纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料I型疲勞分層擴(kuò)展起始的試驗(yàn)方法 編制說明

纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料I型疲勞分層擴(kuò)展起始的試驗(yàn)方法(征求意見稿)2二、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)編制意義、編制原則和確定國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)制定的主要內(nèi)容七、與現(xiàn)行相關(guān)法律、法規(guī)、規(guī)章及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，特別十、貫徹標(biāo)準(zhǔn)的要求和措施建議（包括組織措施3年第三批推薦性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)計(jì)劃及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)外文版計(jì)劃的通知》進(jìn)行制訂，標(biāo)準(zhǔn)計(jì)劃項(xiàng)目編號(hào)42024年4月，標(biāo)準(zhǔn)起草調(diào)研組赴中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所、北京航空制造工程研究所開展實(shí)需求，具體表現(xiàn)在如下三個(gè)方面：(1)實(shí)際飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的層板都是多向?qū)影?，目前大都是參考的，但是如果用于測(cè)試復(fù)合材料多向?qū)影?，未明確是否適用；2024年5月，標(biāo)準(zhǔn)起草調(diào)研組赴天津愛思達(dá)新材料科技有限公司、中航復(fù)合材料有限責(zé)織物預(yù)浸料，材料的制備工藝為常見的熱壓罐工藝，考核2024年6月，重慶大學(xué)、河北工業(yè)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)根據(jù)調(diào)研情況，同時(shí)結(jié)合國(guó)5進(jìn)行清點(diǎn)、記錄，并根據(jù)之前的工作安排，分別寄送到不同的測(cè)試單趙麗濱、王雅娜、鄒羅歡、田頂力、高原、何玉懷、劉豐睿、張海表1標(biāo)準(zhǔn)工作組分工及承擔(dān)的工作分工具體工作職責(zé)及工作內(nèi)容承擔(dān)單位牽頭統(tǒng)籌安排標(biāo)準(zhǔn)制定工作重慶大學(xué)標(biāo)準(zhǔn)編寫標(biāo)準(zhǔn)文本、編制說明等附件材料重慶大學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的收集中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院調(diào)研報(bào)告河北工業(yè)大學(xué)試驗(yàn)件制備復(fù)合材料I型疲勞分層試件的制備中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院天津愛思達(dá)新材料科技有限公司中國(guó)航空制造技術(shù)研究院6中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司試驗(yàn)驗(yàn)證試驗(yàn)驗(yàn)證及數(shù)據(jù)分析重慶大學(xué)北京航空航天大學(xué)河北工業(yè)大學(xué)表2起草人分工及所做工作人員任務(wù)分工龔愉負(fù)責(zé)標(biāo)準(zhǔn)及編制說明、意見匯總處理表及驗(yàn)證報(bào)告等的編寫、試驗(yàn)方案確定及組織協(xié)調(diào)趙麗濱、高原協(xié)調(diào)參編單位的組織協(xié)調(diào)，技術(shù)指導(dǎo)于宗芝、韓宇、丁常方、唐占文試驗(yàn)件的加工、制備鄒羅歡、田頂力、田立恒、高玉婷、唐偉、戴尚秋、王云龍、張任、楊年歡、李兆斌、高原、劉豐睿驗(yàn)證試驗(yàn)張海雁、趙麗濱、賈若迪標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)內(nèi)容研討，提出修改建議7根據(jù)斷裂力學(xué)可以將分層分為三種基本形式：modeI（張開型m的裂紋擴(kuò)展行為，這是復(fù)合材料分層中最為常見、最為基礎(chǔ)分層擴(kuò)展對(duì)應(yīng)的臨界能量釋放對(duì)比其它分層擴(kuò)展形式對(duì)應(yīng)的臨界應(yīng)變能釋放率要低。