一种复合材料层间法向强度测试方法

摘要

本发明公开了一种复合材料层间法向强度测试方法，属于复合材料及材料性能测试技术领域。本发明的方法，试验件为方形平板块状体，在铺贴过程中，在预定测试界面的上下两个铺层之间插入不覆盖测试区域的聚四氟乙烯薄膜，然后固化成型；采用测试装置对复合材料层间强度进行测试。本发明是一种针对复合材料层间法向拉伸强度的测试方法，此方法突破了以往方法对待测试验件层间性能的限制。可以根据待测复合材料的层间性能而设计对应的聚四氟乙烯薄膜镂空区的尺寸，从而对试验中层间法向破坏载荷得到控制，保证复合材料的层间破坏先于金属块与试验件间的胶黏剂破坏，进而保证破坏模式。

权利要求

1.一种复合材料层间法向强度测试方法，其包括如下两个步骤，第一步，制备薄膜和试验件；

所述的试验件与薄膜的形状和尺寸都相同，所述试验件为待测复合材料，在待测复合材料的上下两个铺层之间插入不覆盖测试区域的聚四氟乙烯薄膜，然后固化成型；

第二步，采用测试装置对复合材料层间强度进行测试；

测试装置为两个带通孔的金属块和两个传载接头，金属块端面分别与试验件的上部铺层和下部铺层表面进行粘接，所述两个传载接头的一端分别与试验机相连，另一端通过金属块上的通孔分别与两个金属块相连；对两侧传载接头施加单向拉伸载荷，直至试验件出现层间破坏，记录破坏载荷P，单位为N，计算复合材料的层间法向拉伸强度σn；

制备的试验件为方形平板块状体，在铺贴过程中，在预定测试界面的复合材料上部铺层(1)和复合材料下部铺层(2)之间插入不覆盖测试区域的聚四氟乙烯薄膜(3)，然后固化成型，制成试验件(4)；

其特征在于：

薄膜由100mm×100mm方形聚四氟乙烯材料制成，薄膜厚度为所测复合材料单层理论厚度的20％，薄膜含有环形镂空区，对应复合材料测试区，薄膜上的镂空区的内外径R1、R2需根据情况调整，这与复合材料与金属的粘接剥离强度σMN、粘结剂本身的强度σcoh和待测复合材料的层间法相强度估值σn估有关，保证试验在预定测试界面发生破坏，具体为：其中σn估用相同材料单向铺层的横向拉伸强度估计；通常情况下粘结剂本身的强度σcoh要大于复合材料与金属的粘接剥离强度σMN，当即σcoh≤σMN时，则将式中σMN替换为σcoh；

所述的复合材料的层间法向拉伸强度σn：其中，薄膜上环形镂空区内外径R1、R2以及薄膜上辐条宽度w的单位为mm，σn的单位为MPa 。

说明书

一种复合材料层间法向强度测试方法

技术领域

[0001] 本发明属于复合材料及材料性能测试技术领域，涉及一种复合材料层间法向强度测试方法及其试件的设计与制造方法。

背景技术

[0002] 复合材料具有轻质高强等特点，已广泛应用于体育、航空、航天等领域。先进复合材料专指可用于主承力结构或次承力结构、刚度和强度性能相当于或超过铝合金的复合材
料，目前主要指有较高强度和模量的硼纤维、碳纤维和芳纶等增强的复合材料。尽管这类复
合材料的性能与金属性能相当或更强，但是其层间性能很低，层与层之间仅仅靠层间界面
承载，是容易破坏的区域，因此必须测定其层间强度，用于复合材料质量与性能评估。

[0003] 目前尚没有针对碳纤维复合材料层间法向强度测试方法，虽然GB/T 4944可以测量玻璃纤维层合板层间拉伸强度，但其要求试件与金属的粘结剂的粘接强度高于试件层间
拉伸强度，而先进复合材料的层间性能常会高于粘结剂的粘接强度，这将导致试件的破坏
模式与预期相悖，使得所测性能不准确。

发明内容

[0004] 本发明的目的是提出一种能够准确测试所有先进复合材料层间法向强度的测试方法。本发明提供的复合材料层间法向强度测试方法，包括如下两个步骤：

[0005] 第一步，制备薄膜和试验件。

[0006] 试验件为方形平板块状体，在铺贴过程中，在预定测试界面的上下两个铺层之间插入不覆盖测试区域的聚四氟乙烯薄膜(所述聚四氟乙烯薄膜可根据需求适当调整尺寸，
若待测复合材料的层间性能较高，则可适当减小测试区域)，然后固化成型。

