编织碳_碳复合材料剪切性能测试方法研究.pdf

第11卷第1期2011年1月科学技术与工程Vol.11No.1Jan.2011
1671—1815(2011)1-0217-05ScienceTechnologyandEngineering2011Sci.Tech.Engng.

编织碳/碳复合材料剪切性能测试方法研究

刘金林叶欣汪丽珍马李*

(台州学院物理与电子工程学院，台州318000)

摘要根据Iosipescu剪切试验原理和编织碳/碳(C/C)复合材料的微结构特征，设计了相应的夹具和试件，建立了三维碳/
碳复合材料剪切性能的试验方法。利用该方法对细编穿刺C/C复合材料进行了剪切试验，得到了材料在不同方向上的载荷-
应变曲线。结果表明改进的Iosipescu试验方法能有效测定编织C/C复合材料的剪切性能。通过试件的断口分析，揭示了材
料在加载过程中微结构不断演化导致材料最终破坏的断裂机理，材料的τ-γ曲线也体现了明显的分段线性特征，不同材料方
向的剪切性能和破坏模式也不相同。
关键词C/C复合材料Iosipescu剪切试验剪切性能微观缺陷
中图法分类号V258．5;文献标志码B

编织碳/碳(C/C)复合材料是由碳纤维增强碳弯曲法、方板扭转法、薄壁筒扭转法、方框对角拉
基体得到的一种复合材料，是航空、航天、国防等高伸法、Iosipescu剪切法)在四个试验标准上(纤维
科技领域广泛应用的结构和功能材料。对其力学化成本、试验成本、数据重复性和试验结果的精确
性能的试验和研究是实现复合材料工艺优化和性性)进行了综合的定量评分，Iosipescu剪切试验方
能预报的关键，而剪切力学性能更是材料和力学工法获得最高分;Herakovich［2］等用有限元法研究了
程师关注的重点要正确测出材料的剪切强度与［］
。试验截面上的应力状态;Sallivan3等研究了试验
模量的关键是采取正确的试验方法，实现材料的纯
截面缺口的几何参数与应变分布的关系;Pin-
剪切应力状态，并准确测量材料的剪切应变。复合
dera［4］对这一试件的应变分布作了分析，他建议引
材料的剪切性能测试已存在多种试验方法，其中采
入一个修正因子来修正试件截面上剪应力的不均
用双V型开槽试样的Iosipescu剪切试验方法在近
匀性;Ho［5］等用云纹干涉法评价了Wyoming试件
年来得到了十分广泛的应用。该方法由尤西贝斯
和夹具。Iosipescu剪切试验方法操作简便，试样形
库(Iosipescu)于1960年提出，80年代由Adams等
状简单，易于加工，能够同时测得剪切强度和剪切
扩展该方法用到复合材料试验上，在该方法的长期
模量，试验具有较明显的剪切破坏特征，试验结果
发展过程中，许多学者对影响试验的各种因素进行
重复性较好，因此广泛用于各种复合材料的剪切
了广泛的理论分析和试验研究。S．Lee和M．Mun-
［］
［］试验中，如层合板复合材料6乙烯基酯复合材
ro1对常用的九种剪切试验方法(双轨剪切法、三轨、
［3］［7］
剪切法、±45°纵横剪切法、10°偏轴拉伸法、十字梁料、单向增强玻璃/环氧及石墨/环氧材料等，
但对于三维编织碳/碳复合材料还没有相关文献
报道。
2010年10月26日收到浙江省自然科学基金项目(Y4100185)
本文根据Iosipescu剪切试验原理和试验设备
浙江省大学生科技创新项目资助
特点，设计了剪切夹具和试件，建立了编织碳碳复
第一作者简介:刘金林(1990—)，浙江嘉兴人，台州学院材料科学/
与工程专业本科生。合材料的剪切试验方法，得到了剪切模量和剪切强
*通讯作者简介:马李(1974—)，浙江台州人，台州学院物理与电度，并对试验中遇到的问题进行了分析。
子工程学院讲师，研究方向:新型结构材料制备。
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上下表面各开一个V型缺口，缺口的设置很容易导
1实验致应力集中，引起测试结果偏低，因此需要合理
设计缺口的深度以及开槽角度;开槽角度对应
1．1试验方法力分布起着重要的作用，开槽角度范围为90°～
传统的是采用板状试件和反对称四点加载方法135°，出于试样统一性的考虑，取90°为开槽角
来实现面内纯剪切应力状态。由于碳/碳复合材料为度，切口深度为试件高的20%。
脆性材料，抗压强度较低，若采用四点加载，则很容易(3)尖锐的开槽会引起严重的应力集中，因而
因局部的集中载荷造成试件破坏;而通过改变传统在槽根部应有圆弧过渡，以缓解应力集中。根据文
Iosipescu剪切夹具的点加载方式，采用面加载，可以献资料，在90°开槽角度条件下，圆弧半径从0．5mm
避免集中力载荷对材料局部压缩造成的破坏，实现材增大到3．0mm，应力集中状况得到缓解，应力分布趋
料不同方向上的纯剪切应力状态。根据这个原则设于平缓。本试验中圆弧半径统一取为2．5mm