[发明专利]一种异质多层复合板层间剪切强度测量计算方法

说明书

本发明提出了一种异质多层复合板层间剪切强度测量计算方法，用以解决现有复合材料层间剪切强度测试方法只适用于单层复合板或各向同性层合板的情况。本发明的步骤为：从纯弯曲理论出发，构建了三层不同模量、不同厚度板材组成的矩形截面复合板纯弯曲时的正应力计算公式；根据正应力计算公式建立了复合板中性面位置及厚度方向任意位置切应力计算方法；推导出n层矩形截面复合板纯弯曲时的正应力、中性面位置和层间切应力分布的计算通式。本发明结合三点弯曲试验测量的最大载荷和层间破坏位置，可准确计算出异质多层矩形截面复合板切应力分布和层间剪切强度；突破了现有层间剪切强度测试方法的局限，填补了该领域的空白。

技术领域

本发明涉及复合板层间剪切强度测量计算的技术领域，尤其涉及一种异质多层复合板层间剪切强度测量计算方法。

背景技术

复合材料是由两种或多种不同性质的材料用物理或化学方法在宏观尺度上组成的具有新性能的材料，具有比强度和比刚度高、耐高温、可设计强等一系列优点，在航天、建筑、交通、机械等领域得到广泛的应用，而由复合材料制造的试件强度也成了关注的热点。

对于层合板结构的复合材料，当相邻层之间产生相对位移时，在试件的内部会产生应力来阻止这种变化，而层间应力的存在会导致复合材料容易层间破坏，因此复合材料具有较差的层间破坏强度，尤其是层间剪切强度。由于复合材料在使用中常常会导致层间破坏，进而导致整个试件的破坏，因此提高复合材料试件的层间剪切强度以及准确测试其剪切强度是一项有重要意义的工作。

影响复合板层间剪切强度的因素有表面处理、复合温度、复合工艺等，已经有很多学者通过各种方法来提高复合板的层间剪切强度。Tw A,Qiang S A等人采用电泳沉积法在碳纤维上沉积碳化硅纳米线，再采用化学气相沉积法原位接枝石墨烯，制备了碳纤维增强环氧树脂复合材料，之后用三点弯曲实验测试该复合材料的层间剪切强度，由于碳纤维与环氧树脂的界面得到改善，该材料的层间剪切强度显著提高。R Ding等人把被3-氨基丙基三乙氧基硅烷改良的Ti₂C接枝到碳纤维表面，改善连续碳纤维增强环氧树脂复合材料的界面性能，并用三点弯曲实验测试该复合材料的层间剪切强度，剪切强度显著提高。Qiu B,Sun T等人将羧甲基纤维素(CMC)和氧化石墨烯(GO)通过氢键引入碳纤维表面，制成碳纤维增强环氧树脂复合材料，之后用短梁剪切法测试该复合材料的层间剪切强度，结果表明CMC和GO能明显提高该复合材料的层间剪切强度。目前，关于如何提高复合材料试件层间剪切强度的研究很多，而对于复合材料层间剪切强度的准确测试计算方法研究甚少，这对于准确探究复合材料的力学性质十分不利。

目前，测试复合材料层间剪切强度的主要方法有：①三点弯曲法(短梁剪切法)；②四点弯曲法；③非对称四点弯曲法。由于四点弯曲对试样长度要求较高，且加载压头的结构较复杂，因此试验简单的三点弯曲法应用更为普遍。Madhavi P等人研究了玻璃纤维织物和碳纤维织物复合材料的层间剪切强度，并用短梁剪切试验测试其层间剪切强度；Pahr D H等人用短梁剪切法与双搭接剪切法研究了同一材料的层间剪切强度，结果表明这两种测试方法得到的结果有显著差异，有限元分析证明标准化的层间剪切强度评估程序对短梁剪切法测试或多或少是有效的。然而不管是三点弯曲法、四点弯曲法，还是非对称四点弯曲法，它们都是仅适用于单层板或各向同性板的层间剪切强度计算(单层板定义为一层单层或几层相同材料和相同主方向的单层板复合而成的层合板)。当测试试样不是单层板或各向同性板时，得到的剪切强度与材料实际的剪切强度会有较大差异。因为，根据最新标准JC/T773-2010以及ASTM D2344，用于测试剪切强度的公式均为其中，F表示最大载荷，b表示试件的宽度，H表示试件的厚度。该公式并未考虑多层板材弹性模量的变化，因此只适用于单层板或各向同性板、且中性面在厚度几何中心的情况。