夹层复合材料的断裂力学测试方法

作者:文/High-Performance Composites Donald F. Adams 文章来源:CW《复合材料世界》2013年第3期 发布时间:2014-01-07
夹层复合材料断裂力学测试与夹层复合材料的剥离试验有重要的区别,本文以此为出发点对二者进行了明确的区分,并在此基础上对夹层复合材料断裂力学测试方法的复杂性进行了深入的分析和探讨.

夹层复合材料断裂力学测试与夹层复合材料的剥离试验有重要的区别,本文以此为出发点对二者进行了明确的区分,并在此基础上对夹层复合材料断裂力学测试方法的复杂性进行了深入的分析和探讨。

虽然被广为接受的断裂韧性测试方法可用于复合材料,但对夹层复合材料而言却并非如此。事实上,直到近期夹层复合材料的断裂力学测试方法才得到了较多的关注。到目前为止,大部分关于夹层复合材料断裂力学测试的工作都集中在开发一种模式(开放模式)的测试方法上。

但是,在讨论这些工作之前,大家还需明确这些测试方法和已被广泛接受的夹层复合材料剥离试验之间的一个重要区别。断裂力学测试方法采用的模式类似于剥离试验中所使用的加载方法,如滚筒剥离试验(ASTM D1781)。夹层复合材料的剥离试验所测量的数值是剥离强度,它代表着面板粘接到芯材上的强度。而断裂力学测试是对断裂韧性的测量,即材料对现有裂纹增长的抵抗力。虽然这两个测量值听起来很相似,但其用途截然不同。剥离强度从滚筒剥离试验中获得,通常用于以比较为目的的分析(例如为了评估不同的胶粘剂或粘接过程)和过程控制。虽然断裂韧性的测量结果也可用于和剥离强度相同的用途,但它们更常用于产品设计和分析,特别是当测试人员处理损伤容限时。值得一提的是,对夹层复合材料而言,面板与芯材界面处的抗脱粘性是一项得到了较多关注的性能。

图1

当讨论上述两种测试方法所测量的数值时,尽量不要使用材料性能这个词。这是因为对于夹层复合材料而言,剥离强度和断裂韧性不仅取决于夹层结构中所使用的面板材料、芯材和胶粘剂,它们还高度依赖于制造方法和胶粘剂的粘接。因此,这些测量的数值应被视为夹层复合材料制备后(as-fabricated)的结构性能,而不是材料性能。

描述夹层复合材料断裂韧性测试复杂性的理想办法是从现有的单向复合材料测试方法开始,即双悬臂梁(DCB)试验方法(该方法已形成ASTM D5528标准)。图1显示的是一个传统的DCB试样,该DCB试样配备了相应的夹层复合材料试样。如图中所示,在每个试样中,脱粘都发生在试样的一端,每个试样用连接试样顶部和底部的合页(hinge)加载。经测试,在传统的DCB试样中,脱粘发生在试样的壁厚中部,从而使试样的上梁和下梁部分具有相同的厚度。而对于夹层DCB试样而言,脱粘则发生在了有趣的位置——面板/芯材界面的附近。通过为这种夹层DCB配置的测试和分析,该现象已得到了确认。虽然初始裂纹发生在界面附近,但是裂纹的增长往往向芯材中进行,这不是一个令人期待的结果。另外,芯材和较低面板的弯曲会把相当大的拉伸应力引入到芯材中,导致芯材破坏。

图2 图3

由于上述DCB测试中的配置产生的相关问题,研究人员已经开始了对其他配置的研究工作。其中,有希望成为理想配置的是图2中所示的单悬臂梁(SCB)测试法。在此测试方法中,为了防止芯材和底部面板的弯曲变形,夹层复合材料试样的底部面板被贴附在一块下支撑板上,由于只有上面板被视为是一个悬臂梁,该方法因此而得名。在测试过程中,向上的载荷通过与试样脱粘端上的上面板相连接的合页进行传递。另外,为了在裂纹发展过程中保持加载的垂直取向,在该测试方法中还可以使用一个转移下支撑板(如图3所示)。

用于这样一个试验的夹层材料和夹层材料的几何形状多种多样,正如前面所讨论的那样,对代表实际夹层复合材料的夹层试样进行测试是可取的。鉴于夹层复合材料断裂韧性测试的复杂性,对SCB试验中标准试样的几何形状和初始裂纹长度进行规定似乎也是有需要的。另外,可能并非所有的夹层结构都适用于同一个试验方法,因此随着标准化测试方法的开发,对适当的夹层配置设置界限也是十分必要的。例如,在测试过程中,可能需要对面板厚度进行界定,以便产生适当的梁性能,使设备能够准确计算出断裂韧性值。

尽管存在上述复杂性,对夹层复合材料进行断裂力学测试仍是必要的。标准的方法以及相关的界定和限制,将会在测试中得到越来越多的应用。

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