复合材料缝合预制体剪切试验规范

复合材料缝合预制体剪切试验规范1范围本标准规定了复合材料缝合预制体面内剪切性能和层间剪切性能试验的试验原理、试验设备、试样、试验条件、试验步骤、试验结果计算和试验报告等内容。本标准适用于采用锁式、链式、改良锁式等缝合工艺制备的二维、2.5维及三维碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维等增强织物预制体的剪切性能测试，其他类型纤维缝合预制体可参照执行。2规范性引用文件下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。凡是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。GB/T1446纤维增强塑料性能试验方法总则GB/T39615碳纤维增强复合材料预制体术语GB/T3355聚合物基复合材料层间剪切强度试验方法ASTMD4255复合材料预制体剪切性能试验标准指南3术语和定义GB/T39615界定的以及下列术语和定义适用于本文件。3.1缝合预制体stitchedpreform通过缝合工艺将多层二维织物或三维织物沿厚度方向引入缝合线，形成的具有一定整体性的纤维增强体。3.2面内剪切强度in-planeshearstrength缝合预制体在面内剪切载荷作用下发生破坏时的最大剪应力。3.3层间剪切强度interlaminarshearstrength缝合预制体在层间剪切载荷作用下发生破坏时的最大剪应力。3.4缝合密度stitchdensity单位面积内缝合线迹的数量，单位为针/cm²。3.5缝合深度stitchdepth缝合线刺入预制体的深度，单位为mm。4试验原理4.1面内剪切试验原理采用±45°拉伸试验法，对矩形缝合预制体试样施加轴向拉伸载荷，使试样标距段内产生均匀的面内剪切应力，通过记录载荷-位移曲线，计算得到面内剪切强度和剪切模量。当试样在剪切应力作用下发生纤维滑移、纱线断裂或缝合线脱粘时，达到极限承载状态。4.2层间剪切试验原理采用三点短梁弯曲法，对跨厚比为5:1的缝合预制体试样施加集中载荷，使试样中间层产生最大层间剪应力，通过记录破坏载荷，计算得到层间剪切强度。当试样沿层间发生分层破坏、缝合线拔出或断裂时，判定为层间剪切失效。5试验设备5.1万能材料试验机试验机准确度等级不低于1级，载荷测量误差不超过±1%，位移测量误差不超过±0.5%。试验机应配备适宜的夹具，保证试样夹持牢固，加载过程中不发生打滑，夹具对中误差不超过0.5mm。对于面内剪切试验，夹具夹持面应具有防滑纹理，夹持压力可调，避免试样在夹持端发生premature破坏。5.2应变测量装置可采用电阻应变片或非接触式视频引伸计测量试样的变形。应变片的阻值应符合120Ω±0.1%要求，灵敏系数误差不超过±1%。视频引伸计的分辨率不低于1μm，采样频率不低于10Hz，能够实时跟踪试样标距段的变形。5.3试样加工设备应采用金刚石锯片或水切割机进行试样切割，切割面粗糙度Ra不大于6.3μm，边缘无分层、毛刺等缺陷。切割过程中应采用冷却措施，避免预制体受热发生树脂固化或纤维损伤。5.4量具游标卡尺的分度值不大于0.02mm，千分尺的分度值不大于0.001mm，钢直尺的分度值不大于1mm。量具应经计量检定合格，并在有效期内使用。6试样6.1试样制备6.1.1面内剪切试样试样为矩形，尺寸为250mm×25mm×h，其中h为预制体的厚度，单位为mm。试样的经向和纬向应与缝合方向呈±45°夹角，标距段长度为100mm，两端夹持段长度各为75mm。夹持段应粘贴增强垫片，垫片采用厚度为1mm~2mm的玻璃纤维增强环氧树脂板，尺寸为75mm×25mm，垫片与试样之间采用环氧树脂胶粘接，粘接后在室温下固化24h以上。6.1.2层间剪切试样试样为矩形，尺寸为(20h+2)mm×10mm×h，跨距L为20h，偏差不超过±0.5mm，其中h为预制体的厚度，单位为mm。试样的长度方向应平行于预制体的经向或纬向，切割后应对试样边缘进行打磨，去除毛刺，保证试样两端面平行度误差不超过0.05mm。6.2试样数量每组有效试样数量不少于5个。若试样在夹持端发生破坏或破坏位置不在标距段内，该试样数据无效，应补充试验直至有效试样数量满足要求。6.3试样状态调节试样应在温度23℃±2℃、相对湿度50%±5%的环境中状态调节24h以上。