复合材料热压罐制品剪切试验规范

复合材料热压罐制品剪切试验规范1范围本规范规定了热压罐成型复合材料制品剪切性能试验的术语定义、试验原理、试样制备、试验设备、试验步骤、结果计算及试验报告要求。本规范适用于连续纤维增强热固性、热塑性复合材料热压罐成型层合板、蜂窝夹芯结构等制品的面内剪切、层间剪切性能测定，其他工艺成型的复合材料制品剪切试验可参照执行。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/T39614复合材料层合板剪切性能试验方法ASTMD3039/D3039M聚合物基复合材料拉伸性能标准试验方法ASTMD5379/D5379M复合材料V形缺口梁剪切性能标准试验方法HB7238碳纤维复合材料层合板层间剪切强度试验方法3术语和定义下列术语和定义适用于本规范。3.1热压罐成型autoclavemolding将复合材料预浸料铺叠体置于密封热压罐内，通过施加高温、高压及真空环境，使预浸料固化成型为制品的工艺方法。3.2面内剪切in-planeshear剪切应力作用方向与复合材料层合板铺层平面平行的受力状态，主要考核铺层间纤维与基体的界面结合性能及基体自身剪切强度。3.3层间剪切interlaminarshear剪切应力作用方向与复合材料层合板铺层平面垂直的受力状态，主要考核相邻铺层之间的界面结合强度。3.4剪切模量shearmodulus剪切应力与剪切应变的比值，表征复合材料抵抗剪切变形的能力。3.5剪切强度shearstrength试样发生剪切破坏时的最大剪切应力值，是复合材料制品结构设计的关键力学参数。4试验原理4.1面内剪切试验原理采用[±45°]对称铺层层合板试样进行轴向拉伸，试样在拉伸载荷作用下，铺层平面内产生均匀剪切应力，通过记录载荷-位移曲线或载荷-应变曲线，计算得到面内剪切强度、剪切模量等性能参数。对于非对称铺层结构，需采用V形缺口梁（Iosipescu）试验方法，通过特定夹具使缺口区域产生纯剪切应力状态，消除弯曲应力对试验结果的影响。4.2层间剪切试验原理采用三点弯曲或四点弯曲加载方式，对短梁试样施加集中载荷，使试样跨中区域层间产生均匀剪切应力，当剪切应力达到层间结合强度极限时，试样沿铺层界面发生分层破坏，通过最大破坏载荷计算层间剪切强度。对于厚截面复合材料制品，可采用双切口剪切试验方法，通过两个对称切口控制剪切破坏区域，提高试验结果的准确性。5试样制备5.1取样要求5.1.1试样应从同一批次热压罐成型的制品或同工艺参数成型的标准试板上截取，取样位置应符合制品设计图纸要求，优先选取受力关键区域、工艺参数波动区域作为取样部位，禁止选取存在明显缺陷、气泡、分层的区域。5.1.2取样方向应与制品实际受力方向一致，面内剪切试样的铺层方向应与试验加载方向呈±45°夹角，层间剪切试样的长度方向应与铺层平面平行。5.1.3每一组试验的有效试样数量不应少于5个，对于离散度较大的材料体系，应适当增加试样数量至8~10个，剔除异常值后的有效试样数量不得少于5个。5.2试样尺寸5.2.1[±45°]铺层面内剪切试样：长度250mm±1mm，宽度25mm±0.1mm，厚度为制品实际厚度，当厚度超过4mm时，应适当增加试样宽度以保证剪切应力均匀分布。试样两端粘贴玻璃纤维增强塑料加强片，加强片厚度1.5mm±0.2mm，长度50mm±1mm，粘贴角度与试样轴线一致，加强片与试样之间的粘接强度应高于基体剪切强度。5.2.2Iosipescu剪切试样：长度110mm±1mm，宽度19mm±0.1mm，厚度2mm~6mm，试样两侧加工V形缺口，缺口角度90°±1°，缺口深度3mm±0.1mm，两个缺口的对称轴应与试样轴线重合，缺口表面粗糙度Ra≤1.6μm，无加工损伤。5.2.3短梁层间剪切试样：长度为厚度的6倍±0.5mm，宽度10mm±0.1mm，厚度为制品实际厚度，当厚度小于2mm时，可采用多层叠加方式制备试样，叠加层之间应使用与基体相同的胶粘剂粘接，固化后加工至规定尺寸。试样两端面应平行，垂直度偏差不大于0.02mm，边缘无毛刺、分层等加工缺陷。