因此，I合材料準(zhǔn)靜態(tài)分層預(yù)測(cè)模型和試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。目前已發(fā)布的復(fù)合標(biāo)準(zhǔn)適用于纖維方向全部為0°的單向鋪層復(fù)合材料，主要包括GB/T28891-2012，HB—97(2019)“StandardTestMethodforModUnidirectionalFiber-ReinforcedPolymerMatrixComposites（單向纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料I別是HB7402-1996與GB/T28891-2012。二者均采用83、符合我國(guó)發(fā)展核心關(guān)鍵復(fù)合材料綜合應(yīng)用技術(shù)水平的發(fā)展規(guī)疲勞分層擴(kuò)展起始性能的測(cè)定也可參照本文件。主要技術(shù)度要求。單個(gè)試樣的厚度和寬度與該組試樣平均值的偏差不應(yīng)超過±1%。通過植入薄膜預(yù)制則見《纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料I型疲勞分層擴(kuò)展起始的試驗(yàn)方法》A.3，并基于預(yù)計(jì)的層間斷9裂韌性值而不必進(jìn)行位移修正。也可采用寬度在15mm~30mm之間的試樣，允許增加試樣的在最小和最大位移δmin和δmax之間循環(huán)。對(duì)于線彈性和小撓度試樣(δ/a<0.4)，位移比δmin/δmax梁理論計(jì)算出來的。通過對(duì)多個(gè)試樣開展不同GImax下測(cè)試，可以得到所選加載頻率下GImax圖4使用鉸鏈的DCB試樣使用千分尺測(cè)量每個(gè)試樣長(zhǎng)度，精確到毫米。沿著試樣長(zhǎng)度方向上間隔均勻的3個(gè)點(diǎn)，測(cè)量試樣寬度，精確到0.02mm。沿試樣中心線測(cè)量上述3點(diǎn)的厚度，精確到0.02mm。最后在中心接近邊緣的2個(gè)點(diǎn)上測(cè)量試樣厚度，以檢查試樣的厚度均勻性。沿試樣長(zhǎng)度方向的厚度變化在加載過程中可能需要對(duì)試樣端部進(jìn)行支撐，以保持如果要獲取完整的G-N曲線，則必須確定GImax的不同值。第一次試驗(yàn)時(shí)可以選定GImax≈其中，[δcr]av為準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)中預(yù)制薄膜末端處發(fā)生分層擴(kuò)展時(shí)所對(duì)應(yīng)臨界位移根據(jù)選定的位移比和δmax分別計(jì)算循環(huán)位移最小值δmin和平均值δmean。試驗(yàn)頻率應(yīng)在1~10Hz，這是為了避免頻率過高導(dǎo)致的試件內(nèi)部溫度過高。確保位移比正確。開始疲勞試驗(yàn)的增加或峰值荷載的下降是由分層擴(kuò)展引起的，而不是由本標(biāo)準(zhǔn)借鑒、參考美國(guó)材料實(shí)驗(yàn)協(xié)會(huì)(AmericanSocietyofTestingMaterials)制定的單向纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料I型疲勞分層起始測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程ASTMD6115-97（StandardTestMethodforModeIFatigueDelaminationGrowthOnsetofUnidirectionalFiber-ReinforcedPolyMatrixComposites）的試驗(yàn)原理。技術(shù)上優(yōu)于ASTMD6115。