纖維增強(qiáng)復(fù)合材料 單向增強(qiáng)材料Ⅰ型-Ⅱ 型混合層間斷裂韌性的測定 征求意見稿

纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料單向增強(qiáng)材料Ⅰ型-Ⅱ型混合層間斷裂韌性的測定本文件描述了使用混合模式彎曲（MMB）試驗(yàn)測定單向纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料I型-II型混合層間斷裂韌性的方法。本文件適用于單向纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料層合板。2規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。GB/TJC/T287纖維增強(qiáng)塑料性能試驗(yàn)方法總則纖維增強(qiáng)塑料空隙含量試驗(yàn)方法3術(shù)語和定義下列術(shù)語和定義適用于本文件。3.1I型裂紋張開模式modeIcrackopeningmode由垂直施加于試樣分層面的載荷引起的裂紋開裂，且試樣分層面相對不發(fā)生滑動(dòng)的斷裂模式。3.2II型裂紋滑動(dòng)模式modeIIcrackslidingmode由平行施加于試樣分層面的載荷引起的相對滑動(dòng)斷裂模式，且不發(fā)生I型裂紋張開模式。3.3I型-II型混合模式modeI-modeIImixedmode由垂直和平行同時(shí)施加于試樣分層面的載荷引起的裂紋開裂和相對滑動(dòng)的模式。注：簡稱“混合模式”。3.4I型-II型總應(yīng)變能釋放率modeI-modeIItotalstrainenergyreleaserateG在I型-II型混合模式下，由載荷引起的恒定位移裂紋擴(kuò)展過程中，試樣單位寬度的應(yīng)變能損失與對應(yīng)的裂紋長度增加值的比值變化率。3.5I型應(yīng)變能釋放率modeIstrainenergyreleaserateGI在I型-II型混合模式下，由載荷引起的恒定位移裂紋擴(kuò)展過程中，I型模式引起的試樣單位寬度的應(yīng)變能損失與對應(yīng)的裂紋長度增加值的比值變化率。3.6II型應(yīng)變能釋放率modeIIstrainenergyreleaserateGII在I型-II型混合模式下，由載荷引起的恒定位移裂紋擴(kuò)展過程中，II型模式引起的試樣單位寬度的應(yīng)變能損失與對應(yīng)的裂紋長度增加值的比值變化率。3.7II型模式混合比modeIImixed-moderatioGII/GII型應(yīng)變能釋放率與I型-II型總應(yīng)變能釋放率的比值。3.8I型-II型模式混合比modeI-modeIImixed-moderatioGI/GIII型應(yīng)變能釋放率與II型應(yīng)變能釋放率的比值。3.9混合模式斷裂韌性mixed-modefracturetoughnessGc混合模式下裂紋增長的I型-II型總應(yīng)變能釋放率G的臨界值。4符號下列符號適用于本文件。