断裂性能测试用试验件及其制备方法与流程

1.本发明涉及一种断裂性能测试用试验件，还涉及一种断裂性能测试用试验件的制备方法。


背景技术：

2.机织复合材料由于其优异的抗冲击性能，已应用到航空发动机的风扇叶片和包容机匣中，机织复合材料的强度精准预测已成为能否应用的关键。对于机织复合材料，由于其机织结构多变，内部结构纤维束之间相互交织，导致机织复合材料的强度预测难上加难。试验中发现，对于机织复合材料，一般裂纹起始均发生在纤维束和基体或树脂之间的界面上，并沿着界面进行裂纹扩展，因而获得纤维束和基体间的界面性能，特别是界面抵抗裂纹扩展的能力尤为重要。
3.发明人分析认为，铺层复合材料具有明显的层间界面(宏观界面)，且在界面裂纹扩展过程中，存在较明显的纤维桥联情况，获得的界面性能并非真正的纤维束与树脂间的界面性能。机织复合材料的界面更为复杂，包含纤维束与基体之间的界面、纤维束内部纤维与基体之间的界面等，纤维束内部纤维与基体的界面属于微观界面，一般通过纤维拔出等试验获得纤维与基体的界面的强度性能。纤维束与基体的界面则属于细观界面，虽然可借鉴部分纤维与基体的界面性能的测试方法开展，但由于纤维束本身内部含有多个纤维，对于测量断裂韧性等裂纹扩展性能，试验过程中裂纹的扩展可能不沿着纤维束与基体的界面，而是进入到纤维束内部，发生在纤维与基体之间，导致测量的性能纤维束与基体性能的测试难度增大。
4.本发明意在提供一种断裂性能测试用试验件及其制备方法，可以测量纤维束与基体之间的界面断裂韧性。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种断裂性能测试用试验件，可以测量纤维束与基体之间的界面断裂韧性。
6.本发明的另一目的是提供一种断裂性能测试用试验件的制备方法，可以制备出可测量纤维束与基体之间的界面断裂韧性的试验件。
7.本发明提供一种断裂性能测试用试验件，包括分别用于接收拉伸载荷的第一部分和第二部分，所述第一部分和所述第二部分分别具有在载荷方向上相对的第一侧面和第二侧面，其中，所述第一部分和所述第二部分由树脂制成；所述试验件还包括纤维束，所述纤维束中，主体段夹在所述第一侧面和所述第二侧面之间延伸，借此连接所述第一部分和所述第二部分，并且所述主体段的第二端相比于第一端更接近所述第一部分的用于接收拉伸载荷的施力位；延长段自所述主体段的第二端起贴着所述第一部分延伸，并且所述延长段的延伸方向在载荷方向上具有分量。
8.在一个实施方式中，所述第一部分还具有均与所述第一侧面垂直的两个端面，所
述两个端面中，第二端面相比于第一端面更接近所述第一部分的施力位。
9.在一个实施方式中，所述延长段的尾段贴着所述第二端面沿着载荷方向延伸。
10.在一个实施方式中，所述第一部分还具有连接所述第一侧面和所述第二端面的第一斜面，借此与所述第二部分配合形成所述试验件的v型缺口；所述延长段贴着所述第一斜面继而贴着所述第二端面延伸。
11.在一个实施方式中，所述延长段贴着所述第二端面沿着所述第二端面在载荷方向上的全长延伸。
12.在一个实施方式中，所述主体段沿着所述第一侧面在与载荷方向垂直的方向上的全长延伸。
13.在一个实施方式中，所述第一侧面和所述第二侧面均为波动形态的表面，并且所述纤维束的主体段适配成波动形态。
14.本发明还提供一种断裂性能测试用试验件的制备方法，包括：提供模具，所述模具中，上模的下表面设置有延伸的上凹槽，下模的上表面设置有延伸的下凹槽，其中，所述模具设置成所述上模可盖合至所述下模，形成模腔，且所述上凹槽与所述下凹槽对应；将纤维束嵌入所述模具的所述下模的下凹槽中；使所述上模盖合至所述下模，形成模腔，所述纤维束的上侧部分嵌入所述上模的上凹槽；以及，向所述模腔浇注树脂，固化成型，得到所述试验件。
