复合材料的层间破坏强度(包括层间拉伸强度,层间剪切强度及层间断裂韧性)相对于面内破坏强度而言较弱,使用中常引起层间破坏,进而导致整体结构过早地发生破坏,特别是层间剪切强度(ILSS)较低,是设计中必须注意的问题。  复合材料的层间剪切强度是指不同纤维复合材料制品在叠层复合后相邻层之间产生相对位移时,作为抵抗阻力而在材料内部产生的应力大小,即层合板在层间剪切应力作用下的极限应力。层间应力的存在很容易导致层间的分层破坏,而层间分层将会严重降低复合材料层合板的刚度和强度。所以,层间应力和层间剪切强度等层间问题是复合材料设计中必须考虑的重要问题。层间剪切强度的测试与评价,对于合理设计层合板,提高其层间剪切强度,扩大其应用范围和确保其使用安全性是非常重要的课题。

复合材料的层间剪切强度-复合材料网

测量复合材料层间剪切强度并不是一件容易的事情,最理想的层间剪切强度测量方法应该具备以下几个特点:试样制备简单;能得到可靠且具有连续性的数据;容易操作。目前广泛应用的大概有以下几种:①短梁剪切法;②双切口拉伸/压缩式层间剪切试验法;③四点弯曲法;④非对称四点弯曲法。
其中双切口拉伸/压缩式层间剪切试验方法是测量复合材料层合板层间剪切强度的一种有效方法,它具有试验夹具尺寸小,结构简单,易产生层间剪切破坏等优点,因此被广泛应用于表征树脂基纤维增强材料的层间失效强度方面。
但是,双切口拉剪法很难产生纯剪切应力场(需要说明的是,在测试断面上能产生均匀分布的纯剪切应力的试验方法,至今还没有确立),因此得到的层间剪切强度依然被称为“表观层间剪切强度”。也就是说,双切口拉剪法测出来的值只是近似的表征了复合材料的层间剪切强度。
在用双切口剪切法测试过程中,试样的失效形式主要有四种,分别为分层跨越破坏、纤维撕裂破坏、层间破坏、纤维桥接破坏。即便是同一种铺层方式下的样条,也出现了两种及两种以上的失效形式。
1)分层跨越破坏
分层跨越破坏可以被定义为界面的裂纹从某一层向相邻层或者相邻界面转移,并形成在失效面发生多层次破坏的现象。
2)纤维撕裂破坏
在树脂基复合材料层合板中,纤维撕裂破坏模式是一种较为常见的破坏模式。发生撕裂的纤维由切口处产生,这是因为当界面破坏逐步延展到切口根部时,由于外在的拉伸载荷不足以破坏单层单向布结构时,高应力状态使一根根纤维丝发生撕裂破坏。
3)层间破坏
层间破坏是一种理想型的失效模式,因为整个失效破坏发生在同一层界面,产生了相对较纯的层间剪切应力,层间破坏断裂面形貌光滑。大量试样在测试中发生了该种失效模式,并且在该失效模式下所测得的层间剪切强度相对稳定。
4)纤维桥接破坏
发生在相邻断裂面之间的纤维桥接破坏是一种重要的失效模式,并且经常会在复合材料分层破坏中出现。由于该失效形式是在拉伸应力下从树脂基体中撕开某一纤维层而发生的层间剪切失效,因此该失效形式能够使层间剪切强度增加。有时候出现纤维撕裂破坏是产生桥接破坏的一个重要标志。
复合材料的层间剪切强度除与纤维表面处理度直接有关外,还与制备工艺参数息息相关。也就是说,ILSS还与基体树脂性能、纤维含量和孔隙率等密切相关,下面仅讨论碳纤维的表面处理与复合材料制品的层间剪切强度之间的关系。
碳纤维表面处理的目的,是使其表面由憎液性变为亲液性,改善纤维与基体树脂的润湿性,强化彼此之间的粘接。碳纤维经表面处理以后,与基体树脂的机械嵌合程度增加,或叫抛锚效应增加,从而也使复合材料的层间剪切强度(ILSS)得到提高。
如果碳纤维表面处理度(Degree of surface treatment)不足,ILSS达不到最佳值;如果表面处理度过头,会使纤维强度和层间剪切强度都下降(如图1所示)。因此选择最佳表面处理度是十分重要的。由于各生产商所生产的碳纤维结构和性质不同,最佳表面处理度也没有一个统一的标准,只能由实验来评选。特别是出于商业保密,真正在线使用的工艺参数和处理设备很少报道。

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图1 碳纤维表面处理度与复合材料层间剪切强度的关系