a——分層長度，單位為毫米（mmao——初始分層長度，單位為毫米（mma1-25——分層擴(kuò)展長度，單位為毫米（mmb——試樣寬度，單位為毫米（mmbcal——校準(zhǔn)試樣寬度，單位為毫米（mmC——柔度，單位為毫米每牛頓（mm/N計(jì)算如公式（1C=δ/P………………（1）Ccal——校準(zhǔn)試樣柔度，單位為毫米每牛頓（mm/NCsys——MMB試驗(yàn)裝置的柔度，單位為毫米每牛頓（mm/Nc——MMB試驗(yàn)夾具的杠桿臂長度，單位為毫米（mmcg——杠桿臂到重心的長度，單位為毫米（mmEcal——校準(zhǔn)試樣模量，單位為兆帕（MPaE1f——平行于纖維方向的彎曲彈性模量，單位為兆帕（MPa方向見圖1；E11——平行于纖維方向的拉伸彈性模量，單位為兆帕（MPa方向見圖1；E22——垂直于纖維方向的拉伸彈性模量，單位為兆帕（MPa方向見圖1；G——I型-II型總應(yīng)變能釋放率，單位為千焦每平方米（kJ/m2Gc——混合模式斷裂韌性，單位為千焦每平方米（kJ/m2Gc-est——混合模式斷裂韌性的估計(jì)值，單位為千焦每平方米（kJ/m2GⅠ——I型應(yīng)變能釋放率，單位為千焦每平方米（kJ/m2GⅡ——II型應(yīng)變能釋放率，單位為千焦每平方米（kJ/m2GⅡ/G——II型模式混合比；3G13——13方向的剪切模量，單位為兆帕（MPa方向見圖1；G12——12方向的剪切模量，單位為兆帕（MPa方向見圖1；h——試樣厚度的1/2，單位為毫米（mmL——MMB試驗(yàn)裝置的跨距的1/2，單位為毫米（mmm——載荷-位移曲線的斜率，單位為牛頓每毫米（N/mmmcal——校準(zhǔn)試驗(yàn)的載荷-位移曲線的斜率，單位為牛頓每毫米（N/mmn——試樣數(shù)量；P——施加的載荷值，單位為牛頓（NPest——載荷的估計(jì)值，單位為牛頓（NPg——杠桿和附屬裝置的重量，單位為牛頓（NPNL——載荷-位移曲線非線性點(diǎn)處的載荷值，單位為牛頓（NPtab——琴式鉸鏈或加載塊的載荷估計(jì)值，單位為牛頓（NPvis——可見裂紋增長時(shí)的載荷值，單位為牛頓（NP5%/max——載荷-位移曲線的5%或最大值處的載荷值，單位為牛頓（Nα——設(shè)定杠桿臂長度的混合模式變換參數(shù)；β——設(shè)定杠桿臂長度的混合模式裂紋長度無量綱校正參數(shù)；χ——裂紋長度校正參數(shù)，計(jì)算如公式（2……δ——載荷點(diǎn)撓度，單位為毫米（mmδest——載荷點(diǎn)撓度的估計(jì)值，單位為毫米（mmδmax——最大載荷點(diǎn)的撓度，單位為毫米（mmΓ——垂直于纖維方向模量校正參數(shù)，計(jì)算如公式（3Γ=1.18………………圖1單向纖維復(fù)合材料層合板5原理采用混合模式彎曲（MMB）試驗(yàn)的方法來測定合材料層合板在I型拉伸載荷和II型剪切載6儀器設(shè)備6.1試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)機(jī)應(yīng)符合GB/T1446的要求，能夠提供0.5mm/min~5.0mm/min的恒定加載速率，且載荷相對誤差不超過±1%。6.2試驗(yàn)裝置試驗(yàn)機(jī)應(yīng)配備能將載荷傳遞到琴式鉸鏈或加載塊的夾具，應(yīng)保證試樣的預(yù)制裂紋端部能夠靈活轉(zhuǎn)動(dòng)。MMB試驗(yàn)裝置應(yīng)采用輕質(zhì)材料，如鋁，如圖1所示，L為50mm。載荷加載方向應(yīng)垂直于試驗(yàn)裝置，施加載荷過程中應(yīng)保持最小的摩擦滑動(dòng)。琴式鉸鏈或加載塊的寬度應(yīng)與試樣寬度一致，加載塊可通過滾珠軸承與試驗(yàn)裝置連接實(shí)現(xiàn)載荷加載。a)b)c)圖1MMB試驗(yàn)裝置示意圖6.3顯微鏡顯微鏡用于測量分層長度，放大倍數(shù)不大于70倍，讀數(shù)精度至少為±0.5mm，也可采用等效放大裝置。6.4尺寸測量裝置千分尺用于測量試樣厚度，精度為不低于0.02mm。