GBT 47972-2026《拉挤板复合组件I型层间断裂韧性GIC的测定》

拉挤板复合组件I型层间断裂韧性GIc的测定本文件描述了用双悬臂梁(DCB)试样测定拉挤板复合组件I型层间断裂韧性G₁c的方法概述，规定了仪器设备、辅助材料、试样、试验步骤、数据分析和试验报告。本文件适用于拉挤板-拉挤板复合组件和拉挤板-层合板复合组件。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。1446纤维增强塑料性能试验方法总则3961纤维增强塑料术语28891纤维增强塑料复合材料单向增强材料I型层间断裂韧性G₁c的测定3术语和定义拉挤板-拉挤板复合组件pultrudedplate-pultrudedplateassembly两层拉挤板之间采用树脂，或树脂和导流织物，或胶黏剂，或预浸料等作为黏结层制得的复合组件。拉挤板-层合板复合组件pultrudedplate-laminateassembly将织物或预浸料和拉挤板按一定的铺层顺序进行铺设，然后采用真空树脂传递模塑(VRTM)或真空袋压等方式制得的复合组件。I型层间断裂韧性modeIinterlaminarfracturetoughness在I型张开的载荷下，拉挤板复合组件对分层裂纹起始及扩展的阻抗。2a)拉挤板-拉挤板复合组件b)拉挤板-层合板复合组件2——黏结层(树脂，或树脂和导流织物，或胶黏剂，或预浸料等);3——层合板(由织物与树脂基体导入或预浸料组成);4——拉挤板黏结面；5——嵌入物。图1拉挤板复合组件下列符号适用于本文件。A:嵌入物长度：试样端部与嵌入物尖端的距离，见图2,单位为毫米(mm)。a:分层长度：载荷线(通过插销孔中心面与裂纹平面相交处)与裂纹尖端的距离，见图3,单位为a:最终分层长度，单位为毫米(mm)。a;:第i个加载阶段的分层长度，单位为毫米(mm)。ap:预制分层长度：载荷线与预制裂纹尖端的距离，见图2,单位为毫米(mm)。ao:初始分层长度：载荷线与嵌入物尖端之间的距离，见图2,单位为毫米(mm)。b:试样宽度，见图2,单位为毫米(mm)。Co:试样加载时的初始载荷线柔度，需忽略如夹具间隙等产生的初始非线性部分的影响，见图4,单位为毫米每牛顿(mm/N)。Co+5%:初始载荷线柔度C乘以1.05系数后的柔度，见图4,单位为毫米每牛顿(mm/N)。F:大位移修正系数。3G1c:I型层间断裂韧性，单位为焦耳每平方米(J/m²)。l:试样总长度，见图2所示，单位为毫米(mm)。l:插销孔中心到加载块所黏附拉挤板悬臂梁中面的距离，见图2,单位为毫米(mm)。l₂:插销孔中心到加载块边缘的距离(朝向嵌入物尖端或预制裂纹尖端测量),见图2,单位为毫米l₃:加载块长度，见图2,单位为毫米(mm)。N:加载块修正系数。P:载荷，见图3,单位为牛顿(N)。U:裂纹扩展释放的总能量，单位为焦耳(J)。△a;:第i个加载阶段的分层扩展长度，单位为毫米(mm)。δ:载荷线位移，见图3,单位为毫米(mm)。co:有效载荷线位移，单位为毫米(mm)。(EI):等效抗弯刚度，单位为牛顿平方毫米(N·mm²)。a)拉挤板-拉挤板复合组件DCB试样图2DCB试样几何形状444标引序号说明：1——拉挤板；2——黏结层；A——嵌入物长度；ao——初始分层长度；ap——预制分层长度；b——试样宽度；标引序号说明：2——加载块；b)拉挤板-层合板复合组件DCB试样1——试样总长度；l₁——插销孔中心到加载块所黏附拉挤板悬臂梁中面的距离；l₂——插销孔中心到加载块边缘的距离；l₃——加载块长度。图2DCB试样几何形状(续)a——分层长度；δ——载荷线位移。图3DCB试样加载图示50标引序号说明：X0b)重新加载所得初始点NL点、VIS点、5%/MAX点和PROP点0——修正位移原点；○——初值点；●——扩展值点(PROP点);X——载荷线位移，8;图4稳定扩展DCB试验曲线5方法概述5.1通过对DCB试样进行加载产生I型裂纹开裂，测定复合组件裂纹开始扩展时及扩展过程中的裂纹从预制裂纹尖端开始扩展时的初值由重新加载测定。