一種用于測試纖維復合材料層間剪切強度的設備與方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種用于測試纖維復合材料層間剪切強度的設備與方法，設備包括底座、外框架、下墊板、緊固螺栓、上墊塊、壓頭、支撐架和軸承。利用該設備可以保證纖維復合材料試件在指定的被測層間發(fā)生剪切破壞。此方法適合于各種單向纖維增強樹脂基復合材料的界面剪切強度的測量。本發(fā)明所提供的設備與方法對試件的制作要求低，操作簡單，測試結果可靠，重復性高。
【專利說明】一種用于測試纖維復合材料層間剪切強度的設備與方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種測試設備，特別涉及一種用于測試纖維復合材料層間剪切強度的 設備與方法。

【背景技術】
[0002] 纖維增強復合材料具有高比強度和比模量，近年來在各種工程領域有廣泛地應 用。纖維增強樹脂基復合材料的力學性能，主要取決于樹脂基體、增強纖維及其界面的粘結 性能；同時，復合材料的界面粘結性能是最薄弱環(huán)節(jié)，容易被環(huán)境侵蝕，導致其耐久性能退 化。
[0003] 纖維增強樹脂基復合材料層間剪切性能的方法主要有短梁剪切測試方法、V型槽 短梁法、品字梁法和雙缺口試件壓縮測試等方法，但上述方法均各有利弊。如短梁剪切測試 方法雖較簡單，但在短梁試驗中常常發(fā)生彎曲破壞，甚至會發(fā)生拉伸、壓縮、剪切等復雜的 破壞形式，導致測試結果不能準確反映復合材料的界面粘結性能；而V型槽短梁法試驗夾 具較復雜，對加載頭的位置精度要求較高，試驗耗時耗材，且試件制作復雜；品字梁剪切試 件方法，夾具復雜，對試件加工精度要求高，測試費時費料；雙缺口試件壓縮測試方法的試 件的加工精度要求極高，由于雙切口前緣在實際中不可能在同一層間平面，所以測試數(shù)據(jù) 是多個層間的最弱層間性能，而且容易出現(xiàn)層間剪切和拉壓混合破壞模式，難以得到被指 定層間的層間剪切性能。
[0004] 因此，如何有更好的方法和設備來表征單向纖維增強樹脂復合材料的界面的粘結 性能，亟待解決。


【發(fā)明內容】

[0005] 本發(fā)明的目的是提供一種用于測試纖維復合材料層間剪切強度的設備與方法。
[0006] 本發(fā)明所提供的設備是通過以下技術方案實現(xiàn)的：一種用于測試纖維復合材料層 間剪切強度的設備，包括底座、外框架、下墊板、緊固螺栓、上墊塊、壓頭、支撐架、軸承和試 件，外框架與底座上表面的左端固定連接，支撐架與底座上表面的右端固定連接，壓頭通過 軸承與支撐架鉸接，外框架的側面設有矩形口槽，用于限制上墊塊的水平運動，矩形口槽底 邊的高度低于軸承的中心，外框架的內側底面向下開有凹槽，用于固定下墊板，試件的上表 面與軸承的中心在同一水平面上，外框架的頂部設有緊固螺栓，外框架內設有上墊塊和下 墊板，試件通過緊固螺栓固定在上墊塊和下墊板之間，上墊塊兩邊突起部分的寬度與矩形 口槽的寬度相同，使得上墊塊只能沿堅直方向運動，外框架、下墊板及上墊塊靠近支撐架7 方向的一面均在同一個堅直平面內。
[0007] 本發(fā)明還具有如下特征：
[0008] 所述的向試件施加向下壓力的壓頭的下表面與軸承的中心在同一水平面上；當壓 頭的下表面處于水平位置時，壓頭的下邊緣與上墊塊的上邊緣之間的空隙小于〇. 1mm，保證 試件在指定的堅直平面內發(fā)生剪切破壞；壓頭靠近外框架的一面有傾斜度，保證壓頭在向 下運行的過程中不接觸外框架，壓頭的上表面設有一個突起。