另外，通過充分的試驗(yàn)驗(yàn)證，本標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍更寬泛，不僅適七、與現(xiàn)行相關(guān)法律、法規(guī)、規(guī)章及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，特在違反法律、法規(guī)、規(guī)章的情況，也與強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)本標(biāo)準(zhǔn)的格式和表達(dá)方式等方面完全執(zhí)行了現(xiàn)行的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和有關(guān)法規(guī)，符合GB/T3、建議本標(biāo)準(zhǔn)批準(zhǔn)發(fā)布6個(gè)月后實(shí)施。建議標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布后，及時(shí)組織開展宣貫與培訓(xùn)，以無1附件1試驗(yàn)驗(yàn)證報(bào)告(征求意見稿)標(biāo)準(zhǔn)起草工作組21試驗(yàn)?zāi)康?32試驗(yàn)方案 33試驗(yàn)方法 43.1試驗(yàn)步驟 3.2數(shù)據(jù)處理方法 4試驗(yàn)結(jié)果 74.1不同類型的復(fù)合材料I型疲勞分層起始試驗(yàn)結(jié)果 4.2同一種材料不同實(shí)驗(yàn)室間對(duì)比結(jié)果 124.3復(fù)合材料單向、多向?qū)影逶嚇覫型疲勞分層起始試驗(yàn)結(jié)果 243依據(jù)《纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料I型疲勞分層擴(kuò)展起始的試驗(yàn)方法》(征求意見稿)中的各項(xiàng)規(guī)定，對(duì)各種不同類型、不同鋪層形式的纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料層板，在多家有資質(zhì)的復(fù)合材料力學(xué)測(cè)試實(shí)驗(yàn)室開展I型疲勞分層擴(kuò)展起始試驗(yàn)，驗(yàn)證擬制定的《纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料I型疲勞分層擴(kuò)展起始的試驗(yàn)方法》的適用性。為了充分驗(yàn)證《纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料I型疲勞分層擴(kuò)展起始的試驗(yàn)方法》的適用性，擬開展以下三個(gè)方面的驗(yàn)證試驗(yàn)工作。（1）不同類型復(fù)合材料I型疲勞分層起始試驗(yàn)的適用性驗(yàn)證；（2）同一種材料I型疲勞分層起始試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)室對(duì)比驗(yàn)證；（3）復(fù)合材料單向、多向?qū)影逶嚇覫型疲勞分層起始試驗(yàn)的適用性驗(yàn)證。驗(yàn)證試驗(yàn)采用如圖1所示的雙懸臂梁(Doublecantileverbeam,DCB)試樣，材料覆蓋了工程中常見的各種典型的復(fù)合材料，不同材料I型疲勞分層擴(kuò)展起始試驗(yàn)適用性驗(yàn)證的試驗(yàn)矩陣見表1。按照纖維類型劃分，包括碳纖維和玻璃纖維；按照預(yù)浸料類型劃分，包括單向預(yù)浸料、織物預(yù)浸料，成型工藝選擇熱壓罐成型；試驗(yàn)的應(yīng)力比選擇R=0.1。型1UD700-12k/IS1301-210/34(-45/0/45)2S//(45/0/-45)2S2012//0123FP300-3k/IS1301-200/物(-45/0/45)2S//(45/0/-45)2S4EW200-100/IS1301-20維物(-45/0/45)2S//(45/0/-45)2S5維物012//012其中：（1）不同類型復(fù)合材料I型疲勞分層起始試驗(yàn)的適用性驗(yàn)證使用UD-CF-Z1、PW-CF-Z1、PW-GF-Z1三種試件；（2）同一種材料I型疲勞分層起始試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)室對(duì)比驗(yàn)證使用UD-CF-Z1、UD-CF-Z2、PW-CF-Z1三種試件；4（3）復(fù)合材料單向、多向?qū)影逶嚇覫型疲勞分層起始試驗(yàn)的適用性驗(yàn)證使用UD-CF-Z1、UD-CF-Z2、PW-GF-Z1和PW-GF-Z2四種試件（PW-GF-Z1和PW-GF-Z2待完成）。1、試驗(yàn)前準(zhǔn)備（1）檢查試樣外觀，剔除產(chǎn)生扭曲、翹曲和切割損傷的試樣。并使用超聲掃描儀對(duì)裂紋前緣形態(tài)和分層區(qū)域等區(qū)域進(jìn)行掃描觀察，如有缺陷和不符合尺寸及制備要求者，應(yīng)予作廢。