15.在一个实施方式中，通过调整所述上凹槽和所述下凹槽的延伸形态，改变所述纤维束在所述试验件中的延伸形态。
16.在一个实施方式中，使得所述上模和所述下模中的一方具有围成容置腔的圈围凸台，通过另一方接触所述圈围凸台的凸台表面来封堵所述容置腔，使所述容置腔构成所述模腔。
17.上述断裂性能测试用试验件中，纤维束的主体段夹在树脂的第一部分和第二部分之间连接两者，可以获得纤维束和基体之间的界面，而且，通过纤维束的延长段沿着在载荷方向上具有分量的方向贴着树脂的第一部分延伸，可以确保裂纹发生在纤维束和基体之间的界面而且裂纹沿着纤维束和基体的界面扩展，因此可以测量纤维束与基体之间的界面断裂韧性。
18.上述制备方法可以制备出上述断裂性能测试用试验件，用以测量纤维束与基体之间的界面断裂韧性。而且，上述制备方法可以控制试验件中纤维束的走向，保证纤维束的走向可控，获得较为稳定可靠的试验结果。
附图说明
19.本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：
20.图1是示例性紧凑拉伸试验用试验件的正视图。
21.图2是示例性紧凑拉伸试验用试验件的侧视图。
22.图3是图1的试验件的裂纹扩展的示意图。
23.图4是示例性紧凑拉伸试验用试验件的纤维束的延伸形态的示意图。
24.图5是示例性双悬臂梁试验用试验件的正视图。
25.图6是示例性模具的分解视图。
26.图7是示例性模具的上模的立体图。
具体实施方式
27.下面结合具体实施方式和附图对本发明作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是本发明显然能够以多种不同于此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施方式的内容限制本发明的保护范围。
28.例如，在说明书中随后记载的第一特征在第二特征上方或者上面形成，可以包括第一特征和第二特征通过直接联系的方式形成的实施方式，也可包括在第一特征和第二特征之间形成附加特征的实施方式，从而第一特征和第二特征之间可以不直接联系。进一步地，当第一元件是用与第二元件相连或结合的方式描述的，该说明包括第一元件和第二元件直接相连或彼此结合的实施方式，也包括采用一个或多个其他介入元件加入使第一元件和第二元件间接地相连或彼此结合。
29.图1和图2分别从不同视角示出了根据本发明的断裂性能测试用试验件10a的一个示例构造。
30.参见图1和图2，试验件10a包括第一部分1a和第二部分2a，分别用于接收拉伸载荷f1a和f2a。试验设备可以对试验件10a施加方向相反的拉伸载荷f1a和f2a，拉伸载荷f1a和f2a可以限定载荷方向df，载荷方向df不分正反，换言之，可以包括该方向上的正向和反向，如图1和图2所示。考虑到对试验件10a进行测试的过程中，试验件10a会发生变化，如图3所示，所以，可以理解，载荷方向df意指对试验件10a进行测试时的初始状态的载荷方向。需要理解，附图均仅作为示例，并非是按照等比例的条件绘制的，不应该以此作为对本发明实际要求的保护范围构成限制。
31.第一部分1a和第二部分2a分别具有在载荷方向df上相对的第一侧面11a和第二侧面21a。换言之，第一部分1a具有第一侧面11a，而第二部分2a具有第二侧面21a，第一侧面11a和第二侧面21a在载荷方向df上彼此面对地设置。
32.试验件10a中，第一部分1a和第二部分2a由树脂制成。
33.试验件10a还包括纤维束3a。“纤维束”意指多根纤维缠绕捆束在一起的一束纤维。图1及后面的图3和图5中以黑色粗线表示纤维束。
34.纤维束3a包括主体段31a和延长段32a。主体段31a夹在第一侧面11a和第二侧面21a之间延伸，借此连接第一部分1a和第二部分2a。换言之，图1中，主体段31a的上边连接第一部分1a，而主体段31a的下边连接第二部分2a，从而试验件10a的第一部分1a、第二部分2a和纤维束3a可以连接在一起。
