复合材料织物层合板层间剪切性能研究

梁春生

摘 要：纤维增强复合材料的层间剪切性能是其基本性能之一，是复合材料设计中必须考虑的重要问题。而复合材料固化工艺和条件是影响复合材料性能的重要因素，因此，文章对不同固化条件下复合材料织物层合板层间剪切性能进行了研究。考察了在相同温度变化周期条件下，分别使用热压罐和热补仪进行层合板固化所得到的复合材料层合板的层间剪切性能。基于ASTM D5379试验标准，开展了相关试验，结果表明：采用热压罐进行固化所得到的层合板，其层间剪切强度及刚度都要优于采用热补仪固化的层合板。

关键词：复合材料层合板；固化过程；层间剪切；热压罐；热补仪

纤维增强复合材料是20世纪60年代中期发展起来的一种新型材料，因其具有比强度高、比刚度高和可设计性强等其他材料无法比拟的优点[1-2]，在航天和航空等国防领域得到越来越广泛的应用。为了有效利用复合材料的性能优势，充分发挥其潜能，要求对复合材料力学性能进行深入细致的研究。

纤维增强复合材料的层间剪切性能是其基本性能之一，与拉伸和压缩这些基本性能相比，剪切性能的分析难度更大[3]。按照经典层合板理论，一般多向层合板中各铺层均按平面应力状态进行分析，不考虑垂直铺层面的应力和垂直剪切应力（即层间应力）。这在复合材料设计的许多情况下是合适的。然而，在不少情况下层间应力是不可忽视的。例如，平板或梁在横向载荷作用下，将在横截面内产生剪应力，按照剪应力互等定律，也即构成层间剪应力。由于层合板复合材料抵抗层间应力的能力与基体强度同量级，故层间应力的存在很容易导致层间的分层破坏，而层间分层将会严重降低层合板的刚度和强度。所以，层间应力和层间强度等层间问题是复合材料设计中必须考虑的重要问题[4-5]。

目前，国内外作为层合板层间剪切强度测试标准的试验方法主要有短梁法、V型槽短梁法、品字梁法和双切口拉伸/压缩法[6-8]。本文将采用V型槽短梁法对不同固化工艺下层合板的层间剪切性能进行试验，研究使用热压罐或热补仪进行固化对层合板层间剪切刚度及强度的影响。

1 试验

1.1 试验件固化过程及设计

试验件的材料采用Cytec公司的碳纤维织物增强树脂复合材料T300/CYCOM 970，其中T300為碳纤维织物，CYCOM 970为一种环氧树脂。实验中所采用的层合板按照ASTM D5379[9]中的规格进行设计，其铺层顺序为（0）304，分别采用热压罐和热补仪进行固化，得到两种类型试验件，这里分别称作I型和II型。两种类型试验件在热压罐和热补仪中的固化温度变化周期相同，如图1所示。

将固化完成后的层合板按图2所示进行设计加工，得到标准的试验件，试验件的规格为76×20×2，每种类型准备四块试件。加强片分别在常温下固化24h，60℃下固化2h，82℃下固化1h。

1.2 试验过程

图3为层间剪切试验装置，夹具两头紧紧夹住试件，并在试件V型缺口截面上沿载荷方向产生纯剪力。在V型缺口连线上放置应变片测量剪切力作用下，试件V型截面剪应变的变化，应变片位置见图4。

试验过程中，将试验件夹持到位后，对应变片执行平衡、清零操作，载荷和位移清零后，开始进行试验；按1mm/min的速度施加载荷，直至发生破坏。试验过程中采集载荷、位移、应变等数据，记录试验件的破坏模式。

1.3 数据处理

试验可以得到试件的载荷-位移曲线和应变-时间曲线，进一步处理可以得到相应的切应力-切应变曲线。根据下列公式，可以得到试件的极限剪切强度和剪切模量。

2 试验结果及讨论

图5分别为I型试件和II型试件的载荷位移曲线，载荷与位移基本呈线性关系。明显看出，I型试件的层间剪切极限载荷远大于II型试件的极限载荷。由试件的极限载荷及缺口处的截面积，可以得到每个试件的剪切强度。数据经过处理可得，I型试件的平均层间剪切强度为40.48MPa，离散系数为9.3%；II型试件的平均层间剪切强度为30.48MPa，离散系数为10.1%。数据的稳定性较好，I型试件平均层间剪切强度较II型试件高出25%。

图6给出所有试件的破坏模式，可以看出，I型试件的一致性较好，基本都是沿着V型口开裂；II型试件一致性稍差，部分试件并未沿着V型口裂开，这在一定程度上影响数据的稳定性，因此，无论是从强度离散系数分析还是从刚度离散系数分析，I型试件都要优于II型试件。

图7给出了两种类型试件的典型切应力-切应变曲线，由曲线的斜率可以得到各试件的层间剪切模量（见表1）。结果表明，I型试件的平均层间剪切模量达到了3.42GPa，离散系数为1.2%；II型试件的平均层间剪切模量为2.36GPa，离散系数为4.0%；I型试件的剪切模量较II型试件高出31%。

3 结束语

通过V型槽短梁法分别对热压罐和热补仪固化条件下的层合板进行了层间剪切刚度及强度试验。结果表明，在相同的固化温度周期下，采用热压罐进行压制的层合板，其层间剪切强度和刚度都要优于采用热补仪进行压制的层合板，分别高于25%和31%。因此，在对层间剪切性能要求较高的场合，优先采用热压罐进行层合板的固化。

参考文献

[1]Maneenut C， Sakoolnamarka R， Tyas M J. The repair potential of resin composite materials[J]. Dental Materials Official Publication of the Academy of Dental Materials， 2011， 27（2）：e20-e27. DOI： 10.1016/j.dental.2010.09.006.

[2]Christensen， R. M， McCoy， J. J. Mechanics of Composite Materials[M]// Mechanics of composite materials ：. Pergamon Press， 1970：229-230.

[3]航空航天工業部科学技术研究院.复合材料设计手册[M].航空工业出版社，1990.

[4]Hao W F， Guo G P， Chen X W， et al. CHARACTERIZATION OF INTERLAMINATE SHEAR PROPERTIES FOR COMPOSITE MATERIALS USING DIGITAL IMAGE CORRELATION[J]. Fiber Reinforced Plastics/composites， 2016.

[5]Liu P， Guan Q， Gu A， et al. Interface and its effect on the interlaminate shear strength of novel glass fiber/hyperbranched polysiloxane modified maleimide-triazine resin composites[J]. Applied Surface Science， 2011， 258（1）：572-579.

[6]ASTM D2344-84 （1995）： Standard Test Method for Apparent Interlaminar Shear Strength ofParallel Fiber Composites by Short-Beam Method[Z].

[7]Lauke B， Beckert W， Schneider K. Interlaminar shear strength evaluation of curved composite samples[J]. Applied Composite Materials，1994，1（4）：267-271.

[8]Wang R， Shindo Y， Horiguchi K， et al. Double-Notch Interlaminar Shear Strength of G-10CR Glass-Cloth/Epoxy Laminates at Cryogenic Temperatures.[J]. Teion Kogaku， 1997， 32（1）：18-24.

[9]ASTM Standard D 5379 /D 5379M，Standard Test Method for Shear Properties of Composite Materials by the V-notched Beam Method[Z].