刘　璐,马一凡

(1.西安航空学院，西安　710077； 2.西北工业大学，西安　710072)



基于复合材料层合板断裂韧性的实验研究

刘璐1,马一凡2

(1.西安航空学院，西安710077； 2.西北工业大学，西安710072)

采用试验的方法研究正交铺层层合板的1型断裂韧性，采用T800s/M21预浸料，针对不同铺层方案进行了试验。使用两边缺口拉伸试样，根据Bazant提出的尺寸效应对断裂韧性的影响，在长宽比不变的情况下，设计不同尺寸的试样(44, 52, 60, 68, 76, 84, 92, 100 mm)进行试验。数据的处理采用2种不同方法，分别由Bao等和Bazant提出，并与文献中的结果进行了对比。通过比较结果并结合断口形貌的分析可知：尺寸效应和铺层对断裂韧性有的不同影响。

断裂韧性；双边缺口拉伸试验；应力强度因子；尺寸效应

碳纤维增强复合材料(CFRP)与传统的建筑材料相比，具有质量轻、比强度高、耐腐蚀性能强、可设计性好等优点。基于这些优异的力学性能和使用功能，碳纤维复合材料的应用技术在国际和国内都得到了迅速的发展。然而，由于复合材料层合板的各向异性和承载的复杂性，使层合板的破坏失效情况较为复杂。为了更好地研究复合材料层合板的断裂韧性，当前开发出一些针对复合材料的断裂韧性的试验设计[1]：① 紧凑拉伸试验(CT)[1-3]；② 扩展紧凑拉伸试验(ECT)[4]；③ 四点弯曲试验(four point bend)[5]；④ 两边缺口拉伸试验(double edge notched tension)[6-7]；⑤ 中心缺口拉伸(centre notched tension)[8]；⑥ 单侧缺口拉伸试验(single edge notched tension)[9]。研究人员针对这些试验设计提出了不同的试样构造、尺寸以及数据整理方法。

本文采用两边缺口拉伸试验的方法研究了复合材料层合板的断裂韧性，并结合Bazant提出的尺寸效应理论[6]，研究了尺寸效应对复合材料正交层合板的断裂韧性的影响。

Bazant等[6]研究了一系列尺寸不同的两边缺口拉伸试样来研究尺寸的改变对应变能释放率的影响，其铺层设计为正交[0/902]s，设计方案为一组4个1∶2∶4∶8等比例增大两边缺口拉伸试样，厚度均为0.76 mm，每一边的预开口长度与试样宽度的比例固定为1∶16(图1)。根据Bazant[10-11]提出的观点，拉伸试样的最大应力与其几何尺寸之间有对应关系：

其中：B为与试样几何尺寸相关的常数；D0为与试样断裂失效区域和几何尺寸相关的常数；fu为层合板的参考强度。这几个参数均可通过如图2所示线性回归结果得到。

由此还可以得到该正交铺层两边开口拉伸试样的尺寸效应影响，如图3所示。由图3可以看出：Bazant所测量尺寸效应的曲线并没有逼近线弹性断裂力学(LEFM)的范围，因而会使试验得到的断裂韧性值存在误差。

图1　DENT试样

图2　线性回归得到的计算尺寸效应的参数

图3　测量的尺寸效应曲线

为了使用该两边开口拉伸试样测得更加准确的材料的断裂韧性，本文在Bazant所做工作基础上分析认为：应该增加其试样的尺寸，以使试样的破坏失效更加接近线弹性断裂力学的范围。

1　试验方法

本文使用复合材料层合板两边开口拉伸试样(double edge notched tension specimen)，对该材料的1型层内断裂韧性进行研究。该型试样具有设计加工简单方便、试验准备和实施简单易行的优点。通常材料的失效会在试验开始就出现，因而无需记录裂纹的起始扩展。因此，本试验需要记录加载和位移数据以对试样失效时的断裂韧性进行分析。

1.1材料系统

本文用于制造试样的材料为Hexcel 单向碳-环氧T800s/M21预浸料，其材料特性如表1所示。

表1　T800s/M21 材料特性

1.2试样和试验准备

本文使用了如图4所示两边开口拉伸试样,试样分为2组，铺层方案分别为[902/0]2s,[902/02]2s。

图4　试样设计方案

为研究尺寸效应对断裂韧性的影响，试验采用了具有同样宽高比但尺寸不同的试样，如图2所示。所有试样的宽高比L/W=3.0，从而使该试样的断裂失效更符合线弹性断裂力学，使分析具有最大精度[12]。同样，开口宽度与试样宽度比2a/W取0.5。试样尺寸与铺层方案如表2所示。

