复合材料层间断裂韧度测定与断面形貌分析

吴义韬

摘 要：分层是复合材料的一种常见破坏模式，分层与层间的断裂韧度有关。文章对工程复合材料T700/YPX3001的层间断裂韧度开展了研究，完成了不同加载模式比下层间断裂韧度的测定，并对不同加载模式比下的层间断裂形貌进行了分析。

关键词：复合材料；断裂；韧度

中图分类号：TB33 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）23-0017-02

引言

现代飞机发展趋势表明，先进复合材料在机体结构中的使用比重和应用部位已成为衡量飞机结构设计水平先进性的重要指标之一。虽然复合材料占飞机结构比重越来越高，但工程师们对复合材料的使用还相当保守，复合材料的优异性能尚未得到尽情展现。这归根结底主要是对复合材料的破坏机理研究还不够深入。

分层是复合材料的一种典型破坏模式，有I型、II型、III型以及混合型开裂模式。是否分层与层间断裂韧度大小有关。复合材料层间断裂韧度大小随层间加载模式比的变化而不同。本文开展了复合材料T700/YPX3001的层间断裂韧度性能研究，完成了不同加载模式比下的层间断裂韧度试验，对层间断裂形貌进行了分析。

1 断裂韧度测定方法

根据ASTM D5528-01试验标准[1]，I型层间断裂韧度GIc

采用双悬臂梁（DCB）试验测定。DCB试件采用复合材料单向层合板制成，其一端的中面置入无粘着力的嵌入物，模拟层间起始分层。Hashemi等[2]建立了I型断裂韧度的解析表达式：

对II型层间断裂韧度GIIc的测定，目前还没有实现标准化，通常采用端边切口弯曲（ENF）试验方法测定。ENF试验件与DCB试验件几何形状相同，在试件一端的中面置入无粘着力的嵌入物，模拟层間起始分层。根据工程梁理论，II型断裂韧度的解析表达式：

式中，Pg为加载杠杆和附着件的合重量；cg为杠杆和附着件的重心到跨距中点的距离。

2 试验及结果分析

2.1 试验设计

试件材料为T700/YPX-3001，铺层为[0]32。名义单层厚度0.143mm。固化前，通过预先埋置薄膜（聚四氟乙烯）来预制层间初始裂纹。裂纹尖端到右支点距离为30mm，ENF和MMB试验中两支点跨距为100mm。

试验均在MTS370电液伺服试验机上进行，采用位移加载，加载速率为0.5mm/min。DCB试验、ENF试验和MMB试验装置如图1。在ENF试验中，为了避免在已开裂的上、下接触面之间出现摩擦，试验前在开裂端的中面处插入了一根大头针。为了消除因试验装置间隙引起的额外系统柔度，试验前对每个试件都进行了预加载和卸载处理。

试件总数为60件，预先设定了8种加载模式比（βII=GII/GT），每种模式比用了7个试件，剩余4个作为备用试件。

2.2 试验结果

计算得到对应各混合模式比的c值。

试验获得了施加在铰链上的临界载荷Pc，采用公式（1）（3）（4）计算得到了不同混合模式比下的断裂韧度Gc。经统计分析，断裂韧度随着II型模式占比的逐渐增大而增大；纯I型模式下，断裂韧度最小，纯II型模式下，断裂韧度最大。不同加载模式比下断裂韧度分散性大，这与界面粘结强度、试件厚度等因素的分散性大有关。

2.3 断面形貌

图2为3种不同加载模式比下层间断面的三维电子显微图。图像显示，纯I型模式下，断裂面上纤维间凹槽清晰，且整齐一致，基本看不到零散的基体层片，该凹槽由上层纤维从树脂中整齐拔出所致；随着II型模式占比的增加，断裂面上纤维间凹槽变得越来越模糊和平坦，且纤维间出现了很多凸起的基体层片；在纯II型模式下，凸起的基体层片数量最多，且排列成有规律的羽梳状特征，层片倾斜方向与层间裂纹的扩展方向相一致。另外，断面形貌与断裂面上主控分层的载荷形式密切相关，纯I型模式下法向拉伸应力主控分层，纤维容易从层间树脂中剥离出来；纯II型模式下层间剪切应力主控分层，纤维不容易从树脂中拔出，层间断面上留下明显的剪切特征。

3 结论

完成了不同加载模式比下T700/YPX3001复合材料的层间断裂韧度研究，结果表明断裂韧度值随着II型模式占比的增大而逐渐增大，随着II型模式占比的增加，层间断裂面上纤维间凹槽变得越来越模糊和平坦，且纤维间凸起的基体层片排列逐渐呈羽梳状特征；断面形貌特征与断裂面上主控分层的载荷形式密切相关。

参考文献：

[1]ASTM. Standard test method for Mode I interlaminar fracture toughness of unidirectional fiber reinforced polymer matrix composites[S].1994.