[0007] 第二步，采用测试装置对复合材料层间强度进行测试。

[0008] 试验测试装置为两个带通孔的金属块和两个传载接头，金属块端面分别与试验件的上部铺层和下部铺层表面进行粘接，所述两个传载接头的一端分别与试验机相连，另一
端通过金属块上的通孔分别与两个金属块相连。

[0009] 对两侧传载接头施加单向拉伸载荷，直至试验件出现层间破坏，记录破坏载荷P(单位为N)。计算复合材料的层间法向拉伸强度σn：

[0010]

[0011] 其中，薄膜上圆环内外径R1、R2以及薄膜上辐条宽度w的单位为mm，σn的单位为Mpa。

[0012] 所述的试验件与薄膜的形状和尺寸都相同。

[0013] 本发明的优点在于：

[0014] (1)本发明是一种针对复合材料层间法向拉伸强度的测试方法，此方法突破了以往方法对待测试验件层间性能的限制。

[0015] (2)本发明所设计的复合材料层间法向拉伸强度的测试方法，通过在测试层间插入聚四氟乙烯薄膜来制造测试试验件，并且通过金属块与试验件上下表面粘接，并采用传
载接头加载，使得试验件出现层间法向拉伸破坏，从而测得层间法向拉伸强度。

[0016] (3)本发明中设计的试验件具有独创性，优点在于可以根据待测复合材料的层间性能而设计对应的聚四氟乙烯薄膜镂空区的尺寸，从而对试验中层间法向破坏载荷得到控
制，保证复合材料的层间破坏先于金属块与试验件间的胶黏剂破坏，进而保证破坏模式。

[0017] (4)本发明适合所有复合材料层间法向拉伸强度测试。

附图说明

[0018] 图1是本发明中试验件制备过程图。

[0019] 图2是聚四氟乙烯薄膜关键尺寸示意图。

[0020] 图3是本发明中试验件与测试装置装配图。

[0021] 图中:

[0022] 1、复合材料上部铺层； 2、复合材料下部铺层； 3、聚四氟乙烯薄膜； 4、试验件；

[0023] 5、测试区；            6、薄膜镂空区；       7、金属块；         8、传载接头。

具体实施方式

[0024] 下面结合附图对本发明作详细说明。

[0025] 本发明提供一种复合材料层间法向强度测试方法，所述的测试方法包括如下几个步骤：

[0026] 第一步，制备薄膜。

[0027] 薄膜由100mm×100mm方形聚四氟乙烯材料制成。薄膜的厚度应在工艺允许的前提下足够薄，既能在制备的过程中保证薄膜的完整，又能保证不对镂空区两侧的界面强度有
所削弱，通常为所测复合材料单层理论厚度的20％左右。薄膜含有环形镂空区，对应复合材
料测试区。如图1和图2所示，所述镂空区的内外径R1、R2以及辐条宽度w需根据情况调整，这
与复合材料与金属的粘接剥离强度σMN、粘结剂本身的强度σcoh和待测复合材料的层间法相
强度估值σn估有关，同时也受制作工艺条件影响，需要保证试验在预定测试界面发生破坏。
具体为：

[0028]

[0029] 其中σn估可用相同材料单向铺层的横向拉伸强度估计；通常情况下粘结剂本身的强度σcoh要大于复合材料与金属的粘接剥离强度σMN，若所使用的粘结剂比较脆弱，即σcoh≤
σMN，则将式中σMN替换为σcoh。

[0030] 第二步，制备试验件。

[0031] 试验件为100mm×100mm方形平板块状体，如图1，在铺贴过程中，在预定测试界面的复合材料上部铺层1和复合材料下部铺层2之间插入不覆盖测试区域的聚四氟乙烯薄膜
3，然后固化成型，制成试验件4。

[0032] 第三步，制备测试装置与试验。

[0033] 如图3所示，试验测试装置包括两个带通孔的金属块7和两个传载接头8，两个金属块7的端面分别与试验件4上下表面进行粘接。两个传载接头8的一端分别与试验机相连，另
一端通过金属块7上的通孔分别与两个金属块7相连。对两侧传载接头8以2mm/min的速度施
加单向拉伸载荷，直至试验件4出现层间破坏，记录破坏载荷P(单位为N)。试验结束后应去
除金属块7表面的粘结剂，在保证粘结质量的情况下测试装置可以重复使用。

[0034] 第四步，复合材料的层间法向拉伸强度σn计算：

[0035]

[0036] 其中，薄膜上圆环内外径R1、R2的单位为mm，σn的单位为Mpa。