測量時(shí)，千分尺應(yīng)具有能與試樣的被測表面匹配的接觸面（如平面對平面、拋光的表面，半球面對不規(guī)則的表面）。游標(biāo)卡尺用于測量試樣寬度，精度不低于0.02mm。鋼直尺或等效量具，精度不低于1mm，用于測量試樣的長度和裂紋擴(kuò)展的長度。7試樣7.1試板制備應(yīng)采用偶數(shù)層的單一方向鋪層，鋪疊時(shí)應(yīng)將無粘性薄膜嵌入層合板的厚度中心處。無粘性薄膜長度為40mm~75mm，包括初始分層長度（24mm~30mm）和琴式鉸鏈或加載塊所需要的長度。無粘性薄膜厚度不應(yīng)超過13μm。對于固化溫度不超過177°C的復(fù)合材料，宜采用聚四氟乙烯(PTFE)薄膜。固化溫度高于177°C的下復(fù)合材料，宜使用聚酰亞胺薄膜。如使用聚酰亞胺薄膜，薄膜應(yīng)在插入層合板之前涂漆或噴涂脫模劑。7.2試樣制備試樣由試板經(jīng)機(jī)械加工得到，見圖2。6圖2試樣7.3試樣尺寸如圖2所示，試樣的總長度為140mm，寬度為20mm~25mm（包括端部厚度為3mm~5mm，單個(gè)試樣的厚度與該組試樣平均值的偏差不應(yīng)超過0.1mm。注：若要避免較大的位移，則需要增加試樣厚度，公式（4）和公式（5）可用于選擇試樣厚度以實(shí)現(xiàn)允許的施加δest=4(3c?L)2(a+?x)3+(c+L)2(2L3+3(a+0.42?x)3)·.....................(4)Pest= Gstb2E11?3L2(3c?L)2(a+?x)2+(c+L)2(a+0.42?x)27.4試樣數(shù)量試樣的有效數(shù)量至少為5個(gè)。7.5琴式鉸鏈或加載塊的粘接7.5.1琴式鉸鏈或加載塊尺寸琴式鉸鏈或加載塊應(yīng)由模量大于60000MPa的金屬制成，并且能夠承受所施加的載荷，不會(huì)在寬度方向上造成損壞。琴式鉸鏈或加載塊的寬度至少應(yīng)與試樣的寬度相同。7.5.2粘接琴式鉸鏈或加載塊粘接琴式鉸鏈或加載塊的加載點(diǎn)到無粘性薄膜末端的距離應(yīng)為0.45L～(L—3h)。在粘接琴式鉸鏈或加載塊前，應(yīng)清潔琴式鉸鏈或加載塊和試樣的粘合面，如發(fā)生脫粘，或有物理證據(jù)表明在粘合失敗時(shí)開始分層，或在重新加載時(shí)觀察到柔度增加，則不應(yīng)繼續(xù)使用試樣。琴式鉸鏈或加載塊可通過粘合或機(jī)械連接。載荷傳遞區(qū)域應(yīng)控制在沿載荷中心朝向分層尖端延伸3mm范圍內(nèi)，加載軸的中心應(yīng)在試樣厚度中心所在水平面的4mm范圍內(nèi)。琴式鉸鏈或加載塊的載荷估計(jì)值，可通過E11和Gc進(jìn)行估算，見公式（6）。7.5.3表面處理粘合表面可噴砂或用砂紙打磨，然后用揮發(fā)性溶劑擦拭干凈，如丙酮或甲乙酮（MEK）。7.5.4粘接應(yīng)在表面處理后立即進(jìn)行粘接，宜使用室溫固化的膠黏劑?？稍谀z黏劑中加入玻璃珠或使用其他形式進(jìn)行厚度控制，粘接厚度應(yīng)均勻一致。琴式鉸鏈或加載塊應(yīng)與試樣平行且相互對齊。8試驗(yàn)環(huán)境條件7溫度23±2）℃,相對濕度50±10）%。9試驗(yàn)步驟9.1對試樣進(jìn)行外觀檢查，如有不符合要求的應(yīng)予以作廢。試驗(yàn)前，應(yīng)按JC/T287的規(guī)定測試試樣的纖維體積分?jǐn)?shù)和空隙率。9.2試樣狀態(tài)調(diào)節(jié)應(yīng)按GB/T1446的規(guī)定。9.3將試樣進(jìn)行編號，測量任意三處的寬度和厚度，取算術(shù)平均值。