CN116642784A - 纤维增强复合材料层间剪切性能测试的试样、夹具、方法 - Google Patents

纤维增强复合材料层间剪切性能测试的试样、夹具、方法 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种纤维增强复合材料层间剪切性能测试的试样、夹具、方法，所述试样为一体成型，大致呈条形扁平状，内部具有多个层叠设置的纤维铺层，试样的厚度所在平面与所述纤维铺层所在平面大致平行；所述试样的中心部位具有受力部，所述试样在长度方向上，两端分别具有第一夹持固定部和第二夹持固定部，所述第一夹持固定部与所述受力部之间具有第一衔接部，所述第二夹持固定部与所述受力部之间具有第二衔接部。通过夹具将试样夹持固定在测试设备上，然后测试设备对试样施加拉伸的力以进行拉伸测试，测试的准确性较好。而且，试样的结构也很简单小巧，容易制作，夹具对试样的装配也很灵活便捷。

Description

纤维增强复合材料层间剪切性能测试的试样、夹具、方法
技术领域
本申请涉及新材料技术领域，尤其涉及一种纤维增强复合材料层间剪切性能测试的试样、夹具、方法。
背景技术
纤维增强复合材料，例如碳纤维增强陶瓷基复合材料(C/SiC)，由于其优异的力学性能，在航空航天动力系统、热防护领域以及汽车、飞机和高速列车等领域有着广泛应用。由于纤维增强复合材料在制备过程中纤维预制体的铺层编织使得材料层间的剪切性能低于轴向的拉伸压缩性能，所以纤维增强复合材料在极端条件下容易发生层间脱粘分离导致材料丧失性能，所以需要对纤维增强复合材料层间剪切性能进行研究测试。现有的测试方法主要有双切口压缩法、短梁剪切法、四点弯曲法等，其中双切口压缩法需要额外的固定板对试样进行固定，防止测试时试样侧翻，但实际操作中对试样的固定夹持装配比较困难，而且双切口压缩法是通过压缩使试样开裂，与材料在一般实际使用过程中的撕裂并不直接吻合，所以测试的结果不太准确；而短梁剪切法和四点弯曲法测试时加载的作用力垂直于材料铺层方向，得到的是厚度方向上不同层的挠度弯曲差异变化，与材料在一般实际使用过程中的撕裂更不吻合，更不能直观准确得到材料层与层之间的结合强度；另外这些测试方法所使用的试样尺寸一般较大，容易造成材料浪费，且大尺寸下材料性能测试准确性不高。
发明内容
本申请的目的在于提供一种纤维增强复合材料层间剪切性能测试的试样、夹具、方法，测试的准确性较好。
为实现上述目的，本申请采用如下技术方案。
本申请实施例提供一种纤维增强复合材料层间剪切性能测试的试样，所述试样为一体成型，大致呈条形扁平状，内部具有多个层叠设置的纤维铺层，试样的厚度所在平面与所述纤维铺层所在平面大致平行；所述试样的中心部位具有受力部，所述试样在长度方向上，两端分别具有第一夹持固定部和第二夹持固定部，所述第一夹持固定部与所述受力部之间具有第一衔接部，所述第二夹持固定部与所述受力部之间具有第二衔接部。
在一实施方式中，所述第一夹持固定部和所述第二夹持固定部均呈燕尾状。
在一实施方式中，所述第一衔接部具有第一端与所述受力部连接，具有第二端与所述第一夹持固定部连接，所述第一衔接部的宽度从所述第一衔接部的第一端向第二端逐渐增大；所述第二衔接部具有第一端与所述受力部连接，具有第二端与所述第二夹持固定部连接，所述第二衔接部的宽度从所述第二衔接部的第一端向第二端逐渐增大。
在一实施方式中，所述第一衔接部与所述受力部连接处具有第一凹槽，所述第二衔接部与所述受力部连接处具有第二凹槽；所述试样在厚度方向上具有相对的第一面和第二面，所述第一凹槽从所述第一面向所述第二面凹入，所述第二凹槽从所述第二面向所述第一面凹入，所述试样在长度方向上呈镜面对称，在宽度方向上呈翻转对称。
在一实施方式中，所述第一凹槽、所述第二凹槽的深度均大于所述试样的厚度的一半。
在一实施方式中，所述第一凹槽的底部与所述第二凹槽的底部之间的垂直距离，与一个或两个纤维铺层的厚度相当。
本申请实施例提供还一种纤维增强复合材料层间剪切性能测试的夹具，用于对试样进行夹持固定以对试样进行层间剪切性能测试，所述夹具大致呈柱状，第一端外侧表面具有螺纹，第二端外侧表面向内凹设有夹持固定槽，所述夹持固定槽的两侧设有销孔，两侧销孔的连线与所述夹持固定槽的底面的垂直距离与试样的厚度相当，所述销孔与销轴配合，将试样固定于所述夹持固定槽。