[0009] 本發(fā)明所提供的用于測試纖維復合材料層間剪切強度的方法包括以下步驟：
[0010] 1)試件準備：將圓柱或矩形單向纖維增強樹脂復合材料試件的兩邊垂直于纖維 方向各切下一塊，保證兩個切面平行；
[0011] 2)試件安裝：選擇對應高度的下墊板，試件放在下墊板上，蓋上上墊塊，調整試件 的位置，使其指定的剪切面恰好處于上墊塊邊緣，并擰緊緊固螺栓，固定試件，并確定試件 的高度與軸承中心在同一水平面；
[0012] 3)試件測試：并將此測試設備放在萬能試驗機的底座上，調整設備的水平位置使 壓頭的凸起部分處于萬能試驗機的受力中心，利用萬能試驗機向壓頭的凸起部分施加壓 力，并記錄荷載-位移曲線，試件破壞后，停止試驗；
[0013] 4)數(shù)據(jù)分析：試件的層間剪切強度等于最大荷載除以試件剪切面的寬度與高度 乘積。
[0014] 本發(fā)明可以保證試件在指定的被測層間發(fā)生破壞。此方法適合于各種單向纖維增 強樹脂基復合材料的界面剪切強度的測量，通過調整下墊板的高度，可以測得不同高度的 試件的界面剪切強度。本發(fā)明所提供的設備與方法對試件的制作要求低，操作簡單，成功率 商。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015] 圖1為本發(fā)明整體結構示意圖；
[0016] 圖2為本發(fā)明的側視圖；
[0017] 圖3為外框架部分的右立面圖；
[0018] 圖4為下墊板與外框架的裝配示意圖；
[0019] 圖5為上墊塊示意圖。

【具體實施方式】
[0020] 下面通過附圖進一步闡明本發(fā)明的實質性特點和顯著進步：
[0021] 一種用于測試纖維復合材料層間剪切強度的設備，包括底座1、外框架2、下墊板 3、緊固螺栓4、上墊塊5、壓頭6、支撐架7、軸承8和試件9,其特征在于：外框架2與底座1 上表面的左端固定連接，支撐架7與底座1上表面的右端固定連接，壓頭6通過軸承8與支 撐架7鉸接，外框架2的側面設有矩形口槽，用于限制上墊塊的水平運動，矩形口槽底邊的 高度低于軸承8的中心，外框架2的內側底面向下開有凹槽，用于固定下墊板3,試件9的上 表面與軸承8的中心在同一水平面上，外框架2的頂部設有緊固螺栓4,外框架內設有上墊 塊5和下墊板3,試件9通過緊固螺栓4固定在上墊塊5和下墊板3之間，上墊塊5兩邊突 起部分的寬度與矩形口槽的寬度相同，使得上墊塊5只能沿堅直方向運動，外框架2、下墊 板3及上墊塊5靠近支撐架7方向的一面均在同一個堅直平面內。
[0022] 所述的向試件施加向下壓力的壓頭6的下表面與軸承8的中心在同一水平面上； 當壓頭6的下表面處于水平位置時，壓頭6的下邊緣與上墊塊5的上邊緣之間的空隙小于 0. 1_，保證試件9在指定的堅直平面內發(fā)生剪切破壞；壓頭6靠近外框架的一面有傾斜度， 保證壓頭6在向下運行的過程中不接觸外框架，壓頭6的上表面設有一個突起。
[0023] 本發(fā)明所提供的用于測試纖維復合材料層間剪切強度的方法包括以下步驟：
[0024] 1)試件準備：將圓柱或矩形單向纖維增強樹脂復合材料試件的兩邊垂直于纖維 方向各切下一塊，保證兩個切面平行；
[0025] 2)試件安裝：選擇對應高度的下墊板3,試件放在下墊板3上，蓋上上墊塊5,調整 試件9的位置，使其指定的剪切面恰好處于上墊塊5邊緣，并擰緊緊固螺栓4,固定試件9， 并確定試件9的高度與軸承8中心在同一水平面；