9.4對試樣的無粘性薄膜末端進(jìn)行標(biāo)記，然后沿著試樣邊緣每間隔5mm做標(biāo)記，并延伸到無粘性薄膜末端25mm處。另外，在開始的5mm處每隔1mm做標(biāo)記。宜用水溶性的淺色涂改液對試樣兩側(cè)邊進(jìn)行標(biāo)記。9.5確認(rèn)II型模式混合比GⅡ/G，按公式（7）～公式（9）設(shè)置MMB試驗(yàn)裝置的杠桿臂長度。9.6如果使用橫梁位移作為加載點(diǎn)位移，且未對當(dāng)前杠桿長度確定MMB試驗(yàn)裝置的柔度時(shí)，應(yīng)校準(zhǔn)MMB試驗(yàn)裝置柔度。校準(zhǔn)程序見附錄A。9.7將試樣安裝在MMB試驗(yàn)裝置中，應(yīng)居中對齊，間隙不應(yīng)超過0.05mm。9.8將顯微鏡設(shè)置在裂紋擴(kuò)展的位置。9.9以0.5mm/min的恒定速率對試樣進(jìn)行加載，并記錄載荷-位移曲線。9.10加載期間，在試樣邊緣目測到分層起始時(shí)（VIS在載荷-位移曲線上標(biāo)注此點(diǎn)，或記錄載荷-位移的數(shù)據(jù)值。9.11當(dāng)裂紋擴(kuò)展超過最后一個(gè)標(biāo)記或裂紋長度為（L—3h）時(shí)，以25mm/min的恒定速率卸載試樣，并停止試驗(yàn)。9.12試驗(yàn)完成后，移除MMB試驗(yàn)裝置上的試樣，沿裂紋楔開試樣。取試樣的一半，測量從琴式鉸鏈或加載塊的鉸銷中心線到試樣無粘性薄膜末端的距離，測量3次，取算術(shù)平均值，即為初始分層長9.13出現(xiàn)下列情況之一時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果無效，應(yīng)在報(bào)告中注明：a）無粘性薄膜出現(xiàn)撕裂，褶皺或不規(guī)則形狀；b）試樣兩側(cè)邊從裂紋擴(kuò)展線到無粘性薄膜末端的距離差值超過2mm。10結(jié)果計(jì)算10.1NL點(diǎn)、5%/max點(diǎn)和VIS點(diǎn)的選取10.1.1沿載荷-位移曲線的初始直線部分繪制第一條直線，該直線的斜率即為載荷-位移曲線的初始線性段斜率（m）[如圖3a）所示]，忽略載荷-位移曲線前20%出現(xiàn)的非線性點(diǎn)。第一條直線與載荷-位移曲線的偏離點(diǎn)標(biāo)記為NL點(diǎn)。對應(yīng)載荷值為PNL。10.1.2在零載荷處，將斜率減小5%繪制第二條直線。第二條直線與載荷-位移曲線的交點(diǎn)，出現(xiàn)在最大載荷點(diǎn)之前，則標(biāo)記為5%/max點(diǎn)，反之則將最大載荷點(diǎn)標(biāo)記為5%/max點(diǎn)，該點(diǎn)對應(yīng)的載荷值為P5%/max[如圖3a）所示]。10.1.3在載荷-位移曲線上，試樣側(cè)邊第一次目測到無粘性薄膜尖端出現(xiàn)分層時(shí)對應(yīng)的載荷點(diǎn)標(biāo)記為VIS點(diǎn)，通常位于NL點(diǎn)和5%/max點(diǎn)之間，該點(diǎn)對應(yīng)的載荷值為PVIS[如圖3b）所示]。a)b)圖3載荷-位移曲線10.2平行于纖維方向的彎曲彈性模量E1fE1f按公式（10）計(jì)算（66717.4.18(8(ao+x?)3(3c?L)2+6(ao+0.42?x)3+4L3(c+L)2 E1f=（10）16L2b?3(?CSYS)E1f=（10）10.3最大載荷點(diǎn)撓度δmaxδmax按公式（11）計(jì)算：10.4應(yīng)變能釋放率10.4.1GI按公式（12）計(jì)算：GII按公式（13）計(jì)算：G按公式（14）計(jì)算：G=GI+GII 10.4.2在測試韌性低的材料時(shí)，杠桿的重量可能會(huì)對試樣造成很大的負(fù)荷，從而影響測量結(jié)果，應(yīng)對杠桿重量進(jìn)行修正。