為每個(gè)合格的試樣編號(hào)。（2）使用千分尺測(cè)量每個(gè)試樣長(zhǎng)度，精確到0.02mm。沿著試樣長(zhǎng)度方向上間隔均勻的3個(gè)點(diǎn)，測(cè)量試樣寬度，精確到0.02mm。沿試樣中心線測(cè)量上述3點(diǎn)的厚度，精確到0.02mm。最后在中心接近邊緣的2個(gè)點(diǎn)上測(cè)量試樣厚度，以檢查試樣的厚度均勻性。沿試樣長(zhǎng)度方向的厚度變化不應(yīng)超過0.1mm。記錄每次測(cè)量的寬度、厚度和平均值。2、試樣安裝（1）鉸鏈與試樣間采用環(huán)氧樹脂AB膠粘接固定。（2）將試樣上的鉸鏈安裝在加載機(jī)的夾頭上，確保試樣對(duì)齊并居中。（3）對(duì)于過長(zhǎng)的試樣，在加載過程中可能需要對(duì)試樣端部進(jìn)行支撐，以保持試樣垂直于加載方向。3、試驗(yàn)加載（1）確定并記錄初始分層長(zhǎng)度a0。當(dāng)?shù)谝淮螠y(cè)試材料或?qū)嶒?yàn)人員對(duì)觀察初始分層沒5有經(jīng)驗(yàn)的情況時(shí)，推薦制備不少于一個(gè)的備用試樣。如果在試樣未受載時(shí)不易看到初始分層，可以施加一個(gè)小位移來打開試樣以便于觀察初始分層。但是該位移不能超過平均循環(huán)位移δmean。預(yù)制裂紋末端的準(zhǔn)確位置也可以在試驗(yàn)結(jié)束后將試樣打開來進(jìn)行確定。（2）如果要獲取完整的G-N曲線，則必須確定GImax的不同值。第一次試驗(yàn)時(shí)可以選定GImax≈50%[GIc]av。如果準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)的試樣幾何與疲勞試驗(yàn)相同，則最大循環(huán)位移δmax可通過準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)確定：式中：δmax——循環(huán)位移最大值，單位為mm；[δcr]av——準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)中預(yù)制薄膜末端處發(fā)生分層擴(kuò)展時(shí)所對(duì)應(yīng)臨界位移的平均值，單位為mm；GImax——I型循環(huán)應(yīng)變能釋放率的最大值或峰值，單位為J/m2；GIc——I型層間斷裂韌性，單位為J/m2。（3）根據(jù)選定的位移比和δmax分別計(jì)算循環(huán)位移最小值δmin和平均值δmean。試驗(yàn)頻率為1~10Hz，并確保位移比正確。開始疲勞試驗(yàn)并記錄Pmax。（4）記錄位移-載荷曲線的斜率（柔度）和對(duì)應(yīng)的循環(huán)次數(shù)。如果在試驗(yàn)過程中不能確定柔度值，則應(yīng)在平均位移時(shí)停止試驗(yàn)，卸載至最小位移，記錄位移與載荷的關(guān)系曲線。然后將試樣重新加載到平均位移，繼續(xù)進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。需要確保柔度的增加或峰值荷載的下降是由分層擴(kuò)展引起的，而不是由平均載荷的漂移引起的。（5）繪制柔度與循環(huán)數(shù)之間的關(guān)系，分別記錄相比N=1時(shí)的柔度增加了1%和5%時(shí)對(duì)應(yīng)的循環(huán)數(shù)N1%a和N5%a，如圖2所示。（6）當(dāng)柔度增加到N=1時(shí)其值的105%以上或試驗(yàn)已超過所需的最大循環(huán)數(shù)時(shí)，停止試驗(yàn)。如果需要完整的G-N曲線，則應(yīng)在不同的最大循環(huán)位移下進(jìn)行進(jìn)一步試驗(yàn)。6（1）最大循環(huán)應(yīng)變能釋放率根據(jù)N=1時(shí)的δmax,Pmax,a值和平均分層長(zhǎng)度修正量|?|av，通過公式(2)計(jì)算出每個(gè)試樣的最大循環(huán)應(yīng)變能釋放率GImax：式中：GImax——I型循環(huán)應(yīng)變能釋放率的最大值或峰值，單位為J/m2；Pmax——循環(huán)載荷最大值，單位為N；δmax——循環(huán)位移最大值，單位為mm；b——試件寬度，單位為mm；a——分層長(zhǎng)度，單位為mm；[?]av——準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)中?的均值，單位為mm。