CCF300/BA9916层合板在湿度环境下的剪切性能试验研究

李晓宇，王佩艳

(1.西安航空职业技术学院， 西安 710089; 2.西北工业大学 力学与土木建筑学院， 西安 710129)

CCF300/BA9916层合板在湿度环境下的剪切性能试验研究

李晓宇1，王佩艳2

(1.西安航空职业技术学院， 西安 710089; 2.西北工业大学 力学与土木建筑学院， 西安 710129)

针对一种新型复合材料CCF300/BA9916-Ⅱ在低温、室温和高温湿态下面内剪切性能进行研究，得到了不同温度对CCF300/BA9916-Ⅱ型复合材料面内剪切性能的影响规律以及产生变化的原因。研究结果表明：与室温相比，低温下复合材料的剪切强度增加了4.09%，剪切模量降低了18.01%；高温湿态下复合材料层合板的剪切强度降低了25.32%，剪切模量降低了20.12%。复合材料在室温下的面内剪切模量和离散系均优于另外2种温度，实验结果显示温度对该新型复合材料层合板的剪切性能有显著的影响。

复合材料；剪切；温度；湿度；离散

用复合材料代替金属材料制造飞机的零部件可使飞机质量减少25%～50%，既可以增加飞机的运载能力、提高机动性能、加大航程，又可以减少燃油或者推进剂的消耗[1]。但飞机在服役过程中往往会经受复杂的气候环境，包括高温、低温、盐雾和湿态等环境，在这样的环境下复合材料会发生一定的老化[2-4]，导致材料力学性能下降。只有掌握了不同环境下复合材料的力学性能的变化规律，才能为飞机的设计、使用以及维修提供理论指导。国外一些学者用Iosipescu剪切法和偏轴拉伸法测试了一种松木的剪切强度，并得出了2种方法的各自优点[5-6]。国内一些学者通过玻璃布/环氧层压板低温剪切力学性能的研究，发现纤维和基体的相互作用使复合材料具有良好的力学性能[7]。一些学者在不同温度和湿度下进行复合材料材料的力学性能实验[8-9]，研究了湿热下材料的老化对复合材料力学性能的影响，即材料基体性能降低，导致材料剪切强度的下降[10-11]。以上研究说明在不同环境下对复合材料的力学性能进行研究是很有必要的。本文主要研究了一种新型复合材料层合板CCF300/BA9916-Ⅱ在不同温度和湿态下的剪切强度，分析了材料的剪切强度随温度变化的规律以及复合材料层合板的破坏机理，得到了材料剪切强度和剪切模量在不同温度下的曲线分布，为该新型复合材料层合板的工程实际应用提供了可靠的试验依据。

1 试验

1.1 试验仪器以及试验材料

采用长春试验机研究所的CSS-88100 电子万能试验机进行加载，并在重庆五环试验仪器有限公司生产的MT7006L型环境箱放置试件，环境箱的使用范围为-70 ℃～150 ℃。试验中使用CCF300/BA9916-Ⅱ型复合材料层合板试件。该复合材料层合板为某型飞机武器舱门的主要部件，采用热压罐成型工艺，对称铺层，铺层角度为[45/0/-45/90/45/02/-45/90]s。在低温、室温和高温湿态3种不同温度下进行剪切强度试验，每组实验有5个相同试验件，低温为-55 ℃，高温为75 ℃，高温湿态的试件为吸湿试验完成的试件，材料的吸湿率为95%。对于面内剪切强度试验，采用Isoipescu剪切试验方法，在装夹试件时注意试件的对称性。试验夹具以及环境箱见图1。

图1 实验环境箱和夹具图

1.2 试验方法

在试验件的相应位置粘贴[-45°/+45°]电阻应变片，具体贴片见图2。

图2 电阻应变片的贴片

试验中剪切强度的计算公式为[12]

(1)

剪切模量的计算公式为[12]

(2)

其中：Pa为外载荷；w为v槽根部间的距离；h为试件的厚度；ΔP为载荷增量；ε45为45°方向应变；ε-45为-45°方向的应变。试件尺寸见表1。

表1 试件尺寸

2 试验结果

通过在室温和高温湿态条件下进行复合材料层合板的剪切试验，得到试件剪切破坏的断口图，如图3所示。

从图3(a)和(b)中可以看出：在室温和高温湿态条件下复合材料层合板的断口破坏图基本一致，都是首先在V型槽底部出现应力集中然后沿45°方向出现剪切破坏，破坏过程伴随着纤维的脱胶和拔出，并且缺口出现严重的变形。

图3 试件破坏以及断口图

通过对不同温度的复合材料的剪切试验结果分析得到载荷-温度、剪切-温度和剪切模与温度的直方图(图4)，其中试件1～5是每组试验的5个试件。

图4 试验直方图

从图4(a)和(b)可以看出：相同温度下试件的破坏载荷和剪切强度的直方图基本一致，而不同温度的载荷以及剪切强度差异很明显。相比室温，低温下复合材料层合板的破坏载荷平均增加了5.78%，剪切强度平均增加了4.09%，这主要是由于加工工艺限制而产生的各种气体和水分在低温下固化，使复合材料层合板的界面结合更加紧致，载荷可以充分通过界面在纤维和基体间进行很好的传递，能量的消耗可以通过界面充分扩散，使得纤维脱胶和纤维拔出的阻力系数增大。因此，在低温下必须通过增加载荷才能造成界面的脱胶、分层以及基体的损伤和纤维的断裂，从而导致低温下复合材料层合板的破坏载荷和剪切强度增加。高温湿态下复合材料层合板的破坏载荷平均降低了25.36%，剪切强度平均降低了25.32%，出现较大幅度的降低。主要是由于吸附的水对基体产生了增塑作用，使纤维和基体的界面结合能力下降，并且吸附水产生的局部膨胀应力也会引起基体损伤，使基体与纤维界面脱胶，界面结合松弛，从而导致复合材料层合板在高温湿态下的破坏载荷和剪切强度下降。从图4(c)中可以计算出复合材料层合板的剪切模量在低温的离散系数为10.38%，室温下的离散系数为6.68%，高温湿态的离散系数为8.07%。3种温度下的离散系数都在10%左右，表明复合材料层合板存在分散性但是表现不明显，并且随温度的升高复合材材料的剪切模量先增后减，说明室温下的材料剪切性能优于低温和高温湿态。

