，测试样长度5-15 cm；
S13、在测试样品中间区域范围内，利用微型切割机沿纬纱间缝隙切割左侧（n-1）/2根经纱及右侧（n-1）/2根经纱；
S14、沿相邻纬纱间隙，利用微型切割机切割正中间经纱，即左侧或右侧第（n+1）/2根经纱；
S15、左右侧切断经纱切口处，将S11所制单层织物增强复合材料片材通过环氧树脂胶粘贴在测试样品表面，贴附片材尺寸需覆盖（n-1）/2根经纱、2根纬纱，贴附片材应与中间经纱所接触的纬纱相贴附，以保证后续步骤中纬纱不变形；
S2、测量并计算织物结构中纤维束重叠部分的接触面积S；
S3、利用配有烘箱的万能试验机对标准测试样进行拉伸测试，获得指定测试速度下、指定测试温度下经纬纱线脱粘的最大载荷Fmax；
S4、计算纤维束间交织点处的界面剪切强度；
所述织物增强复合材料，织物由纤维束经纺织工艺制成机织物；
复合材料选自树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料、水泥基复合材料或碳/碳复合材料。
2. 根据权利要求1所述的织物增强复合材料纤维束间界面剪切强度的测试方法，其特征在于：所述织物的同向纤维束间距为0.5-2 mm，纤维束所含纤维数大于500。
3.根据权利要求2所述的织物增强复合材料纤维束间界面剪切强度的测试方法，其特征在于：所述纤维束中的纤维为高性能纤维，选自碳纤维、石墨纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维、聚苯二甲酰对苯二胺纤维、芳香族聚酰胺共聚纤维、杂环族聚酰胺纤维、聚苯并咪唑纤维、高强高模聚乙烯纤维、聚酰亚胺纤维、聚对苯撑苯并双恶唑纤维、聚四氟乙烯纤维中的一种或多种混合。
4.根据权利要求1所述的织物增强复合材料纤维束间界面剪切强度的测试方法，其特征在于：所述S2中，测量纱线重叠部分接触面积S的过程为：
S21、利用光学显微镜，对切割区域正中间经纱与纬纱交叉的区域进行观察、拍摄照片并添加标尺；
S22、基于照片，测量经纱与纬纱接触面在经向、纬向的长度分别记为L1、L2，计算接触面面积S= L1*L2。
5.根据权利要求1所述的织物增强复合材料纤维束间界面剪切强度的测试方法，其特征在于：所述S3中，拉伸测试的过程为：
S31、将样品两端夹持，夹持距离1.5-5 cm，控制未握持区域2-5cm；
S32、设定拉伸速度并调节测试温度，进行拉伸测试；
S33、记录位移-载荷数据，获得试样中纱线间脱粘的最大载荷Fmax。
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