碳纤维强化塑料（CFRP）中剪切弹性模量，剪切强度检测方案(万能试验机)

LAAN-A-AG-E015 Application No.i250News 400-650-0439 复合材料剪切试验((霍氏法) 摘要：本文介绍使用岛津电子万能试验机 AGS-X 50KN 进行复合材料(CFRP)V型切口梁试样(V-Notched Beam) 霍氏法剪切试验的示例(参考 ASTM D5379标准)。该方法作为面内剪切试验法被广泛应用于复合材料领域。本次试验对Ⅴ型缺口的样片以非对称的4个点支撑并加载压缩载荷，可在试验部位(参照图1)加载单纯剪切应力的试验方法。该方法夹具相对容易且便于放置样片，适用于测量单向材料、交错层压材料以及短纤维材料等各种 CFRP层压材料。 关键词： Autograph 精密万能试验机复合材料剪切试验 碳纤维增强复合材料是以碳纤维或碳纤维织物为增强体，以树脂、陶瓷、金属、水泥、碳质或橡胶等为基体所形成的复合材料。在众多轻量化材料中轻量化效果十分明显，在航空航天、军工产品中得到广泛应用。应用在车身结构件中，减轻质量效果尤为明显，比钢铁材料轻50%，比铝材轻30%，因此得到国内外各大汽车公司的广泛关注。 碳纤维强化塑料(CFRP)与以往的材料相比，在平行于增强方向上具有高强度高刚性，且氧化后不会生锈等特点，所以适用 实验部分 1.1仪器与夹具 AGS-X 50KN电子万能试验机 复合材料剪切夹具 TRAPEZIUMX软件(单一试验) 1.2分析条件 试验温度：室温20℃左右 载荷传感器：50KN (0.5级) 试验夹具：复合材料剪切夹具 试验速率： 2mm/min 1.3样品及处理 图1为 ASTM D5379 中规定的样片信息。样片使用东丽株式会社生产的 T800S 预浸料通过热压罐成型， [0/90]交叉叠层压材料。为了测量-45°以及45°方向的变形，将2轴式应变仪粘贴于加工有上下Ⅴ型缺口的中心部位(标定部位中央)。 图1.复合材料剪切试验样片形状 于强度和耐久性要求较高的工业产品。 CFRP 复合材料不同于以往的均质材料，具有各向异性，在承受载荷的应力主轴方向呈现出拉伸、压缩、弯曲、面内剪切、向外剪切或兼有上述动向的复杂受力情况。近年来，为了减少试制次数，降低新产品开发的成本，CAE 分析被广泛应用。为了提高对所设计产品的性能预测精度，需要采集各种种据，因此，在进行 CFRP 试验时，对于分别测量各断裂现象的试验方法的要求越来越高。 试验介绍 将上述两个应变仪测得的应变值代入公式(1)，可求出剪切应变值，这是评价剪切弹性模量不可或缺的特性数据。本次试验中，在样片的表面与背面分别粘贴了应变仪。通过读取上述两个应变仪的输出数值并求出其平均值，可准确得到样片上出现的剪切应变信息，由此确认样片的正面与背面对称加载时的剪切应变负荷。 公式(1) 图2为试验的状况。通过 TRViewX(非接触式视频引伸计)得到的拍摄图像与从应变仪输出的样片应力与应变值同步，可以对各种数据进行比较，可以相对以往的试验计量系统难以掌握的CFRP 断裂过程进行评价。此外，根据 TRViewX拍摄图像，可以通过 DIC (Digital Image Correlation)技术，分析评价变形分布。为了进行 DIC 分析，需要使用喷涂式涂料。试验前在样片表面上喷出不规则图案。 图2.试验状况 结果与结论 3.1试验结果 表2为本次试验中采集的各种数据；图3为试验后的试样照片；图4为剪切应力-应变线图(应变值为从应变仪读取的数值)；；图5为剪切应力-剪切应变线图(剪切应变值为根据公式(1)算出的数值)；图6为剪切应力-位移线图。通过表2可知，各种剪切数据说明重复性良好。由图4和图5可知，由于试样表面与背面的应变仪显示出相同的输出值，可以推测样片上加载了对称且剪切应变良好的载荷。 表2.试验结果 试样 剪切弹性模量(GPa) 剪切强度(MPa) Test 1 4.62 135.0 Test 2 4.63 133.0 Test 3 4.50 131.0 平均 4.58 133.0 图3.试验完成后的试样 图4.剪切应力-应变曲线 图5.剪切应力-剪切应变曲线 图6.剪切应力-位移曲线 图7为样片的断裂状况。图8为通过 DIC 分析得到的剪切应变分布图像。样片上出现的应变量以相应的颜色表示。应变量较小的部位以冷色(黑色、蓝色)表示，应变量较大的部位以暖色 (橘色、红色)表示。随着试验的进展，发现V型缺口间的局部出现应变集中现象。 图7.式样断裂状况(断裂点细部) 图8.剪切应变分布(DIC分析图像) |结论 综上所述，使用本试验系统可顺利进行V型缺口的剪切试验。在系统中安装非接触式视频引伸计后，不仅能够评价剪切弹性模量和剪切强度等基本数据，还可作为了解CFRP 破坏原理的参考数据使用，通过 DIC 技术详细分析样片的破坏过程及程度。 ( 岛津企业管理(中国)有限公司岛津(香港)有限公司 ) *本资料未经许可不得擅自修改、转载、销售； ( http：//www.shimadzu.com.cn ) *本资料中的所有信息仅供参考，不予任何保证。如有变动，恕不另行通知。 用户服务热线电话： 800-810-0439 因为碳纤维强化塑料（CFRP）与以往的材料相比，具有高强度高刚性，且不会氧化生锈等特点，特别适用于强度和耐久性要求较高的工业产品。CFRP 复合材料不同于以往的均质材料，具有各向异性，在承受载荷的应力主轴方向呈现出拉伸、压缩、弯曲、面内剪切、面外剪切或兼有上述动向的复杂断裂现象。近年来，为了减少试制次数，降低新产品开发的成本，CAE 分析被广泛应用。为了提高对所设计产品的性能预测精度，需要采集各种数据，因此，在进行 CFRP 试验时，对于分别测量各断裂现象的试验方法的要求越来越高。评价复合材料的试验方法有多种。其中，作为面内剪切试验方法，以纤维强化复合材料的纤维方向或织物层压材料为目标，在设有缺口的样片上取非对称的 4 个点加载弯曲负荷的Iosipescu法（ASTM D5379），以及在±45 的层压材料上加载拉伸负荷的方法（ISO 14129）最为普及。本次试验使用 V-Notched Rail Shear 法（ASTM D7078），能够稳定进行面内剪切试验。另外，因样片的测量部位较大，可同时适用于无孔样片及短纤维系列 CFRP 层压材料的测量。使用本次试验系统可顺利进行 V-Notched RailShear（ASTM D7078）的剪切试验。在系统中安装非接触式引伸计后，不仅能够评价剪切弹性模量和剪切强度等基本数据，还可做为分析CFRP破坏原理的参考数据，实时跟踪样片的破坏状况，以及通过DIC技术进行应变分析。