35.纤维束3a的主体段31a具有第一端311a和第二端312a。主体段31a的第二端312a相比于第一端311a更接近第一部分1a的用于接收拉伸载荷f1a的施力位ha。换言之，图1中，第一部分1a的用于接收拉伸载荷f1a的施力位ha位于第一部分1a的偏右侧的位置，主体段31a的第二端312a为右端，而主体段31a的第一端311a为左端。图1中，第一部分1a的用于接收拉伸载荷f1a的施力位h1a是一拉伸孔，对应地，第二部分2a也具有用于接收拉伸载荷f2a的施力位h1b，也是一拉伸孔，皆可以连接试验设备施加载荷。
36.纤维束3a的延长段32a自主体段31a的第二端312a起贴着第一部分1a延伸。并且，延长段32a的延伸方向在载荷方向df上具有分量，换言之，延长段32a至少有一段沿着不与载荷方向df垂直的方向延伸，与载荷方向垂直的方向可以称之为横向dx，如图1中示出的。
37.由于纤维束由多根纤维形成，测试时，裂纹可能发生在纤维束内部的纤维与基体之间的界面，或者，裂纹沿着纤维束内部纤维和基体之间的界面扩展，导致测量的性能不是纤维束和基体之间的界面，导致测量获得的数据并非纤维束和基体之间的性能，结果有一定的误导性。同时，对于铺层材料，分层断裂韧性测试时较易发生纤维桥联，无法获得真实的纤维束与基体界面的性能的情况进行了改善。
38.上述试验件10a中，将一根纤维束3a布置在两个树脂部分1a、2a之间，因而不会出现纤维束之间桥联的情况，设置延伸方向在载荷方向df上具有分量且贴着树脂部分1a延伸的延长段32a，可以延长试验件10a中纤维束3a的随形长度，可以控制裂纹的产生位置和扩展途径，可以使得裂纹在纤维束和基体之间产生并沿着纤维束和基体扩展，因而可以测量纤维束与基体之间界面的断裂韧性，能够获得真实的纤维束与基体界面性能参数。上述试验件10a可以无需预制裂纹或预制缺口，可以大幅降低试验件的制备难度。
39.图1示出的实施方式中，第一部分1a还可以具有均与第一侧面11a垂直的两个端面(图1中，左、右端面)。两个端面中，第二端面122a(图1中，右端面)相比于第一端面121a(图1中，左端面)更接近第一部分1a的施力位h1a。
40.图1中，延长段32a的尾段322a可以贴着第二端面122a沿着载荷方向df延伸。换言之，第二端面122a可以沿着载荷方向df延伸，延长段32a的尾段322a可以贴着第二端面122a延伸。图1的实施方式中，延长段32a贴着第二端面122a沿着第二端面122a在载荷方向df上的全长延伸。换言之，第一部分1a还可以具有在载荷方向df上与第一侧面11a相对的第三侧面13a，第一部分1a大致为矩形形状，延长段32a贴着第二端面122a一直延伸到第二端面122a与第三侧面13a的交接处。
41.图1示出的实施方式中，第一部分1a还可以具有连接第一侧面11a和第二端面122a的第一斜面14a，借此与第二部分2a配合形成试验件10a的v型缺口vs。
42.图示实施方式中，纤维束3a的主体段31a位于树脂制成的第一部分1a和第二部分2a之间，第二部分2a可以与第一部分1a对称设置，性能和尺寸可以完全相同。第二部分2a可以也具有均与第二侧面21a垂直的两个端面221a、222a，其中，端面222a相比于端面221a更接近第二部分2a的施力位h1b；第二部分2a也具有连接第二侧面21a和端面222a的斜面24a。斜面14a和24a可以构成试验件10a的v型缺口vs。预制v型缺口vs以后，试验件10a更易在期望部位发生断裂。
43.纤维束3a的延长段32a可以贴着第一斜面14a继而贴着第二端面122a延伸。换言之，纤维束3a的延长段32a包括贴着第一斜面14a延伸的前段321a和贴着第二端面122a延伸的尾段322a。