在一实施方式中，所述夹持固定槽呈燕尾状，与所述试样的形状匹配。
本申请实施例还提供一种纤维增强复合材料层间剪切性能测试的方法，采用两个夹具将试样固定于力学性能试验机，所述夹具为如前所述的纤维增强复合材料层间剪切性能测试的夹具，所述试样为如前所述的纤维增强复合材料层间剪切性能测试的试样，采用所述力学性能试验机对所述试样进行拉伸测试。
在一实施方式中，还包括预先对所述试样进行高温氧化。
综上，本申请的有益效果是：本申请所述纤维增强复合材料层间剪切性能测试的试样、夹具、方法，通过夹具将试样夹持固定在测试设备上，然后测试设备对试样施加拉伸的力以进行拉伸测试，这个拉伸的力与试样的厚度所在平面也是试样中纤维铺层所在平面相平行，使得在测试过程的最后，试样中心部位的受力部会撕裂，与材料在一般实际使用过程中的自然撕裂相吻合，测试的准确性较好。而且，试样的结构也很简单小巧，容易制作，夹具对试样的装配也很灵活便捷。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易随时见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请第一实施方式提供的一种纤维增强复合材料层间剪切性能测试的试样的立体结构示意图；
图2为本申请第二实施方式提供的一种纤维增强复合材料层间剪切性能测试的夹具的立体结构示意图；
图3为本申请第三实施方式提供的一种纤维增强复合材料层间剪切性能测试的方法中试样与夹具的装配示意图；
图4为本申请第三实施方式提供的一种纤维增强复合材料层间剪切性能测试的方法对C/SiC材料进行测试获得的载荷-位移曲线图；
图5为一种现有测试方法对C/SiC材料进行测试获得的载荷-位移曲线图。
主要附图标记说明：
试样 1， 受力部 10，
第一夹持固定部 11， 第二夹持固定部 12，
第一衔接部 13， 第二衔接部 14，
第一凹槽 15， 第二凹槽 16，
第一面 17， 第二面 18，
夹具 2， 螺纹 20，
夹持固定槽 21， 销孔 22，
销轴 23， 第一拐点 K1，
第一拐点 K2， 第三拐点 K3。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。此外，应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本申请，并不用于限制本申请。在本申请中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上”、“下”、“左”和“右”可以是装置实际使用或工作状态的方向，也可以是参考附图中的图面方向，还可以是指相对的两个方向；而“内”和“外”则是针对装置的轮廓而言的。
请参阅图1所示，本申请第一实施方式提供一种纤维增强复合材料层间剪切性能测试的试样1，所述试样1为一体成型，大致呈条形扁平状，内部具有多个层叠设置的纤维铺层，试样1的厚度所在平面与所述纤维铺层所在平面大致平行；所述试样1的中心部位具有受力部10，所述试样1在长度方向上，两端分别具有第一夹持固定部11和第二夹持固定部12，所述第一夹持固定部11与所述受力部10之间具有第一衔接部13，所述第二夹持固定部12与所述受力部10之间具有第二衔接部14。
所述试样1通过第一夹持固定部11和第二夹持固定部12可以夹持固定在测试设备上，然后测试设备对试样1施加拉伸的力以进行拉伸测试，这个拉伸的力与试样1的厚度所在平面也是试样1中纤维铺层所在平面相平行，使得在测试过程的最后，试样1中心部位的受力部10会撕裂，与材料在一般实际使用过程中的自然撕裂相吻合，测试的准确性较好。
在一实施方式中，所述第一夹持固定部11和所述第二夹持固定部12均呈燕尾状。如此，更利于试样1在测试设备中的夹持固定。
在一实施方式中，所述第一衔接部13具有第一端与所述受力部10连接，具有第二端与所述第一夹持固定部11连接，所述第一衔接部13的宽度从所述第一衔接部13的第一端向第二端逐渐增大；所述第二衔接部14具有第一端与所述受力部10连接，具有第二端与所述第二夹持固定部12连接，所述第二衔接部14的宽度从所述第二衔接部14的第一端向第二端逐渐增大。如此，一方面利于试样1在测试设备中的夹持固定，一方面利于测试设备施加的力尽可能的向试样1中心部位的受力部10传导。
