Page 88 - 理化检验-物理分册2023年第九期

潘 星: 聚合物基复合材料的力学性能测试方法
图2 层间断裂的3种断裂模式示意
增强聚合物基复合材料的I 型层间断裂韧性的标准
试验方法》、 ISO15024 : 2023 《 纤维增强塑料复合材
料 间接增强材料的模型 I层间摩擦粗糙度的测
定》, 通过确定双悬臂梁试样的横梁位移, 测得裂纹
扩展长度。然而, 很难同时获得准确的裂纹扩展长
度以及对应的载荷和位移, 因此人为因素对测试结
果的影响很大, 尤其是当裂纹扩展不稳定的时候。
测试单向纤维增强复合材料的II型层间断裂
韧性的标准有 ASTM D7905 / D7905M-19e1 《 单向
纤维增强聚合物基体复合材料模式II层间断裂韧
性的标准测试方法》 以及ISO15114 : 2014 《 纤维增
强塑料复合材料 采用校准端载荷分裂( C-ELS ) 试
验和有效开裂长度法对单向增强材料模式II抗裂
强度的测定》。 ASTM D7905 / D7905M-19e1 采用
端部缺口弯曲试样, 测试方法为 3 点弯曲试样。
ISO15114 : 2014采用端部加载撕裂试样, 利用拉力
机对端部进行向上加载, 利用横梁位移或者挠度计
测试缺口偏移量。
在服役过程中, 聚合物基复合材料受到的载荷
一般不是单一方向的, 因而发生纯I型分层的情况
较少。最常见的为I / II混合型分层模式
单向纤维增强复合材料的I / II混合型层间断裂韧
性的标准为 ASTM D6671 / D6671M-22 《 单向纤维
增强聚合物基复合材料的混合模式I- 模式II层间
断裂韧性的标准试验方法》, 其采用双悬臂梁试样,
利用特殊夹具实现I 型和II 型混合加载。
目前, 对于Ⅲ型面外剪切断裂, 还没有对应的试
验方法和测试标准。
1.8 疲劳性能测试
在服役过程中, 聚合物基复合材料长期承受疲
劳载荷, 材料易发生疲劳失效。聚合物基复合材料
即使承受振幅远小于其屈服强度的疲劳载荷, 也会
积累疲劳损伤并最终导致产品失效, 因此对聚合物
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基复合材料进行疲劳性能测试非常重要。疲劳性能
测试反映了材料承受交变循环应力或应变时所引起
的局部结构变化和内部缺陷发展的过程。按加载方
式, 疲劳失效可分为拉 - 拉疲劳、 拉 - 压疲劳、 压 - 压疲
劳以及弯曲疲劳等; 按疲劳破坏周次来分, 低于
50000次的称为低周疲劳, 高于50000次的称为高
周疲劳。常用的聚合物基复合材料疲劳性能测试标
准有 ASTM D3479 / D3479M-19 《 聚合物基复合材
料拉伸 - 拉伸疲劳试验方法》、 ISO13003 : 2004 《 纤
维增强塑料 循环载荷条件下疲劳性能的测定》 等。
不同试样形状和尺寸、 加载方式、 测试温度和湿度等
因素都将对聚合物基复合材料疲劳测试结果产生很
大的影响。相比与金属材料, 聚合物基复合材料即
使发生了基体开裂或者纤维断裂, 还具有很高的剩
余强度, 因此, 如何界定聚合物基复合材料的极限疲
劳强度是一个值得探讨的问题。
2 聚合物基复合材料界面力学性能测试
聚合物基复合材料是一种由聚合物基体、 纤维
增强体和界面组成的多相材料。界面使基体与纤维
形成一个整体, 并传递应力。因此, 界面对复合材料
力学性能的作用尤为显著, 纤维与界面的结合强度
决定了复合材料的整体力学性能。
2.1 界面强度测试
复合材料界面结合强度的测试主要有宏观和微
观两种方式。宏观测试包括层间剪切测试、 面内剪切
强度、 V 型缺口轨道剪切试验、 V 型缺口梁剪切试验
以及诺尔( NOL ) 环测试 [ 6-7 ] 等。 NOL 环是针对单向
纤维缠绕复合材料, 采用环形试样进行拉伸或者层间
剪切的测试, 其层间剪切性能可以反映出聚合物基体
与纤维之间的黏结力。其中, 层间剪切测试中短梁剪
[ 5 ] 。测试
切法的试样制备和测试过程较简单, 是目前工程上常
用的复合材料界面结合强度测试方法。
微观测试包括纤维拔出试验 [ 8 ] 、 纤维压出试
验 [ 9 ] 、 微滴脱黏试验 [ 10 ] 、 纤维断裂试验 [ 11 ] 等( 见图
3 ), 试验均以单纤维为研究对象。纤维顶出试验、 纤
维拉出试验、 微滴包埋试验等都是将力直接施加在
纤维上, 而纤维断裂试验是将力施加在树脂基体上。
微滴脱黏法的制样过程相对简单, 可以准确地测量
出脱黏瞬间结合力的大小, 适合测试任何纤维 / 基体
间的界面结合强度。这些方法还没有具体可以参照
的测试标准, 其测试结果的精确度受制样方法以及
仪器的精确度影响较大。