5.2.4双切口层间剪切试样：长度40mm±1mm，宽度15mm±0.1mm，厚度为制品实际厚度，试样两端加工两个对称切口，切口深度为试样厚度的1/2±0.1mm，切口间距10mm±0.1mm，切口刃口半径不大于0.1mm，切口表面无可见加工裂纹。5.3试样加工要求5.3.1试样加工应采用金刚石锯片、水切割等冷加工方式，严禁采用热切割方式，避免加工过程中材料受热发生树脂降解、界面脱粘等损伤。加工过程中应采用冷却液对加工区域进行冷却，控制试样表面温度不高于树脂玻璃化转变温度的50%。5.3.2加工后的试样应进行外观检查，采用10倍放大镜观察试样表面及边缘，无裂纹、分层、毛刺、缺口等缺陷，尺寸偏差符合规定要求。对于有表面涂层的制品，试验前应去除涂层，避免涂层对试验结果产生影响。5.3.3合格试样应进行编号，在试样非受力区域标注编号、铺层方向、取样位置等信息，标注时严禁采用尖锐工具刻划，避免产生人为损伤。试样应在23℃±2℃、相对湿度50%±5%的环境中状态调节至少24h，状态调节完成后应在2h内完成试验。6试验设备6.1万能试验机6.1.1试验机精度等级不低于1级，载荷测量误差不大于±1%，位移测量误差不大于±0.5%，载荷量程应选择为试样预期破坏载荷的20%~80%，确保试验过程中载荷测量处于设备最优精度区间。6.1.2试验机应配备自动数据采集系统，采样频率不低于10Hz，能够实时记录载荷、位移、应变等数据，绘制载荷-位移曲线、载荷-应变曲线。6.1.3拉伸夹具应采用楔形或液压式夹具，夹持面带有防滑齿纹，夹持力可调节，保证试验过程中试样不发生打滑，同时避免夹持力过大导致试样在夹持区域发生破坏。6.2应变测量装置6.2.1采用电阻应变片测量试样应变时，应变片灵敏系数误差不大于±1%，应变片栅长应不小于5mm，对于编织结构复合材料，应变片栅长应至少覆盖2个编织单元。应变片粘贴位置应位于试样中间受力区域，面内剪切试样的正反两面各粘贴1个应变片，应变片轴线与试样轴线呈45°夹角，层间剪切试样的应变片粘贴于试样侧面中间位置，测量剪切应变。6.2.2采用非接触式视频引伸计测量应变时，设备分辨率不低于1μm，测量误差不大于±0.5%，试样表面应制作散斑标记，标记尺寸不小于2mm，散斑对比度不低于30%，保证试验过程中能够清晰识别变形。6.3环境试验装置6.3.1需在高温、低温或湿热环境下进行试验时，应配备环境试验箱，温度控制精度±1℃，湿度控制精度±3%，试验箱内部应有足够的空间，保证试样及夹具不受箱壁干扰，温度场均匀度不超过±2℃。6.3.2高温试验时，试样在规定温度下保温时间不少于30min，保证试样内部温度达到设定温度；湿热试验时，试样应先按照规定条件进行湿热老化处理，老化完成后立即转移至环境试验箱中进行试验，转移时间不超过5min。6.4量具及辅助工具6.4.1试样尺寸测量采用千分尺、游标卡尺，精度不低于0.01mm，测量前应进行计量校准，确保测量数据准确。6.4.2应变片粘贴工具包括砂纸、清洗剂、粘接剂、固化灯等，粘接剂的固化温度应低于树脂玻璃化转变温度，粘接强度应保证应变片在试验过程中不发生脱落。7试验步骤7.1试样尺寸测量7.1.1面内剪切试样：在试样中间测量区域测量3点宽度和厚度，取平均值作为试样的宽度和厚度，测量精度精确到0.01mm。7.1.2层间剪切试样：在试样跨中区域测量宽度和厚度，每个尺寸测量3次取平均值，测量精度精确到0.01mm。7.1.3Iosipescu剪切试样：测量缺口之间的截面宽度和厚度，每个尺寸测量2次取平均值，同时测量缺口深度，确保两个缺口深度一致。7.2试样安装7.2.1[±45°]面内剪切试验：将试样安装到拉伸夹具中，试样轴线应与试验机加载轴线重合，同轴度偏差不大于0.5mm，先施加预载荷，预载荷大小为预期破坏载荷的2%~5%，消除试样与夹具之间的间隙，然后将载荷、位移、应变数据清零。7.2.2Iosipescu剪切试验：将试样安装到专用剪切夹具中，确保V形缺口与夹具的加载刀口对齐，夹具的两个加载支点应与试样紧密接触，无间隙，加载方向垂直于试样缺口对称轴。