在一实施方式中，所述第一衔接部13与所述受力部10连接处具有第一凹槽15，所述第二衔接部14与所述受力部10连接处具有第二凹槽16；所述试样1在厚度方向上具有相对的第一面17和第二面18，所述第一凹槽15从所述第一面17向所述第二面18凹入，所述第二凹槽16从所述第二面18向所述第一面17凹入，所述试样1在长度方向上呈镜面对称，在宽度方向上呈翻转对称。如此，当测试设备通过试样1的两端施加拉伸的力进行测试，利于测试设备施加的力能够集中在试样1中心部位的受力部10。
在一实施方式中，所述第一凹槽15、所述第二凹槽16的深度均大于所述试样1的厚度的一半。如此，利于测试设备施加的力更加能够集中在试样1中心部位的受力部10的中心。
在一实施方式中，所述第一凹槽15的底部与所述第二凹槽16的底部之间的垂直距离，与一个或两个纤维铺层的厚度相当。如此，利于测试设备施加的力尽可能的集中在试样1中心部位的受力部10的中心的纤维铺层，使纤维铺层撕裂，更好的贴近纤维增强复合材料在一般实际使用过程中自然撕裂的状态。
所述试样1可以直接一体成型而制成；也可以先制成一条形扁平状的立方体原块，然后用金刚石刀具低速磨削将其制成上述形状，保证尺寸精度的同时避免材料损伤。本申请所述试样1的结构简单小巧，容易制作。
请参阅图2所示，本申请第二实施方式提供一种纤维增强复合材料层间剪切性能测试的夹具2，用于对试样1进行夹持固定以对试样1进行层间剪切性能测试，所述夹具2大致呈柱状，第一端外侧表面具有螺纹20，第二端外侧表面向内凹设有夹持固定槽21，所述夹持固定槽21的两侧设有销孔22，两侧销孔22的连线与所述夹持固定槽21的底面的垂直距离与试样1的厚度相当，所述销孔22与销轴23配合(请结合参阅图3所示)，将试样1固定于所述夹持固定槽21。
所述夹具2通过第一端的螺纹20，可以很容易的与测试设备配合，从而通过第二端的夹持固定槽21将试样1夹持固定进而将试样1固定在测试设备上，然后测试设备对试样1施加拉伸的力以进行拉伸测试，这个拉伸的力与试样1的厚度所在平面也是试样1中纤维铺层所在平面相平行，使得在测试过程的最后，试样1中心部位的受力部10会撕裂，与材料在一般实际使用过程中的自然撕裂相吻合，测试的准确性较好。而且，装配时的对中性也得到较好的保证，以确保测试的准确性。
在一实施方式中，所述夹持固定槽21呈燕尾状，与所述试样1的形状匹配。如此，更利于将试样1固定。
请参阅图3所示，本申请第三实施方式提供一种纤维增强复合材料层间剪切性能测试的方法，采用两个夹具2将试样1固定于力学性能试验机(未图示)，所述夹具2为如前所述的纤维增强复合材料层间剪切性能测试的夹具2，所述试样1为如前所述的纤维增强复合材料层间剪切性能测试的试样1，采用所述力学性能试验机对所述试样1进行拉伸测试。
所述力学性能试验机可采用MTS万能试验机，所述MTS万能试验机具有多种测试模式，本申请采用拉伸模式，即可对试样1进行拉伸测试。申请人对碳纤维增强陶瓷基复合材料(C/SiC)进行测试，获得载荷-位移曲线如图4所示。其中，从左往右具有三个拐点。测试设备的作用力刚施加时，试样1的位移并不明显，但载荷在持续快速上升，载荷-位移曲线的斜率较大。第一拐点K1，大约在载荷65N处，试样1的纤维铺层基体开始开裂，位移开始明显，载荷-位移曲线的斜率有明显的变小。第二拐点K2，大约在载荷110N处，试样1的纤维铺层开裂的界面产生剪切滑移，载荷-位移曲线出现载荷不变位移增加的水平段，然后马上载荷和位移同步增大，而且通过origin线性拟合得到第二拐点K2后的斜率(1.488KN/mm)大于第二拐点K2前的斜率(0.828KN/mm)，这与刘韡对C/SiC复合材料的层间剪切强度的加强作用研究中得到的载荷-位移曲线(如图5所示)相比变化较为一致。第三拐点K3，大约在载荷321N处，材料发生断崖式的分离破坏，未出现拉伸破坏时的若干二次峰值情况，主要是纤维剪切断裂时由于界面的破碎已经导致横向纤维脱粘拔出，丧失了桥接承载作用。且此时，即为拉伸测试的最大载荷，根据层间剪切强度公式(σt为层间剪切强度，Fmax为最大载荷，W和B分别受力部10的宽度和长度)计算得到层间剪切强度为11.46MPa，与董士博的研究测试结果16-18MPa、曹晓雨的研究测试结果5-8MPa、张程煜的研究测试结果18MPa同一数量级，具体数值的差异是各人测试方法中所采用的试样1的具体工艺略有差异而导致。所以，本申请所述纤维增强复合材料层间剪切性能测试的方法，完全可以用于对纤维增强复合材料层间剪切性能进行测试，且测试结果更准确。