44.图1示出的实施方式中，纤维束3a的主体段31a可以沿着第一侧面11a在与载荷方向df垂直的方向(也即，横向dx)上的全长延伸。换言之，主体段31a可以从第一侧面11a与第一端面121a的交接处一直延伸到第一侧面11a与第一斜面14a的交接处；在没有第一斜面14a的情况下，第一侧面11a的右端与第二端面122a交接，此时，主体段31a可以从第一侧面11a与第一端面121a的交接处一直延伸到第一侧面11a与第二端面122a的交接处。
45.图1和图2所示的试验件10a特别适用于紧凑拉伸试验，也简称为ct试验。如图3所示，紧凑拉伸试验时，试验件10a在两个拉伸孔的拉伸载荷fa、fb形成的张开载荷下，裂纹cs首先发生在纤维束3a的主体段31a和树脂制成的第二部分2a之间，并且沿着纤维束3a的主体段31a和第二部分2a之间的界面扩展。
46.优选地，试验件10a的树脂部分(也即第一部分1a和第二部分2a)的厚度ta不宜超过纤维束3a的厚度。纤维束3a大致由多根纤维缠绕成麻绳状，其厚度也可以称之为其直径或宽度。这样，可以获得较为一致的试验数据。
47.图4示意性地示出了试验件10a的另一实施方式。图4的试验件10a中，第一部分1a的第一侧面11a和第二部分2a的第二侧面21a均为波动形态的表面，并且纤维束3a的主体段31a适配成波动形态。在机织复合材料中，纤维束特别是经纱经常呈现一种有规律的波动形态，通过将纤维束3a的主体段31a设计成波动形态构造波动形态的界面，可以更好地模拟这种情况。
48.图5示出了试验件10b，作为试验件10a的变形例。本实施例沿用前述实施例的元件标号与部分内容，其中采用近似的标号来表示相同或近似的元件，并且选择性地省略了相同技术内容的说明。关于省略部分的说明可参照前述实施例，本实施例不再重复赘述。
49.与试验件10a的主要不同在于，试验件10b中，未预制v型缺口。试验件10b中，以第一部分1b为例，第一部分1b不是矩形形状，而是l形形状，换言之，第一部分1b的第三侧面13a包括两个水平面131a、132a和连接两个水平面131a、132a的竖直面133a，大致成台阶面的形式。这种形式的试验件10b特别适用于双悬臂梁试验，可以简称为dcb试验。
50.图5所示的实施方式中，纤维束3b的延长段32b贴着第二端面122b沿着载荷方向df延伸，然而没有沿着第二端面122b的全长延伸，而是沿着第二端面122b延伸一部分便停止。需要理解，不同实施方式下的变换方式可以进行适当组合。
51.综上，上述试验件可以用于断裂性能测试，包括ct试验和dcb试验，可以评估纤维束与基体的界面断裂韧性，或者，纤维束与基体之间的界面抵抗裂纹扩展的能力。还可以通过获得不同纤维束内纤维体分含量的断裂性能测试用试验件，研究体分含量对断裂性能的影响。
52.下面将结合图6和图7描述断裂性能测试用试验件的制备方法。其中，图6是模具20的分解视图，而图7是将模具20的上模6倒放时的结构示意图。
53.首先，提供模具20，如图6和图7所示。模具20可以包括上模6和下模4。上模6的下表面61设置有延伸的上凹槽6a。下模4的上表面41设置有延伸的下凹槽4a。其中，模具20设置成上模6可盖合至下模4，形成模腔s0，且上凹槽6a与下凹槽4a对应。
54.然后，将纤维束3(可以表示前述试验件10a中的纤维束3a和试验件10b中的纤维束3b)嵌入模具20的下模4的下凹槽4a中。
55.然后，使模具20的上模6盖合至下模4，形成模腔s0，纤维束3的上侧部分31嵌入上模6的上凹槽6a。
56.向模腔s0浇注树脂，固化成型，得到试验件，例如前述试验件10a和10b。