7.2.3短梁层间剪切试验：调整三点弯曲夹具的跨距，跨距为试样厚度的5倍±0.1mm，压头和支座的圆角半径为2mm±0.1mm，将试样居中放置在支座上，铺层平面垂直于压头加载方向。7.2.4双切口剪切试验：将试样安装到剪切夹具中，两个加载压头分别对准两个切口的外侧，加载方向平行于铺层平面，保证剪切力作用在两个切口之间的区域。7.3试验加载7.3.1加载速率采用位移控制，面内剪切试验加载速率为1mm/min~2mm/min，层间剪切试验加载速率为0.5mm/min~1mm/min，加载速率应保持恒定，波动范围不超过设定值的±10%。7.3.2对于需要测量剪切模量的试验，加载至预期破坏载荷的50%时卸载，重复加载-卸载循环3次，消除试样的初始变形，然后正式加载至试样破坏。7.3.3试验过程中观察试样破坏现象，记录破坏载荷、破坏位置、破坏形式，对于发生在夹持区域、缺口加工区域等非有效区域的破坏，该试样数据作废，应重新补充试样进行试验。7.4环境条件下的试验7.4.1高温试验：环境试验箱升温至设定温度后，保温时间根据试样厚度确定，每毫米厚度保温不少于5min，最短保温时间不低于15min，保温完成后按照室温试验步骤进行加载，试验过程中温度保持恒定。7.4.2低温试验：环境试验箱降温至设定温度后，保温时间与高温试验相同，试验过程中避免试样表面结霜，影响应变测量精度。7.4.3湿热环境试验：试样按照GB/T1446规定的条件进行湿热老化，达到规定老化时间后，取出试样立即进行试验，试验过程中保持环境湿度符合要求，避免试样水分挥发。8结果计算8.1面内剪切强度计算[±45°]铺层面内剪切强度τs按照下式计算：τs=Pmax/(2b·h)式中：τs——面内剪切强度，单位为兆帕（MPa）；Pmax——试样破坏时的最大载荷，单位为牛（N）；b——试样宽度，单位为毫米（mm）；h——试样厚度，单位为毫米（mm）。Iosipescu剪切强度τi按照下式计算：τi=Pmax/(w·h)式中：τi——Iosipescu剪切强度，单位为兆帕（MPa）；w——两个缺口之间的截面宽度，单位为毫米（mm）；h——试样厚度，单位为毫米（mm）。8.2面内剪切模量计算剪切模量G12按照下式计算：G12=Δτ/Δγ式中：G12——面内剪切模量，单位为吉帕（GPa）；Δτ——剪切应力增量，取载荷-应变曲线线性段的应力差，单位为兆帕（MPa）；Δγ——剪切应变增量，与Δτ对应的应变差，单位为微应变（με）。剪切应变γ由45°方向应变ε45°计算得到：γ=ε0°-ε90°=2ε45°式中：ε0°——试样轴向拉伸应变；ε90°——试样横向应变；ε45°——45°方向应变片测量的应变值。8.3层间剪切强度计算短梁层间剪切强度τILSS按照下式计算：τILSS=3Pmax/(4b·h)式中：τILSS——层间剪切强度，单位为兆帕（MPa）。双切口层间剪切强度τd按照下式计算：τd=Pmax/(b·l)式中：l——两个切口之间的间距，单位为毫米（mm）。8.4数据处理8.4.1每组试样的性能结果取算术平均值，同时计算标准差和变异系数，变异系数大于10%时，应分析数据离散原因，剔除异常值后重新计算。8.4.2异常值采用格拉布斯检验法进行判定，显著性水平取0.05，剔除异常值后的有效试样数量不应少于5个，否则应重新进行试验。8.4.3试验结果保留3位有效数字，强度值保留到小数点后1位，模量值保留到小数点后2位。9试验报告试验报告应包含以下内容：a)本规范编号及试验依据的其他标准号；b)试验项目名称、试验日期、试验环境条件（温度、湿度）；c)复合材料制品的基本信息：材料体系、铺层结构、热压罐成型工艺参数（温度、压力、保温时间、真空度）、批次号、生产单位；d)试样信息：取样位置、尺寸、数量、加工方式、状态调节条件；e)试验设备信息：万能试验机型号、精度等级、应变测量方式、校准有效期；f)试验结果：每个试样的破坏载荷、剪切强度、剪切模量、平均值、标准差、变异系数；g)试样破坏形式：破坏位置、破坏类型（分层、纤维断裂、基体开裂、界面脱粘等），附典型破坏试样照片；h)试验过程中出现的异常情况及对结果的影响分析；i)试验人员、审核人员签字，试验单位盖章。10试验质量控制1