复合材料真空导入制品剪切试验规范

复合材料真空导入制品剪切试验规范1范围本规范规定了采用真空导入工艺制备的纤维增强聚合物基复合材料制品面内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。本规范适用于以玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维及其织物为增强体，以环氧树脂、乙烯基酯树脂、不饱和聚酯树脂为基体，采用真空导入工艺成型的平板及曲面结构件的面内剪切强度、剪切模量测试，其他成型工艺制备的复合材料制品剪切试验可参照执行。本规范不适用于厚度超过50mm的厚壁复合材料制品、含蜂窝芯/泡沫芯的夹层结构制品的剪切性能测试，此类材料应按照对应专门标准开展试验。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/T1447纤维增强塑料拉伸性能试验方法GB/T1448纤维增强塑料压缩性能试验方法GB/T3355碳纤维增强塑料树脂含量试验方法GB/T39615碳纤维单丝拉伸性能试验方法JC/T287纤维增强塑料空隙含量试验方法ASTMD3039/D3039M聚合物基复合材料拉伸性能标准试验方法ASTMD3518/D3518M聚合物基复合材料面内剪切性能标准试验方法（±45°拉伸法）ISO14129纤维增强塑料复合材料用±45°拉伸试验测定面内剪切应力/剪切应变响应和剪切模量3术语和定义下列术语和定义适用于本文件。3.1真空导入成型（vacuuminfusionmolding）在单面模具上铺设纤维增强材料及辅助介质，密封后抽真空形成负压，利用真空压力将树脂吸入增强材料层间，经固化后得到复合材料制品的工艺方法。3.2面内剪切强度（in-planeshearstrength）复合材料层合板面内承受剪切载荷作用时，在发生剪切破坏前所能承受的最大剪应力，单位为MPa。3.3剪切模量（shearmodulus）剪切应力与剪切应变的比值，反映复合材料在面内剪切载荷作用下抵抗弹性变形的能力，单位为GPa。3.4剪切应变（shearstrain）剪切载荷作用下，试样两个平行截面之间发生的相对角位移，无量纲，常用百分数表示。3.5有效试样（validspecimen）符合试样制备要求，破坏位置处于标距段内、且无明显制备缺陷的试验试样。3.6层合板铺层方向（layuporientation）层合板中各单向层纤维轴线相对于试样轴向的角度，以角度θ表示，0°方向为试样加载轴线方向。3.7固化度（degreeofcure）复合材料中树脂发生交联反应的程度，以百分率表示，是判断制品固化质量的核心指标。3.8空隙含量（voidcontent）复合材料内部孔隙体积占总体积的比例，以百分率表示，直接影响剪切性能测试结果的离散性。4试验原理采用±45°对称铺层层合板拉伸试验法测定面内剪切性能，将铺层方向为[±45]ns的矩形试样在拉伸试验机上进行轴向加载，通过测量试样轴向载荷、轴向应变及横向应变，依据复合材料力学理论计算剪切应力、剪切应变及剪切模量。当试样发生剪切破坏时的最大剪切应力即为面内剪切强度。试验原理基于以下假设：层合板为正交各向异性材料，加载过程中各铺层变形协调，层间应力可忽略，剪切应力沿试样厚度均匀分布。对于[±45]2s对称铺层的正交各向异性层合板，在轴向拉伸载荷作用下，剪切应力τ12与轴向应力σx的关系为：τ12=σx/2其中σx为试样轴向名义应力，等于轴向载荷除以试样横截面积。剪切应变γ12与轴向应变εx、横向应变εy的关系为：γ12=εx-εy其中εx为试样标距段内轴向平均应变，εy为同一标距段内横向平均应变。剪切模量G12为剪切应力与剪切应变的比值，即：G12=τ12/γ12=σx/[2(εx-εy)]当试样达到最大载荷时，对应的剪切应力即为面内剪切强度；在剪切应力-应变曲线弹性段取两点计算得到的平均斜率即为剪切模量。对于非线性明显的复合材料体系，可采用割线模量表示剪切模量，通常选取应变0.1%和0.5%对应点进行计算。5试样制备5.1铺层设计试样层合板采用对称平衡铺层，推荐铺层结构为[±45]2s，总层数为8层，对于厚度小于1mm的薄型制品，可采用[±45]s铺层，总层数为4层；对于厚度超过4mm的厚型制品，可适当增加铺层数，保持±45°铺层交替对称排布，铺层角度偏差不应超过±1°。