【獨家】夾層復合材料的單懸臂梁測試分析
經過幾年的研究和開發，單懸臂梁測試方法正在ASTM D30復合材料委員會的規范化過程中。
圖1 單懸臂梁（SCB）測試配置
近年來，人們對夾層復合材料新測試方法的開發和規范化越來越感興趣，其中包括斷裂力學，缺口敏感性和損傷耐受性測試。 夾層復合材料的這一趨勢類似于1980年代和1990年代聚合物基復合材料（PMC）相同測試方法的發展時期。在這兩種情況下，這些開發都是由新的應用程序驅動的，對于這些應用程序來說，這些特性是重要的設計考慮因素。 在本專欄中，我們將重點關注正在接近ASTM規范化的夾層復合材料的I型斷裂力學測試-單懸臂梁（SCB）測試。
先，斷裂力學測試方法用于測量材料對現有裂紋擴展的抵抗力。 對于PMCs，模式I斷裂力學測試方法是1994年標準化為ASTM D55281的雙懸臂梁（DCB）測試。此測試用于測量在打開模式（模式I）載荷下單向層壓板中現有分層的抗增長或斷裂韌性。
對于夾層復合材料也是如此，SCB測試用于測量面板/核心界面區域中現有粘合劑的I型斷裂韌性。 使用連接到上面板末端的鋼琴鉸鏈或加載塊施加垂直拉力（圖1）。上面板的剝離端起懸臂梁的作用，因此得名-單懸臂梁測試。 夾層樣品的下面板通過邊緣夾緊機構固定在基座上。
與DCB測試不同，在DCB測試中，測得的斷裂韌性被視為PMC的材料性能，而使用SCB測試產生的斷裂韌性被視為結構性能。這是為什么呢？ 測得的斷裂韌性取決于所測試的夾層結構-包括面板材料和厚度，芯材，粘合劑和制造方法。 另外，夾層結構的改變可能導致松解在面板/芯部界面區域內的不同厚度的貫穿位置處傳播。
這一結構特性的概念是在測試來自相同夾層板在不同面板厚度的一系列SCB測試樣品時觀察到的，這些樣品是在測試前通過將兩個玻璃狀倍壓器的厚度粘接到面板的外表面而產生的(圖2)。隨著面板總厚度(以及彎曲剛度)的增加，I型斷裂韌性(GIc)的測量值也隨之增加。這種增加與膠粘劑從鄰近面板的粘合劑層遷移而進入相鄰的芯材（在這種情況下為Nomex蜂窩材料）有關。詳細的有限元分析表明，裂紋尖端存在剪應力，產生了一個小的II型(剪切)斷裂韌性分量。雖然相對于穿透厚度的拉伸應力較小，但這些剪切應力的正負號和大小取決于離面板的距離，并在測量的斷裂韌性和穿透厚度的脫粘位置上產生了觀察到的差異。由于可能存在這種小的模式II組件，因此將SCB測試稱為模式I主導測試。
全厚度分布位置和產生的GIc值，用于增加立面厚度。
A. 僅面板， GIc ≈ 0.6 N-mm/mm2
B. 面板+ 0.6毫米倍壓器，GIc ≈ 1.2 N-mm/mm2
C. 面板+ 1.6毫米倍壓器， GIc ≈ 1.8 N-mm/mm2
類似于單向層壓板的DCB測試，可以使用相同的SCB測試樣品獲得初始和擴展斷裂韌性。初始斷裂韌性是對具有規定的裂紋前沿和指定的貫穿厚度的位置的粘連物的初始生長的抵抗力的量度。當用于研究從尖銳的裂紋尖端開始的初始粘結增長時，在夾芯板制造過程中，將非常?。?10微米）的非粘性PTFE膜插入面板/芯粘結線中。但是，其他類型的裂紋前沿可能也很有趣，例如由面板/核心界面處存在的異物碎片（FOD）產生的裂紋前沿。在執行測試時，以多個剝離長度記錄力和位移值，直到剝離傳播10-15毫米為止。使用類似于ASTM D5528 DCB測試方法的修正梁理論方法計算初始斷裂韌性。由于在計算GIc的初始值時假設線性彈性行為，因此必須確定合適的初始剝離長度，以避免在測試過程中剝離面板的大旋轉和彎曲破壞。
傳播斷裂韌性與自然傳播的脫粘的生長阻力有關，該脫粘已穩定在其選的穿透厚度位置。因此，在測量之前，必須將初始剝離傳播適當的距離，通常為10-15毫米，以使天然裂紋尖端的整個厚度位置穩定。如果已經進行了引發斷裂韌性測試，10-15毫米的脫粘擴展通常就足夠了。否則，可能會使用剃須刀片或細齒鋸片進行初始脫粘并保持盡可能靠近面板/核心界面。 通常，脫粘傳播的長度為10-15毫米就足以產生厚度穩定的，自然傳播的脫粘。
圖3 確定傳播斷裂韌性的面積測定法。來源：Dan Adams
使用區域方法計算傳播斷裂韌性，使用在加載和卸載過程中在施加力與十字頭位移圖中產生的封閉區域。 由于該方法不需要線性彈性行為，大的旋轉面是可以的。以恒定的十字頭加載速率加載試件，并定期記錄加載力和位移值，以便正確生成加載和卸載曲線(圖3)。 脫膠傳播30至40毫米，測試暫停，以標志脫膠尖端卸載前的后位置。傳播斷裂韌性計算如下
其中ΔU是應變能的損失，其對應于脫粘增長的面積ΔA。使用諸如梯形法的計算機生成的數值積分方法，將ΔU的值為圖3中所示的陰影區域的計算值。
參考文獻
1.ASTM D5528 – 13, “Standard Test Method for Mode I Interlaminar Fracture Toughness of Unidirectional Fiber-Reinforced Polymer Matrix Composites,” ASTM International (W. Conshohocken, PA, US), 2013 (first issued in 1994).
2.Ratcliffe, J.G. and Reeder, J.R. “Sizing a Single Cantilever Beam Specimen for Characterizing Facesheet – Core Debonding in Sandwich Structure,” Journal of Composite Materials, Vol. 45, No. 25, 2011.