[0026] 3)試件測試：并將此測試設備放在萬能試驗機的底座上，調整設備的水平位置使 壓頭6的凸起部分處于萬能試驗機的受力中心，利用萬能試驗機向壓頭6的凸起部分施加 壓力，并記錄荷載-位移曲線，試件破壞后，停止試驗；
[0027] 4)數(shù)據(jù)分析：試件的層間剪切強度等于最大荷載除以試件剪切面的寬度與高度 乘積。
[0028] 實施例1
[0029] 為了更好的說明本發(fā)明的設備與測試方法，下面結合附圖和具體施例對本發(fā)明作 進一步的詳細說明。一種測試設備，用于測試單向纖維增強樹脂基復合材料的層間剪切強 度，主要包括：底座1、外框架2、下墊板3,用來調整試件9上表面的高度；緊固螺栓4,向試 件9的一端施加向下的力以固定試件9 ;上墊塊5,將緊固螺栓4的集中荷載均勻的傳遞到 試件9表面；壓頭6,用于向試件9施加向下的力，使試件9沿指定層間破壞；支撐架7,用來 支撐壓頭的一端；軸承8,將壓頭6的一端固定在支撐架7上。
[0030] 外框架2固定在底座上，側面開有矩形口槽，用于限制上墊塊5的水平運動，矩形 口槽下邊的高度略低于軸承8中心即可，方便實際操作。外框架2的內側底面向下開有凹 槽，用于固定下墊板3。
[0031] 如圖4所示，下墊板3向下突起部分的尺寸與外框架2內側底面的凹槽尺寸相同， 使下墊板3正好固定在外框架2上，其高度滿足試件9放在下墊板3上時，試件9的上表面 與軸承8的中心在一個水平面上。
[0032] 如圖2所示，上墊塊5的兩邊突起部分的寬度正好與外框架2側面的矩形口槽的 寬度一樣，使得上墊塊5只能沿堅直方向運動。
[0033] 緊固螺栓4在外框架2的頂部，并且可以通過扭緊緊固螺栓4施加壓力至上墊塊 5,固定試件9。
[0034] 外框架2、下墊板3及上墊塊5的靠近支撐架方向的一面在同一個堅直平面內。
[0035] 壓頭6的下表面與軸承8中心在同一水平面上，保證壓頭6正壓在試件9上。
[0036] 如圖2所示，當壓頭6下表面處于水平位置時，壓頭6的下邊緣A處與上墊塊的下 邊緣B處的空隙小于0. 1_，保證試件在指定的面內發(fā)生剪切破壞，而不是在一個范圍內破 壞。
[0037] 如圖2所示，壓頭6側面有一定的傾斜度，保證壓頭6向下運行過程中不接觸外框 架2。
[0038] 壓頭6的側面傾斜應盡可能的小，同時壓頭6的頂面有一突出，且此突出應盡可能 的窄，共同保證萬能試驗機測得的壓力能準確的反映破壞面上的剪力；
[0039] 壓頭6的A點到軸承8中心的距離與試件破壞時的最大位移的比值大于200,保證 壓頭6在向下運行的過程中，斜壓對試件的影響忽略不計，試件主要受到剪切破壞。
[0040] 整個設備的受力部分的硬度一定要足夠，以防在測試的過程中對實驗結果造成影 響
[0041] 一種測試方法，用于測試纖維增強樹脂基復合材料界面剪切強度，其特征在于，利 用上述單纖維增強樹脂基復合材料的層間剪切強度測試設備，包括如下步驟：
[0042] 1)試件準備：將單向纖維增強樹脂復合材料材料垂直于纖維方向切下一塊規(guī)定 高度的圓柱或矩形試件，保證兩個斷面平行；
[0043] 2)試件安裝：選擇對應高度的下墊板，試件放在下墊板上，蓋上上墊塊，調整試件 的位置，使其指定的剪切面恰好處于上墊塊邊緣，并擰緊緊固螺栓，固定試件，并確定試件 高度與軸承中心在同一水平面；