當(dāng)杠桿和附加加載裝置的重量(Pg)超過最大載荷(Pmax)的3%時(shí)，則應(yīng)按公式（15）、公式（16）進(jìn)行計(jì)算：9修正杠桿重量時(shí)，如果已知載荷估計(jì)值時(shí)，杠桿臂長度應(yīng)按照公式（17）進(jìn)行計(jì)算。10.5II型模式混合比GII/G按公式（18）計(jì)算：如需要，給出Gc與GII/G的散點(diǎn)圖，如圖4所示。10.6混合模式斷裂韌性混合模式斷裂韌性按公式（19）計(jì)算：式中：Pc——PNL，P5%/max或Pvis中的一個(gè)，單位為牛頓（N）。11試驗(yàn)報(bào)告試驗(yàn)報(bào)告應(yīng)包含以下各項(xiàng)全部或部分。a)本文件編號。b)材料試驗(yàn)材料的完整標(biāo)識，包括制造商、材料名稱、制造工藝、纖維體積分?jǐn)?shù)和空隙率、E11、E22、G13、G12值。b)每個(gè)試樣的平均厚度和寬度，沿平行于纖維方向的最大厚度偏差，無粘性薄膜的厚度、種類。c)MMB試驗(yàn)裝置柔度，杠桿臂長度和跨距長度的1/2。d)試驗(yàn)環(huán)境條件和狀態(tài)調(diào)節(jié)環(huán)境條件。e)試驗(yàn)加載速率。f)試驗(yàn)結(jié)果:1)載荷-位移曲線，PNL點(diǎn)，P5%/max點(diǎn)和Pvis點(diǎn)；2）初始斜率m、與每個(gè)臨界點(diǎn)相關(guān)的載荷和裂紋擴(kuò)展長度；3）r和X，每個(gè)臨界點(diǎn)的纖維方向彎曲模量EⅠf和混合模式斷裂韌性GC和II型模式混合比GⅡ/G；4）試樣數(shù)量、G和GⅡ/G的平均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差和變異系數(shù)；5）Gc與GⅡ/G的散點(diǎn)圖（如需要）。附錄A（資料性）MMB試驗(yàn)裝置的校準(zhǔn)程序A.1將下滾輪支架和鉸鏈固定在底座上，設(shè)置跨度長度2L（跨度長度是滾輪中心與鉸鏈中固定的鉸銷中心之間的橫向距離）。確保滾輪軸線與鉸鏈軸線平行。A.2將上滾柱支架和上鉸鏈連接到杠桿上，使鉸銷中心和滾柱中心之間的橫向距離為A.1中設(shè)定的跨度長度的一半。應(yīng)使?jié)L柱的中心線平行于鉸鏈的軸線，并且兩者垂直于滾柱的縱軸線。A.3將鞍座連接到杠桿上，使上滾輪和鞍座滾輪中心線之間的杠桿長度等于設(shè)置的杠桿長度，鞍座滾輪軸承的中心線和上滾輪的中心線須平行。A.4將試樣安裝到底座上，鉸鏈插入鉸鏈夾，使樣品的縱軸平行于底座的頂面。A.5連接杠桿。杠桿的下平面應(yīng)與試樣的纖維方向平行。A.6將MMB試驗(yàn)裝置放置在負(fù)載架上，將底座固定在機(jī)器的底板上，使鞍座上軸承的軸線與負(fù)載軛的軸線平行。A.7將裝載軛向下放到鞍座上，直到其剛好接觸到一個(gè)滾柱軸承。用塞尺檢查軸承和另一側(cè)軛架之間的間隙。保持MMB試驗(yàn)裝置與負(fù)載架對準(zhǔn)。A.8如果MMB試驗(yàn)裝置沒有對齊，從加載框架上拆除夾具，并使用墊片重新安裝，墊片放置在夾具一側(cè)，位于加載臺(tái)板和MMB試驗(yàn)裝置底座之間。調(diào)整墊片厚度，直至滿足要求。