铺层总数应为偶数，避免层合板产生耦合变形，试样制备完成后应检查铺层方向，角度偏差超过允许范围的试样应废弃。5.2取样要求从真空导入制品上取样时，应避开制品边缘、浇口、溢料区、应力集中区及可见缺陷区域，取样方向应与制品实际使用时的主应力方向保持一致，若需测试不同方向的剪切性能，应分别沿0°、90°方向取样。对于平板制品，取样区域应距离制品边缘至少50mm；对于曲面制品，取样区域曲率半径应大于200mm，取样后需将试样加工为平面，加工过程中不得损伤纤维结构。若无法从成品制品上取样，应采用与制品相同的真空导入工艺制备标准试验层合板，层合板尺寸不应小于300mm×300mm，制备过程中应记录真空度、树脂粘度、灌注时间、固化温度、固化时间等工艺参数，与制品生产工艺参数偏差不应超过±5%。试验层合板制备完成后，应按照GB/T3355测定树脂含量，按照JC/T287测定空隙含量，树脂含量偏差应控制在±2%以内，空隙含量不应超过2%，否则该层合板不得用于制备试样。5.3试样尺寸标准试样为矩形，长度为250mm±1mm，宽度为25mm±0.1mm，厚度为制品实际厚度，推荐试样厚度范围为2mm~4mm，厚度偏差不应超过±0.05mm。试样两端粘贴加强片，加强片材料采用厚度为1.5mm~2mm的铝合金板或单向玻璃纤维增强塑料，加强片长度为50mm±1mm，宽度与试样宽度相同，粘贴角度为0°，加强片与试样之间采用结构胶粘剂粘贴，粘贴时应保证同轴度偏差不超过0.5mm，胶粘剂固化后应清除溢出的多余胶粘剂。对于厚度小于2mm的薄试样，可适当增加试样宽度至30mm，长度保持250mm；对于厚度超过4mm的厚试样，可适当增加加强片厚度至3mm，长度增加至60mm，避免加载时端部发生挤压破坏。试样标距段长度为100mm±1mm，即两个加强片内侧之间的距离，标距段内不得有可见缺陷、划痕或纤维损伤。5.4加工要求试样采用金刚石锯片切割加工，切割过程中应采用水冷降温，避免材料因过热发生树脂降解或纤维损伤。切割后试样边缘应进行打磨处理，去除毛刺和微裂纹，边缘粗糙度Ra不应大于3.2μm，边缘缺口深度不应超过0.1mm。加工完成后，应对每片试样进行外观检查，存在下列缺陷之一的试样应予以废弃：标距段内有可见纤维断裂、分层、树脂富集或贫胶区；试样厚度偏差超过±0.05mm，宽度偏差超过±0.1mm；加强片粘贴位置偏差超过1mm，或存在脱粘、气泡等缺陷；铺层角度偏差超过±1°；试样表面有明显划伤、凹陷或污染。5.5试样状态调节试样加工完成后，应按照GB/T1446的要求进行状态调节，在温度23℃±2℃、相对湿度50%±5%的环境中放置至少24h。若需要测试湿热环境下的剪切性能，应先将试样放入环境试验箱中按照规定条件进行老化处理，取出后在5min内完成安装和试验。每组有效试样数量不应少于5个，若试验过程中出现非剪切模式破坏的试样，应补充取样，保证每组有效试样不少于5个。试样应进行编号，测量标距段内三个不同位置的宽度和厚度，取平均值作为计算用尺寸，宽度测量精度为0.01mm，厚度测量精度为0.001mm。6试验设备6.1拉伸试验机应采用符合GB/T16491要求的电子万能试验机或液压万能试验机，试验机量程应满足试样最大破坏载荷处于量程的20%~80%范围内，载荷测量精度不低于1级，位移测量精度不低于0.01mm。试验机应配备楔形夹具或液压夹具，夹具夹持面应带有防滑齿纹，夹持力可调节，夹持过程中应避免试样发生滑移或端部挤压破坏。试验机应配备自动数据采集系统，采样频率不低于10Hz，可同步记录载荷、位移、轴向应变、横向应变数据。试验前应对试验机进行校准，校准有效期不应超过1年，对于重要试验应在试验前对载荷传感器进行期间核查。6.2应变测量装置采用电阻应变片测量试样应变，应变片栅长应不小于5mm，对于编织增强复合材料，应变片栅长应至少覆盖3个编织单元。轴向应变片和横向应变片应粘贴在试样标距段中心位置，两个应变片的轴线应分别与试样轴向和横向平行，轴线偏差不应超过±1°。应变片粘贴前应打磨试样表面，去除表面树脂层至露出纤维层，采用丙酮擦拭干净后粘贴，粘贴后应进行防潮处理，应变片阻值偏差不应超过±0.5Ω，导线连接牢固，避免电磁干扰。