在一实施方式中，本申请所述纤维增强复合材料层间剪切性能测试的方法，还包括预先对所述试样1进行高温氧化。试样1经高温氧化后，再使用本申请所述纤维增强复合材料层间剪切性能测试的方法进行拉伸测试，获得的测试结果也较准确，而且试样1断口平齐，无纤维脱粘，内部基体纹路明显，明显符合层间剪切断裂特征。
综上，本申请的有益效果是：本申请所述纤维增强复合材料层间剪切性能测试的试样、夹具、方法，通过夹具将试样夹持固定在测试设备上，然后测试设备对试样施加拉伸的力以进行拉伸测试，这个拉伸的力与试样的厚度所在平面也是试样中纤维铺层所在平面相平行，使得在测试过程的最后，试样中心部位的受力部10会撕裂，与材料在一般实际使用过程中的自然撕裂相吻合，测试的准确性较好。而且，试样的结构也很简单小巧，容易制作，夹具对试样的装配也很灵活便捷。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
以上对本申请实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (10)

1.一种纤维增强复合材料层间剪切性能测试的试样，其特征在于，所述试样为一体成型，大致呈条形扁平状，内部具有多个层叠设置的纤维铺层，试样的厚度所在平面与所述纤维铺层所在平面大致平行；所述试样的中心部位具有受力部，所述试样在长度方向上，两端分别具有第一夹持固定部和第二夹持固定部，所述第一夹持固定部与所述受力部之间具有第一衔接部，所述第二夹持固定部与所述受力部之间具有第二衔接部。
2.如权利要求1所述的纤维增强复合材料层间剪切性能测试的试样，其特征在于，所述第一夹持固定部和所述第二夹持固定部均呈燕尾状。
3.如权利要求1所述的纤维增强复合材料层间剪切性能测试的试样，其特征在于，所述第一衔接部具有第一端与所述受力部连接，具有第二端与所述第一夹持固定部连接，所述第一衔接部的宽度从所述第一衔接部的第一端向第二端逐渐增大；所述第二衔接部具有第一端与所述受力部连接，具有第二端与所述第二夹持固定部连接，所述第二衔接部的宽度从所述第二衔接部的第一端向第二端逐渐增大。
4.如权利要求3所述的纤维增强复合材料层间剪切性能测试的试样，其特征在于，所述第一衔接部与所述受力部连接处具有第一凹槽，所述第二衔接部与所述受力部连接处具有第二凹槽；所述试样在厚度方向上具有相对的第一面和第二面，所述第一凹槽从所述第一面向所述第二面凹入，所述第二凹槽从所述第二面向所述第一面凹入，所述试样在长度方向上呈镜面对称，在宽度方向上呈翻转对称。
5.如权利要求4所述的纤维增强复合材料层间剪切性能测试的试样，其特征在于，所述第一凹槽、所述第二凹槽的深度均大于所述试样的厚度的一半。
6.如权利要求4所述的纤维增强复合材料层间剪切性能测试的试样，其特征在于，所述第一凹槽的底部与所述第二凹槽的底部之间的垂直距离，与一个或两个纤维铺层的厚度相当。
7.一种纤维增强复合材料层间剪切性能测试的夹具，用于对试样进行夹持固定以对试样进行层间剪切性能测试，其特征在于，所述夹具大致呈柱状，第一端外侧表面具有螺纹，第二端外侧表面向内凹设有夹持固定槽，所述夹持固定槽的两侧设有销孔，两侧销孔的连线与所述夹持固定槽的底面的垂直距离与试样的厚度相当，所述销孔与销轴配合，将试样固定于所述夹持固定槽。
8.如权利要求7所述的纤维增强复合材料层间剪切性能测试的夹具，其特征在于，所述夹持固定槽呈燕尾状，与所述试样的形状匹配。
9.一种纤维增强复合材料层间剪切性能测试的方法，其特征在于，采用两个夹具将试样固定于力学性能试验机，所述夹具为如权利要求7或8所述的纤维增强复合材料层间剪切性能测试的夹具，所述试样为如权利要求1-6任意一项所述的纤维增强复合材料层间剪切性能测试的试样，采用所述力学性能试验机对所述试样进行拉伸测试。
10.如权利要求9所述的纤维增强复合材料层间剪切性能测试的方法，其特征在于，还包括预先对所述试样进行高温氧化。
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