復合材料界面剪切強度試驗方法評定

 

       復合材料界面剪切強度的試驗方法主要有纖維拔出、纖維壓入、纖維段裂和微珠脫粘等四種，但由這四種試驗得到的界面剪切強度存在很大的分散性。雖然對試驗技術進行了許多改進，分散性仍未能消除。為研究分散性產生的原因，本文以雙材料軸對稱界面端應力奇異性分析為基礎，并給出了奇異性指數隨Dundurs常數的變化情況，求出四種試件界面端的奇異性指數。由此看出：相同的纖維和基體制作的四種試件，其界面端應力場的奇異性指數是各不相同的。從而闡明了四種界面剪切強度試驗結果巨大分散性的原因，在于試件界面端處的應力奇異性。

       復合材料的界面剪切強度(IFSS)直接影響到復合材料的強度和韌性，界面剪切強度的研究和測定也成為復合材料界面研究中的一個重點。

      這四種試驗方法都是讓單纖維界面承受剪力，根據界面脫粘荷載計算得出界面剪切強度。其差別在于所用試件的外形和加載方式（見圖1）。原以為：只要纖維，基體和界面相同，這四種方法應能給出相同的界面剪切強度。然而情況并非如此。

1  界面剪切強度的試驗研究

    1993年，國際上12個實驗室組織了一次Round Robin Program [5]，意欲通過試驗來評估這四種試驗方法的優劣，但從圖2顯示的一組數據結果可知，不能用這些試驗結果來判定哪種試驗方法更可靠。

      表1和表2給出了文獻[5]的試驗數據。從表1可見：每一種試驗方法在各自的實驗室測得的IFSS結果分散性不超過37%。從表2可見：每一試驗方法在不同試驗室之問測得的IFSS結果分散性不  圖2試驗測得的未經表面處理的碳纖維／環氧樹脂復合材料的界面剪切強度超過2g%。但不同試驗方法測得的IFSS的最大值（纖維拔出試驗）和最小值（纖維段裂試驗）之比競高達270%。

       為找出造成試驗方法間如此之大的偏差的原因，建立了如圖3所示的軸對稱界面端模型；從彈性力學軸對稱基本方程出發，采用漸近展開法，得到了任意楔形角界面端的特征方程；根據四種試驗所用試件的楔形角，得到了相應的的特征方程，并得出了界面端應力奇異性指數與Dundurs常數的曲線圖。根據文獻[5]給出的纖維／基體的性能數據，計算出四種試件的界面端應力奇異性指數，發現文獻[5]中四種試驗所用的試件。

資料下載：  復合材料界面剪切強度試驗方法評定.pdf