若采用非接触式视频引伸计测量应变，引伸计的分辨率不应低于1μm，测量标距范围应覆盖试样标距段，采样频率与试验机数据采集系统同步。视频引伸计应提前进行校准，应变测量误差不应超过±1%。6.3其他设备千分尺：精度0.001mm，用于测量试样厚度；游标卡尺：精度0.01mm，用于测量试样宽度和长度；角度测量仪：精度0.1°，用于测量铺层角度和应变片粘贴角度；环境试验箱：温度控制精度±1℃，湿度控制精度±3%，用于试样状态调节和环境试验。7试验步骤7.1试验前准备检查试验机状态，设置试验参数，加载速度为2mm/min±0.2mm/min，若需要测试剪切模量，加载速度可调整为1mm/min±0.1mm/min，保证应变采集的稳定性。将试样安装在试验机夹具中，保证试样轴线与夹具中心线重合，同轴度偏差不超过0.5mm，夹持力从小到大逐步施加，避免试样在夹持过程中发生损伤。连接应变测量线路，检查应变片零点，初始应变偏移不应超过±5με。确认数据采集系统正常，设置数据记录格式，包含试验时间、载荷、位移、轴向应变、横向应变等参数。对于脆性较大的复合材料体系，应在试验机周围安装防护装置，防止试样破坏时碎片飞溅。7.2加载过程启动试验机，按照设定的加载速度匀速加载，直至试样完全破坏，记录最大破坏载荷和破坏过程中的载荷-应变曲线。加载过程中应观察试样变形情况，若出现试样在夹具内滑移、加强片脱粘、端部挤压破坏等情况，应立即停止试验，该试样数据作废。试验过程中环境温度应保持在23℃±2℃，相对湿度保持在50%±5%，若试验环境不符合要求，应采取环境控制措施。对于大变形复合材料体系，当试样应变超过5%仍未破坏时，可停止加载，记录该应变对应的剪切应力作为条件剪切强度，并在试验报告中注明。7.3破坏模式记录试样破坏后，观察并记录破坏模式，剪切破坏的典型特征包括：破坏位置处于标距段内，破坏面与试样轴向呈45°方向；破坏面可见纤维与基体界面脱粘、基体剪切开裂、纤维剪切断裂等特征；无明显分层、横向拉伸断裂等非剪切破坏特征。对于破坏位置在加强片附近、破坏模式为分层或横向拉伸断裂的试样，判定为无效试样，其数据不参与结果统计。记录每个试样的破坏位置、破坏面形态，拍摄典型破坏照片留存。8结果计算8.1剪切应力计算对于每个试样，按照下式计算不同载荷下的剪切应力：τ12=F/(2b·h)式中：τ12——剪切应力，单位为MPa；F——轴向载荷，单位为N；b——试样宽度，单位为mm；h——试样厚度，单位为mm。最大剪切应力即面内剪切强度τ12u，对应试样破坏时的最大载荷Fmax：τ12u=Fmax/(2b·h)8.2剪切应变计算剪切应变按照下式计算：γ12=εx-εy式中：γ12——剪切应变，无量纲；εx——轴向应变，无量纲；εy——横向应变，无量纲。若采用视频引伸计测量，轴向应变和横向应变由引伸计直接输出；若采用应变片测量，应对应变数据进行温度补偿，消除温度变化对应变测量的影响。8.3剪切模量计算剪切模量G12取剪切应力-应变曲线弹性段的斜率，若弹性段不明显，采用割线模量，取剪切应变0.1%和0.5%对应的两点进行计算：G12=(τ12,0.5%-τ12,0.1%)/(γ12,0.5%-γ12,0.1%)式中：τ12,0.1%——剪切应变为0.1%时对应的剪切应力，单位为MPa；τ12,0.5%——剪切应变为0.5%时对应的剪切应力，单位为MPa；γ12,0.1%——0.1%剪切应变，即0.001；γ12,0.5%——0.5%剪切应变，即0.005。8.4数据统计计算每组有效试样的剪切强度平均值、标准差和离散系数，剪切模量平均值、标准差和离散系数。离散系数计算公式为：Cv=(S/X̄)×100%式中：Cv——离散系数，%；S——标准差；X̄——算术平均值。若试样离散系数超过10%，应检查试样制备过程和试验过程是否存在异常，必要时补充试验。剪切强度和剪切模量结果保留三位有效数字，离散系数保留一位小数。9试验报告试验报告应包含以下内容：本规范编号及试验依据；试样基本信息：复合材料体系组成、铺层结构、成型工艺参数、取样位置、制品编号等；试样尺寸：每组试样的平均宽度、平均厚度及偏差范围；试验设备信息：试