表2　试样尺寸与铺层方案

图5　开口尖端的显微图像

2　试验数据整理

对于不同的试样设计，应力强度因子kIC的计算方法也不同。对于两边缺口型拉伸试样，Donadon等[13]给出：

根据Griffith应变能量释放率公式得到临界应变能释放率GIC：

另一种计算两边开口拉伸试样的断裂韧性的方法由Bao等提出[14]，应力强化因子为

Y(ρ)为与材料参数ρ有关的系数，

其能量释放率为

其中：Ex,Ey,Gxy,vxy,vyx为正交层合板的弹性常数；x，y分别代表 0°和90° 纤维方向。有

根据混合定律，纤维破坏的断裂韧性为

3　试验方法与试验过程

本试验采用Instron8801系列疲劳试验机，最大轴向载荷容量250 kN。安装试样时应保证试样置于夹具中间，且夹具和试样的纵向轴线呈一条直线以免加载时产生误差。试验时的加载速度为0.5 mm/min。试验中，加载的拉力由拉力传感器测得，数据由计算机系统采集并绘制出拉伸应力-应变曲线，直至完全破坏。

在加载过程中，试样在初始阶段会发出细碎的响声，根据观察应是少量纤维发生断裂的声音，随着加载拉力的增加，声音逐渐增大，随之试样发生破坏。

4　试验结果和分析

通过试验测得的全部两组试样的应力-应变曲线如图6所示。

图6　两组试样的应力-应变曲线

由图6可以看出：试样在破坏之前出现几次折点。这是由于复合材料层合板中的0°层纤维少量发生破坏引起的，所以最大应力可能出现在几次折点之间，而不是在试样破坏之前。由图4可以看出：试验中测得的试样位移变化范围较大，且与试样尺寸无关。这是由于试样夹持不够紧密，试验中产生滑移造成的，但因数据处理过程中并未用到应变数据，因此不影响最终的结果。

根据本文推导的应变能释放率计算方法可以分别计算出2组试验的层合板和0°层纤维的应变能释放率，如图7所示。

图7　应变能释放率

由图7可以看出：随着试样尺寸的增加，应变能释放率显著增长。由2组试验结果对比看：铺层为[902/02]2s的试样比铺层为[902/0]2s的试样应变能释放率值更高。这是由于2层0°铺层层叠使受拉强度增加，而这也符合Laffan等[8]的观察。因为更厚的0°铺层会导致沿断裂方向产生更长的基体裂缝，从而产生更多的纤维拔出，使测得的断裂韧性明显增大。通过对试样断口的显微观察也可以看出：堆叠的0°铺层产生了更明显的基体裂纹，X光检查也显示更厚的0°铺层，导致大量沿0°方向的纤维拔出。通过对比不同尺寸式样的破坏可以看出：随着尺寸的变化，失效形式不同。Hallett[7]也有类似结论。

而在与其他文献所得结果的对比发现：本次试验计算得到的层合板应变能释放率明显高于其他几种方法。类似的，0°铺层的应变能释放率值相较其他文献所得偏大。通过铺层方案的对比可得：当0°铺层在层合板中央时，会使断裂韧性值显著偏大。参考Bergan等[15]的研究，证实了当堆叠的0°铺层位于层合板对称面时,对正交铺层层合板的断裂韧性有较大的影响。

根据Bazant的研究，试样尺寸效应对试验所得的断裂韧性有一定影响。对试验结果应用线弹性断裂力学分析可以得到尺寸效应的影响，如图8所示。在与Bazant的研究结果对比发现：本次试验的结果与线弹性断裂力学分析结果相差较远。通过进一步的分析可知：试样的厚度过薄，使试样的破坏并非完全属于断裂力学，而位于层合板中央的0°铺层使所得结果有所不同。

通过分析可知：缺口复合材料层合板的拉伸破坏很复杂，受铺层和层合板尺寸的影响，不仅失效应力会有不同，而且会有多种失效模式。

图8　尺寸效应的影响

5　结束语

该文采用试验方法和不同的数据处理方法研究了正交铺层层合板的尺寸效应、铺层对1型断裂韧性的影响。所得结论为进一步准确预测不同尺寸、铺层、材料的失效形式以及断裂韧性提供了研究基础。

在后续工作中，将进一步建立含不同破坏形式的有限元模型，以尝试精确预测不同尺寸、铺层和材料的模型的失效形式及其断裂韧性。

[1]PINHO S T,ROBINSON P,IANNUCCI L.Fracture toughness of the tensile and compressive fibre failure modes in laminated composites[J].Composites Science & Technology,2006,66(13):2069-2079.