裂纹扩展过程中的扩展值(PROP点的5.3DCB试样上下两层悬臂梁抗弯刚度应一致，否则会导致测定的G₁c偏高。6标引序号说明：●——扩展值点(PROP点);图5初值和扩展值与分层长度a构成的分层-阻力曲线(R曲线)6仪器设备6.1仪器设备和加载块6.1.1试验机试验机应符合GB/T1446规定，并且试验机速度应满足10.3、10.4和附录A所要求的恒定位移速度。载荷传感器最大允许误差为±1%。位移测定误差不大于指示值的±1%。试验机应能连续测量并记录载荷和位移。试验机配备的夹具应将载荷传递到加载块插销上，试样端部能灵活转动。夹具应与试验机保持对中。6.1.3.1千分尺或类似量具，精度为0.01mm或更高，用于测量试样厚度。测量时，千分尺应具有能与试样表面匹配的接触面(如平面对平面或抛光的面；半球面对不规则的面)。6.1.3.4测量分层长度可采用移动式显微镜或类似量具。显微镜应有0mm~200mm的行程，放大倍数不小于5倍且不大于70倍，精度为0.5mm或更高。控温精度±3℃。6.3加载块度为10mm。加载块插销中心应在l₃的中点处和H的中点处。7.1无黏性嵌入薄膜：采用厚度不超过13μm的无黏性薄膜作为嵌入物。固化温度低于180℃时，推荐使用聚四氟乙烯(PTFE)薄膜。固化温度高于180℃时，推荐使用聚酰亚胺薄膜。7.2脱模剂：使用聚酰亚胺薄膜作为嵌入物时，推荐使用聚四氟乙烯(PTFE)型脱模剂。7.3胶黏剂：双组分室温固化型，用于黏结试样与加载块。7.4溶剂：有机溶剂，如丙酮或乙醇。7.5砂纸：500目或更细。7.6标记液：水溶性白色修改液。7.7标记带：带有连续刻度线的直条状贴纸，标记刻度线之间距离为1mm,刻度线宽度不超过0.5mm。8试样8.1拉挤板复合组件试验板制备8.1.1制备拉挤板复合组件试验板时，不应改变拉挤板原厚度。8.1.2对于拉挤板-拉挤板复合组件试验板，上下两层拉挤板材质、厚度应一致。8.1.3对于拉挤板-层合板复合组件试验板，为确保拉挤板和层合板具有相近抗弯刚度，应根据公式(1)选择合适的拉挤板与层合板厚度比(h₁/h₂)和试样总厚度(h₁+h₂)。8.1.4将嵌入物裁剪成合适尺寸，如使用聚酰亚胺薄膜作为嵌入物，薄膜应使用脱模剂涂覆或喷涂，并在(130±3)℃鼓风干燥箱中处理30min,该过程需进行2次。操作时避免破坏或擦除脱模剂涂层。8.1.5按图1所示铺设拉挤板复合组件试验板。制备拉挤板-拉挤板复合组件试验板时，嵌入物铺设在拉挤板复合组件一端，位于黏结层与拉挤板之间；黏结层应控制在1mm以内，且最大厚度和最小厚度相对偏差不应超过20%。制备拉挤板-层合板复合组件试样板时，嵌入物铺设在拉挤板复合组件一端。拉挤板复合组件试样板铺设完成后，可采用真空树脂传递模塑(VRTM)或真空袋压等工艺成型。注：拉挤板黏结面的处理方式会对拉挤板复合组件G₁c产生影响，如需对拉挤板黏结面处理，由供需双方商定。8.2.1试样由拉挤板复合组件试验板经机械加工得到。加工后试样侧边应平滑，以便于观察裂纹的扩展。8.2.2试样宽度为15mm~30mm,单个试样厚度和宽度与该组试样厚度平均值和宽度平均值的偏差分别不超过±1%。试样总长度不小于200mm,嵌入物长度不小于65mm,试样两侧边嵌入物长度相差不应超过1mm,否则应在报告中注明。初始分层长度最小为10倍的试样厚度且不小于55mm。8.2.3用砂纸对加载块表面和试样端部表面进行打磨并用溶剂进行清理，随后立即在试样端部黏结加载块，采用的黏结工艺(如试样端部表面处理、固化温度等)不应对拉挤板复合组件G₁c产生影响。上下两加载块应呈对称状态，见图2。有效试样数量不少于5个。黏结加载块后，按树脂、胶黏剂或预浸料等供应商推荐的干燥温度和干燥时间进行干燥处理。干8注：由于拉挤板复合组件G₁c对水分很敏感，因此如需考察水分对拉挤板复合组件G₁c的影响，对试样进行状态调节是必要的。10试验步骤10.1试验准备10.1.1沿试样长度方向，分别用游标卡尺和千分尺测量距离试样两端30mm处和中间3个位置的宽度和厚度，分别以3次测量的平均值作为试样宽度和厚度。试样总厚度与上下两层拉挤板总厚度的差为黏结层厚度ha10.1.2沿试样长度方向，用直尺测量试样两侧边的长度并计算平均值作为试样长度。