若试验在其他环境条件下进行，应在试验报告中注明环境参数。6.4试样外观检查试验前应对试样进行100%外观检查，观察是否存在分层、缺纱、缝合线断裂、表面损伤等缺陷，有缺陷的试样不得用于试验。采用游标卡尺测量试样的尺寸，每个试样测量3个不同位置的厚度和宽度，取算术平均值，测量精度精确到0.01mm。7试验条件7.1环境条件除非另有规定，试验应在温度23℃±2℃、相对湿度50%±5%的标准环境中进行。对于有特殊环境要求的试样，可根据产品规范在高低温、湿热等环境下进行试验，环境温度波动不超过±1℃，相对湿度波动不超过±3%。7.2加载速率面内剪切试验的加载速率为1mm/min~2mm/min，层间剪切试验的加载速率为0.5mm/min~1mm/min。加载过程应保持连续、平稳，无冲击。7.3对中要求试样安装时应保证几何中心与试验机加载轴线重合，同轴度误差不超过0.5mm。面内剪切试验试样的夹持方向应与加载方向平行，倾斜角不超过0.5°；层间剪切试验试样的支撑辊和加载辊应平行，且与试样长度方向垂直，平行度误差不超过0.1mm/m。8试验步骤8.1面内剪切试验步骤a)将状态调节后的试样安装在试验机夹具上，先施加预载荷，预载荷值为预计最大破坏载荷的2%~5%，消除试样与夹具之间的间隙，检查试样对中情况，确认无误后开始正式加载。b)安装应变测量装置，若采用应变片，应将应变片粘贴在试样标距段的中心位置，正反两面各粘贴一片，应变片的轴线方向与试样轴向呈45°夹角，应变片引线接入应变采集系统，清零应变初始值。若采用视频引伸计，应在试样标距段两端制作标记点，标记点大小不小于2mm，对比度不低于70%，调整引伸计焦距，确保标记点清晰可识别。c)按照规定的加载速率进行加载，直至试样发生完全破坏。加载过程中连续记录载荷、位移和应变数据，采样频率不低于10Hz。d)观察试样破坏模式，记录破坏位置、破坏形式（如纤维滑移、纱线断裂、缝合线脱粘、分层等），拍摄破坏后的试样照片。若破坏发生在夹持端或标距段以外区域，该试样数据作废，重新进行试验。8.2层间剪切试验步骤a)将试样放置在三点弯曲夹具的两个支撑辊上，试样的中点与加载辊对中，支撑辊的半径为2mm~3mm，加载辊的半径为5mm~10mm，支撑辊和加载辊表面硬度不低于HRC55。b)调整跨距，保证跨距L=20h，偏差不超过±0.5mm，测量试样中心厚度，精确到0.01mm。c)施加预载荷，预载荷值为预计最大破坏载荷的1%~3%，消除间隙后，按照规定的加载速率连续加载，直至试样发生破坏。加载过程中记录载荷-位移曲线，采样频率不低于5Hz。d)观察试样破坏模式，若为层间分层破坏，记录破坏载荷；若为弯曲破坏、剪切破坏发生在加载点下方或试样边缘分层，该试样数据无效，重新进行试验。9试验结果计算9.1面内剪切强度计算面内剪切强度τ₁₂按式（1）计算：τ₁₂=Pₘₐₓ/(2bh)（1）式中：τ₁₂——面内剪切强度，单位为MPa；Pₘₐₓ——试样破坏时的最大载荷，单位为N；b——试样的宽度，单位为mm；h——试样的厚度，单位为mm。9.2面内剪切模量计算面内剪切模量G₁₂按式（2）计算：G₁₂=(Δτ)/(Δγ)（2）其中剪应变γ按式（3）计算：γ=ε₀₀-ε₉₀（3）式中：Δτ——剪切应力增量，取载荷-应变曲线线性段的应力差，单位为MPa；Δγ——对应Δτ的剪应变增量，单位为无量纲；ε₀₀——试样轴向应变；ε₉₀——试样横向应变。9.3层间剪切强度计算层间剪切强度τ_s按式（4）计算：τ_s=3Pₘₐₓ/(4bh)（4）式中：τ_s——层间剪切强度，单位为MPa；Pₘₐₓ——试样层间破坏时的最大载荷，单位为N；b——试样的宽度，单位为mm；h——试样的厚度，单位为mm。9.4数据处理每组有效试样的试验结果取算术平均值、中位数、标准差和变异系数。变异系数超过15%时，应检查试样制备过程和试验操作是否存在异常，必要时重新进行试验。数值修约按照GB/T8170的规定进行，强度值保留3位有效数字，模量值保留2位有效数字。10试验报告试验报告应包括以下内容：a)本标准编号及试验方法名称；b)试样的名称、编号、批号、制备工艺，包括纤维类型、织物结构、缝合线材质、缝合密度、缝合深度、缝合方向等参数；c)试样的尺寸、数量及状态调节条件；d)试验设备型号、校准有效期、加载速率、环境温度、相对湿度；e)每个试样的