（2）柔度試件柔度C按公式(3)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果保留三位有效數(shù)字。式中：P——載荷，單位為N；7δ——加載點(diǎn)撓度，單位為mm。（3）平均分層長(zhǎng)度修正量|?|av平均分層長(zhǎng)度修正量|?|av是從準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)中所確定分層長(zhǎng)度修正量的平均值。將柔度的立方根C1/3作為分層長(zhǎng)度a的函數(shù)繪制坐標(biāo)圖來建立二者之間的關(guān)系（見圖3其中柔度C是準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)中加載點(diǎn)位移與荷載的比值δ/P。通過數(shù)據(jù)擬合直線的外推產(chǎn)生與X軸的截距Δ。如果得到的截距Δ為正值，則取Δ=0。（4）統(tǒng)計(jì)對(duì)于每一組試樣，計(jì)算每一種測(cè)試性能的算術(shù)平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和離散系數(shù)。針對(duì)第二章中不同類型的復(fù)合材料層板試件（UD-CF-Z1、PW-CF-Z1、PW-GF-Z1以1×105循環(huán)數(shù)為目標(biāo)循環(huán)，I型疲勞分層起始試驗(yàn)的測(cè)試數(shù)據(jù)如表2~表4所示，得到的G-N1%a和G-N5%a結(jié)果如圖4~圖6所示。（1）UD-CF-Z1試件I型疲勞分層起始數(shù)據(jù)及G-N曲線Pmax/Ndmax/mmC)N1%a/cycleN5%a/cycle31764788529650-1581561096169233387-9（2）PW-CF-Z1試件I型疲勞分層起始數(shù)據(jù)及G-N曲線Pmax/Ndmax/mmC)N1%a/cycleN5%a/cycle17111313161810-92-269360462564666-768-（3）PW-GF-Z1試件I型疲勞分層起始數(shù)據(jù)及G-N曲線Pmax/Ndmax/mmC)N1%a/cycleN5%a/cycle9697232728-5650052-157356-555-6975-99-對(duì)比試驗(yàn)分別在重慶大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、河北工業(yè)大學(xué)進(jìn)行，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片見針對(duì)第二章中的三種復(fù)合材料層板試件（UD-CF-Z1、UD-CF-Z2、PW-CF-Z1以1×105循環(huán)數(shù)為目標(biāo)循環(huán)，I型疲勞分層起始試驗(yàn)的測(cè)試數(shù)據(jù)如表5~表13。得到的G-N1%a和G-N5%a結(jié)果如見圖8~圖10?？梢钥吹讲煌瑢?shí)驗(yàn)室下對(duì)同一種材料層板試樣進(jìn)行測(cè)試可以獲得大致相同的測(cè)試結(jié)果，說明參考本試驗(yàn)方法可以獲得具有高度可重復(fù)性、穩(wěn)定性的測(cè)試結(jié)果。（1）UD-CF-Z1試件在不同實(shí)驗(yàn)室的I型疲勞分層起始數(shù)據(jù)及G-N曲線Pmax/Ndmax/mmC)N1%a/cycleN5%a/cycle1581561096169233387-Pmax/Ndmax/mmC)N1%a/cycleN5%a/cycle4924597691795809Pmax/Ndmax/mmC)N1%a/cycleN5%a/cycle962066119212317410553-（2）UD-CF-Z2試件在不同實(shí)驗(yàn)室的I型疲勞分層起始數(shù)據(jù)及G-N曲線Pmax/Ndmax/mmCN1%a/cycleN5%a/cycle-Pmax/Ndmax/mmCN1%a/cycleN5%a/cycle-Pmax/Ndmax/mmC)N1%a/cycleN5%a/cycle808486888082848708386-（3）PW-CF-Z1試件在不同實(shí)驗(yàn)室的I型疲勞分層起始數(shù)據(jù)及G-N曲線Pmax/Ndmax/mmCN1%a/cycleN5%a/cycle--Pmax/Ndmax/mmC)N1%a/cycleN5%a/cycle8493027120224-345-Pmax/Ndmax/mmC)N1%a/cycleN5