不同温度下同组试验的5个试件载荷-位移曲线见图5。

由于复合材料层合板相同温度下位移-载荷曲线基本一致，力学性能稳定，因此可以取载荷-位移曲线和应力-应变曲线均值进行图形的拟合，见图6。

由图6(a)的载荷位移曲线可以看出：复合材料层合板在低温下曲线斜率较明显，室温和高温湿态下，随着载荷增加复合材料层合板逐渐损伤，在达到极限载荷后破坏。

从图6(b)可以看出面内剪切实验试件可以分为2个阶段。破坏的线性阶段，基体和基体/纤维界面剪切破坏的非线性阶段。由于面内剪切强度实验中材料纤维方向和载荷方向不一致，并且上下相邻复合材料层的铺成角度和纤维方向也不一致。随着载荷不断增大，上下表层变形不协调，首先出现某一复合材料子层平行纤维束之间的断裂，此时线性阶段结束，进入由基体和界面剪切强度控制，沿纤维方向相对滑动阶段，直至最后的破坏。还可以从图6(b)看出：高温湿态下复合材料层合板的剪切破坏应变小于低温和室温，这主要是由于材料吸湿后基体增塑，降低了界面粘接强度，增塑后的基体破坏载荷降低，载荷主要由纤维承受，加快了材料断裂速度。低温下界面结合紧致，基体和纤维充分承担载荷，因此剪切破坏时应变较大。总的来说，随温度的增加材料的剪切模量先增加后降低。这主要是低温应变比室温大，而剪切强度相差不多，因此低温模量低于室温。而高温湿态应变虽然小，但是剪切强度远小于室温剪切强度，整体模量低于室温。

图5 不同温度的载荷位移曲线

图6 载荷-位移和应力-应变均值曲线

3 结论

1) 复合材料层合板在相同环境下试件的破坏载荷、剪切强度直方图很好地吻合，说明实验结果具有一定的可靠性。

2) 复合材料层合板的剪切模量在低温的离散系数为10.38%；室温下的离散系数为6.68%；高温湿态的离散系数为8.07%。3种温度下的离散系数都在10%左右，表明复合材料层合板存在分散性但是表现不明显，说明该复合材料层合板的剪切性能很稳定。

3) 低温下界面结合紧致，载荷可以充分通过界面在纤维和基体间进行传递，使得纤维脱胶和纤维拔出的阻力系数增大。因此，必须通过增加载荷才能造成界面的脱胶、分层、基体的损伤和纤维的断裂。而高温湿态下吸附的水对基体产生了增塑作用，并且吸附水产生的局部膨胀应力并引起基体损伤，使基体与纤维界面脱胶，从而导致复合材料在高温湿态中的剪切强度下降。

4) 相比室温，低温下材料的破坏载荷增加了5.78%，剪切强度增加了4.09%，模量降低了18.01%；而高温湿态下材料破坏载荷降低了25.36%，剪切强度降低了25.32%，剪切模量降低了20.12%。总的来看，剪切模量随温度的增加先增加后降低。综合分析该复合材料层合板在不同温度的剪切试验结果，表明温度对材料的剪切性能具有显著影响，在室温下材料的剪切性能优于低温和高温湿态，室温下材料可以最大限度地发挥其剪切性能。

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(责任编辑 何杰玲)

Shear Properties of a New Composite Laminated Plate CCF300/BA9916 at Different Moist Environmental

LI Xiaoyu1, WANG Peiyan2

(1.Xi’an Aeronautical Polytechnic Institute, Xi’an 710089, China; 2.School of Mechanics and Civil & Architecture, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710129, China)

Shear properties of a new type of composite laminated plate CCF300/BA9916-Ⅱ were studied at low temperature, room temperature and in high moist environment. The effect rules and variation reason for the properties of these composites at different temperatures were discussed, and the reasons for the variations of shear property of these composites at different temperatures were also analyzed. Test results show that compared with the shear properties at room temperature, at low temperature, the shear strength increases by 4.09% and the shear modulus decreases by 18.01%; in high moist environment, the shear strength decreases by 25.32% and the shear modulus decreases by 20.12%. At room temperature, the in-plane shear property and discrete coefficient of composite laminated plate both are better than the other two temperatures. It can conclude that temperature is of great importance to the shear property of this new composite.

composites; shear; temperature; moist environment; discrete

2017-03-31 基金项目：西北工业大学基础研究基金资助项目(JC2011025)

李晓宇(1983—)，男，硕士研究生，主要从事先进复合材料的力学行为研究，E-mail:115553448@qq.com。

李晓宇，王佩艳.CCF300/BA9916层合板在湿度环境下的剪切性能试验研究[J].重庆理工大学学报(自然科学)，2017(8):98-102.

format：LI Xiaoyu, WANG Peiyan.Shear Properties of a New Composite Laminated Plate CCF300/BA9916 at Different Moist Environmental[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(8):98-102.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.08.016

TB332

A

1674-8425(2017)08-0098-05