隔一定距离做标记，并延伸到至少超过嵌入物尖端55mm。在开始的至少1行标记。随后每间隔5mm进行标记。最后5mm处，每间隔1mm进行标记。另外也可采用粘贴标10.2试验设置和数据记录10.2.1将试样安装在试验机夹具上，对试样端部进行支撑，使试样垂直于加载方向。在整个试验过程中，记录载荷和载荷线位移，数据采集频率不小于5Hz,或每个加载周期内记录至少500个数据点。10.2.2在试样两侧边，通过目测或采用移动式显微镜或类似量具观察裂纹的扩展。10.3.1以1mm/min~5mm/min恒定速度对试样加载，记录载荷、载荷线位移和对应分层长度。在试样侧边观察到裂纹从嵌入物尖端开始产生扩展时，在试验曲线上标注此点为VIS点，见图4a)。分层扩展3mm～5mm后停止加载，此时产生的裂纹为预制裂纹。如分层扩展超出3mm~5mm,应在报告中注明。下来每5mm记录一次，直至分层扩展超过预制裂纹尖端45mm;最后5mm分层扩展范围内，每1mm记录一次。最少记录10个扩展9平均值a1,第1个加载阶段的分层扩展长度为△a₁=a₁-ap;继续加载，当载荷从C突然下降到D时，测量试样两侧边分层长度并计算平均值a2,第2个加载阶段的分层扩展长度为△a₂=a₂—a₁。重复上述第2个加载阶段步骤，直至分层扩展超过预制裂纹尖端45mm或出现悬X0标引序号说明：0——修正位移原点；X——载荷线位移，8;图6非稳定扩展DCB试验曲线10.5系统柔度测定11数据分析沿试验曲线初始线性部分绘制一条直线，将该直线外推延长并与载荷线位移轴相交，该交点作为修正位移原点(0点),以该点为有效载荷线位移.的起始点，如图4、图6、图8和图A.1所示。通过试验曲线确定初值和扩展值。由初始分层长度ao和预制分层长度ap测定初值。通过初始加载和重新加载测定初值(NL点、VIS点通过重新加载测定扩展值(PROP点的Gic),见图4b)。11.2数据处理当上下两层悬臂梁厚度一致时(等厚DCB试样),按11.2.2处理数据。当上下两层悬臂梁厚度不一致时(不等厚DCB试样),按11.2.3处理数据。11.2.2和11.2.3仅适用于稳定扩展过程。11.2.2修正梁法——等厚DCB试样11.2.2.1如图7所示，对修正柔度立方根(C/N)¹/3与重新加载数据中分层长度a进行线性拟合。拟合直线在X轴上的截距为△。11.2.2.2如△为正值，则取△=0,并在报告中注明。仅对扩展值点(PROP点)进行线性拟合，即线性11.2.2.3按公式(2)计算G₁c。计算所有的初值和扩展值。11.2.2.4分别按公式(3)和公式(4)计算大位移修正系数F和加载块修正系数N。11.2.2.5按公式(5)计算拉挤板悬臂梁弯曲模量E,该模量是分层长度a的函数。如拉挤板悬臂梁弯曲模量E的变化超过平均值的10%,则判定试验无效。11.2.3改进的修正梁法——不等厚DCB试样11.2.3.1对于不等厚DCB试样，按公式(6)计算GIc。11.2.3.2按11.2.2对修正柔度立方根(C/N)¹/3与重新加载数据中分层长度a进行线性拟合并确定△,(EI)由拟合直线的斜率得到，见图7。0图7修正梁理论(CBT)11.2.4面积法——等厚DCB试样和不等厚DCB试样11.2.4.1对于等厚DCB试样和不等厚DCB试样，按公式(7)计算重新加载过程中的平均G1co11.2.4.2对加载曲线与0F直线围成的区域进行积分计算裂纹扩展释放的总能量U,见图6。11.2.4.3按公式(8)计算重新加载过程中各加载阶段的G1ci)。11.2.4.4通过积分法计算各加载阶段裂纹扩展释放的能量U,见图8。XX0标引序号说明：0——修正位移原点；X——载荷线位移，8;图8非稳定扩展DCB试验各加载阶段裂纹扩展释放的能量12试验报告试验报告应包括但不限于下列信息：b)试样数量，试验日期和试验地点；c)每个试样的平均厚度、平均宽度、平均长度和厚度偏差，嵌入物材料及其厚度和长度；d)状态调节过程和试验环境；e)加载块黏结信息；f)加载和卸载速度；g)试验(卸载)后的分层长度；h)每个试样的试验曲线；i)