[0044] 3)試件測試：并將此測試設備放在萬能試驗機的底座上，調整設備的水平位置使 壓頭的凸起部分處于萬能試驗機的受力中心，利用萬能試驗機向壓頭的凸起部分施加壓 力，并記錄荷載-位移曲線，試件破壞后，停止試驗；
[0045] 4)數(shù)據(jù)分析：試件的層間剪切強度等于最大荷載除以試件剪切面的寬度與高度 乘積。
[0046] 此方法可以保證試件在指定的被測層間發(fā)生破壞。此方法適合于各種單向纖維增 強樹脂基復合材料的層間剪切強度的測量，通過調整下墊板的高度，可以測得不同高度的 試件的層間剪切強度。
【權利要求】
1. 一種用于測試纖維復合材料層間剪切強度的設備，包括底座（1)、外框架（2)、下墊 板（3)、緊固螺栓（4)、上墊塊（5)、壓頭￠)、支撐架（7)、軸承（8)和試件（9)，其特征在于： 外框架（2)與底座（1)上表面的左端固定連接，支撐架（7)與底座（1)上表面的右端固定 連接，壓頭（6)通過軸承（8)與支撐架（7)鉸接，外框架（2)的側面設有矩形口槽，用于限 制上墊塊的水平運動，矩形口槽底邊的高度低于軸承（8)的中心，外框架（2)的內側底面向 下開有凹槽，用于固定下墊板（3)，試件（9)的上表面與軸承（8)的中心在同一水平面上，夕卜 框架（2)的頂部設有緊固螺栓（4)，外框架（2)內設有上墊塊（5)和下墊板（3)，試件（9) 通過緊固螺栓（4)固定在上墊塊（5)和下墊板（3)之間，上墊塊（5)兩邊突起部分的寬度 與矩形口槽的寬度相同，使得上墊塊（5)只能沿堅直方向運動，外框架（2)、下墊板（3)及上 墊塊（5)靠近支撐架（7)方向的一面均在同一個堅直平面內。
2. 根據(jù)權利要求1所述的一種用于測試纖維復合材料層間剪切強度的設備，其特征在 于：所述的向試件施加向下壓力的壓頭￠)的下表面與軸承（8)的中心在同一水平面上； 當壓頭（6)的下表面處于水平位置時，壓頭（6)的下邊緣與上墊塊（5)的上邊緣之間的空 隙小于0. 1_，保證試件（9)在指定的堅直平面內發(fā)生剪切破壞；壓頭（6)靠近外框架的一 面有傾斜度，保證壓頭（6)在向下運行的過程中不接觸外框架，壓頭（6)的上表面設有一個 突起，以保證外力平行于試件的剪切面。
3. -種用于測試纖維復合材料層間剪切強度的方法，其特征在于： 1) 試件準備：將圓柱或矩形單向纖維增強樹脂復合材料試件的兩邊垂直于纖維方向 各切下一塊，保證兩個切面平行； 2) 試件安裝：選擇對應高度的下墊板（3)，試件放在下墊板（3)上，蓋上上墊塊（5)，調 整試件（9)的位置，使其指定的剪切面恰好處于上墊塊（5)邊緣，并擰緊緊固螺栓（4)，固定 試件（9)，并確定試件（9)的高度與軸承（8)中心在同一水平面； 3) 試件測試：并將此測試設備放在萬能試驗機的底座上，調整設備的水平位置使壓頭 (6)的凸起部分處于萬能試驗機的受力中心，利用萬能試驗機向壓頭（6)的凸起部分施加 壓力，并記錄荷載-位移曲線，試件破壞后，停止試驗； 4) 數(shù)據(jù)分析：試件的層間剪切強度等于最大荷載除以試件剪切面的寬度與高度乘積。
【文檔編號】G01N19/04GK104062231SQ201410327568
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年6月30日 優(yōu)先權日:2014年6月30日
【發(fā)明者】咸貴軍, 楊苗苗, 李惠 申請人:哈爾濱工業(yè)大學