57.上述制备方法通过rtm成型得到试验件，可以获得机织复合材料中纤维束与基体的界面。通过在模具20的上模6和下模4中的对应位置设置或加工与纤维束3形状较为接近的凹槽4a和6a，纤维束3的下侧部分32嵌入下凹槽4a，上侧部分31嵌入上凹槽6a，这样可以
对纤维束3进行定位，保证在成型过程中纤维束3不被冲刷。纤维束3大致将模腔s0分成两个腔室，两个腔室内部浇注的树脂可以形成前述试验件10a的第一部分1a和第二部分2a。
58.需要理解，实际浇注过程中，纤维束3含有的多个纤维之间具有空隙，允许树脂浸润在纤维束3中，这样可以更好地实现第一部分1a和第二部分2a与纤维束3的连接。同时，树脂可以穿过纤维束3特别是纤维束3与凹槽4a、6a之间的空隙而在两个腔室之间流动。试验发现，只要纤维束3的上侧部分31上方和下侧部分32下方的树脂足够少，就能使得测量的性能是界面的性能，而非树脂的性能。换言之，可以允许实际成型过程造成试验件10a中纤维束3的上方或下方具有少量树脂，这少量树脂可以对树脂的第一部分1a和第二部分2a起到辅助的连接作用。
59.图6示出的制备方法中，还可以在将纤维束3嵌入下模4的下凹槽4a之后，将楔形块5放置于下模4的上表面41上，楔形块5的形状可以与试验件10a中的v型缺口vs一致，楔形块5的厚度可以与上模6盖合至下模4时形成的模腔s0的厚度一致。楔形块5不仅可以有助于固定纤维束3的位置，还可以方便预制v型缺口vs。
60.上述制备方法中，可以通过调整上凹槽6a和下凹槽4a的延伸形态，改变纤维束3在试验件中的延伸形态。例如，将上凹槽6a和下凹槽4a设计成波动形态，从而形成如图4所示的波动形态的纤维束3a。优选地，纤维束3或凹槽6a、4a的波动形态沿着试验件中间对称。
61.上述制备方法中，可以使得上模6和下模4中的一方(图5中，以上模6作为前述一方为例)具有围成容置腔s1的圈围凸台6b，通过另一方(相应地，图5中，以下模4作为前述另一方为例)接触圈围凸台6b的凸台表面61b来封堵容置腔s1，使容置腔s1构成前述模腔s0。换言之，图5和图6中，通过下模4的上表面41接触上模6的圈围凸台6b的凸台表面61b，封闭圈围凸台6b圈围出的容置腔s1，从而构成模腔s0。模腔s0的厚度(也即，以试验件10a为例，也即试验件10a的厚度ta，或者，树脂的第一部分1a和第二部分2a的厚度)由上模6的圈围凸台6b来保证，圈围凸台6b的高度也即试验件10a的厚度ta。
62.进一步，可以使得前述另一方(图5中，也即下模4)具有包容腔s2，使得前述一方(图5中，也即上模6)通过圈围凸台6b适配到包容腔s2而相对于前述另一方定位。包容腔s2不仅方便上模6定位到下模4，还可以对模腔s0起到进一步的包容作用，使得内部树脂不易流出。
63.图示实施方式中，可以在上模6中设置注胶口7，可以防止注胶压力对纤维束3产生冲刷导致成型的试验件中的纤维束3发生弯曲变形。在一个实施方式中，可以在模腔s0被纤维束3分成的两个腔室中一个腔室的上侧设置一注胶口7，而在前述两个腔室中另一腔室的下侧(也即，在下模4上)设置一出胶口，可以引导树脂经由前面提及的空隙从一个腔室流到另一腔室。在另一实施方式中，也可以在模腔s0被纤维束3分成的两个腔室的上侧分别设置一注胶口。
64.上述制备方法可以制备出容易测量纤维束和基体界面断裂韧性的试验件，确保裂纹发生在纤维束和基体之间的界面。而且，上述制备方法可以容易地根据实际纤维束的走向来控制纤维束的走向，以此来进行试验件的设计与制备，还可以方便地避免试验件制备过程中预制裂纹的过程，保证试验结果的稳定性。上述制备方法实施起来非常便捷，而且成本低，还特别适用于批次制备。
65.本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技
术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。