[2]LAFFAN M J,PINHO S T,ROBINSON P,et al.Measurement of the in situ ply fracture toughness associated with mode I fibre tensile failure in FRP.Part I:Data reduction[J].Composites Science & Technology,2010,70(4):606-613.

[3]LAFFAN M J,PINHO S T,Robinson P,et al.Measurement of the in situ ply fracture toughness associated with mode I fibre tensile failure in FRP.Part II:Size and lay-up effects[J].Composites Science & Technology,2010,70(4):614-621.

[4]UNDERWOOD J H,KORTSCHOT M T,LLOYD W R,et al.Translaminar fracture toughness test methods and results from interlaboratory tests of carbon/epoxy laminates[M].West Conshohocken:ASTM International,1995.

[5]HARRIS C E,MORRIS D H.Fracture behavior of thick,laminated graphite/epoxy composites[Z].Fracture Behavior of Thick Laminated Graphite/epoxy Composites,

1984.

[6]BAZANT Z P,DANIEL I M,LI Z.Size effect and fracture characteristics of composite laminates[J].Journal of Engineering Materials and Technology,1996,118(3):317-24.

[7]HALLETT S R,WISNOM M R.Experimental investigation of progressive damage and the effect of layup in notched tensile tests[J].Journal of Composite Materials,2006,40(2):119-41.

[8]YEOW Y T,MORRIS D H,BRINSON H F.A correlative study between analysis and experiment on the fracture behavior of graphite/epoxy composites[J].Journal of Testing & Evaluation,1979,7(2):117-125.

[9]MASTERS M E.Translaminar Fracture Toughness of a Composite Wing Skin Made of Stitched Warp-Knit Fabric[R].USA： Hampton:NASA Contractor Report,1997.

[12]WEIBULL W.A statistical distribution function of wide applicability[J].Journal of applied mechanics，1951:18(3):293-297.

[13]DONADON M V,FALZON B G,IANNUCCI L,et al.Intralaminar toughness characterisation of unbalanced hybrid plain weave laminates[J].Composites Part A Applied Science & Manufacturing,2007,38(6):1597-1611.

[14]BAO G,HO S,SUO Z,et al.The role of material orthotropy in fracture specimens for composites[J].International Journal of Solids and Structures.1992,29(9):1105-1116.

[15]BERGAN A C,DAVILA C G,LEONE F A.Mode I Cohesive Law Characterization of Through-Crack Propagation in a Multidirectional Laminate[C]//American Society for Composites Technical Conference.USA：NASA,2014:NF1676L-18222.

(责任编辑刘舸)

Experimental Validation of the Translaminar Fracture Toughness Concept for CFRP

LIU Lu1，MA Yi-fan2

(1.Xi’an Aeronautical University, Xi’an 710077, China;2.Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China)

An experimental investigation on the mode-1 intralaminar toughness of cross-ply laminated composites with different layups manufactured using T800S/M21 prepregs was presented in this report. The type of pre-cracked specimen that used was double edge notched tension (DENT) specimen. Widths of the specimens were 44, 52, 60, 68, 76, 84, 92, 100 mm with the same notch length/width ratio of 0.5 to study the size effect based on the size effect law proposed by Bazant. The loads as well as the displacements during the failure were monitored. The limitation of present data reduction methods from ASTM E399 was discussed; two different data reduction schemes were used and the results were compared to published data. The failure modes of all specimens were discussed based on the fractography analysis. Nominal strengths of all the specimens were measured to study the size effect and the results were compared with Bazant’s work.

fracture toughness; DENT; stress-intensity factor; size effect

2016-01-22

刘璐(1992—)，女，陕西延安人，硕士研究生，主要从事航空材料研究，E-mail:624623804@qq.com。

format：LIU Lu，MA Yi-fan.Experimental Validation of the Translaminar Fracture Toughness Concept for CFRP[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(8):57-62.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.08.009

TB33

A

1674-8425(2016)08-0057-06

引用格式：刘璐,马一凡.基于复合材料层合板断裂韧性的实验研究[J].重庆理工大学学报(自然科学)，2016(8):57-62.