非对称复合材料界面剪切力学性能试验装置及测试方法与流程

本发明属于材料力学性能测试设备技术领域，特别涉及一种非对称复合材料界面力学剪切力学性能试验装置及测试方法。

背景技术：

进入21世纪，随着航空航天技术的迅猛发展，多种新型空间飞行器应运而生。这些飞行器的典型特征是服役环境载荷大，服役时间显著增加，结构效率和可靠性要求更高，对飞行器的结构力学性能和热防护性能的要求也越发苛刻，为了满足新型飞行器的功能要求，许多新的热防护材料和结构得到了广泛研究。其中的高温抗氧化c/c复合材料为代表的非对称结构/功能一体化免烧蚀防热复合材料成为当前的研究热点。这种结构材料采用纤维增强c/c复合材料降低密度，并提供结构承载所需的刚度和强度，采取高温抗氧化涂层或组合形式提升综合防隔热性能，两种材料体系通过特殊的工艺预制在一起，使这类结构材料具有良好的结构效率和热防护性能，但是构成结构材料的两种材料的力学性能是完全不同的，导致该类c/c复合材料没有明确的中性面，是一种非中性面对称c/c复合材料，而且也导致两者之间存在明显的力学分界面，使得这类c/c复合材料的界面力学性能非常复杂。在其研究过程中，如何检测其力学性能非常重要，除了常规的拉伸、压缩等性能检测，结构层与功能层之间的界面力学性能是非对称结构/功能一体化c/c复合材料比较特殊的力学性能，对整个c/c复合材料的刚度与强度等力学性能影响显著。现有的复合材料剪切性能既可以通过纯剪切试验来测量，也可以通过拉伸、弯曲、扭转等试验方法测得的宏观力学行为导出，如横向拉伸法、短梁剪切法、iosipescu剪切法等，但是上述这些方法主要用于复合材料常规剪切性能的测试，无法实现其界面剪切力学性能的测试。如果采用类似astmc273/c273m-07a夹层性子剪切性能试验方法，来实现非对称复合材料界面剪切力学性能测试，一方面由于其是采用拉伸方式实现剪切载荷的施加，由于弯矩的作用，会导致夹具上产生极大的局部弯应力，在载荷较大时，会导致夹具破坏失效；另一方面，这类夹具必须直接与试样进行胶接，不方便重复使用，而且无法实现在试样不同截面位置施加剪切载荷。因此，现有的针对传统复合材料的剪切测试方法难以适用于这类非对称复合材料界面剪切力学性能的测试。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：为了解决以上问题，本发明提供一种适用于非对称复合材料界面力学性能测试的装置，联合材料万能试验机使用，实现对结构材料的交界面处施加剪切载荷，试验装置方便快捷，可重复使用。

本发明的技术方案是：非对称复合材料界面剪切力学性能试验装置，包括基座、下压装置、第一试样加强块、第二试样加强块、直线滑轨和法兰式滑块；所述基座呈凹字型，定义两个侧壁分别为第一侧壁和第二侧壁，第一侧壁上开有螺纹孔，第二侧壁上开有螺纹孔和通孔；底面为二级阶梯状，且定义两个台阶面分别为第一台阶面和第二台阶面，下压装置为l型，“l”字面上开有螺纹孔，“一”字面为二级阶梯状，且定义两个台阶面分别为第三台阶面和第四台阶面，第一试样加强块和第二试样加强块分别位于待测试样两侧且为固连；法兰式滑块插入于直线滑轨；

待测试样置于第一台阶面上，且位于基座和下压装置之间；

第一调节螺钉穿过第一侧壁上的螺纹孔后顶端与第二试样加强块相抵；第二调节螺钉穿过下压装置“l”字面上的螺纹孔后，顶端与第一试样加强块相抵；通过旋转调节螺钉和改变待测试样在基座上的位置，通过改变调节螺钉的圈数，推动试样的位置发生变化，但始终保证待测试样上下分别与第一台阶面和第三台阶面接触，且垂直于第一台阶面，且调整好位置后，保证试样的待测截面与加载中线重合；法兰式滑块插入于直线滑轨，法兰式滑块通过螺钉与下压装置“l”字面相连接，直线滑轨通过螺钉与基座第二侧壁相连接，使得下压装置仅沿基座垂直方向(即剪切载荷作用方向)发生相对位移。

本发明的进一步技术方案是：所述下压装置阶梯面上，台阶过渡处为圆角，提升抗弯能力。

本发明的进一步技术方案是：所述下压装置连接好后，只有第三台阶面与待测试样接触，其他部分不与任何部件接触。

本发明的进一步技术方案是：所述第一试样加强块和第二试样加强块与待测试样固连后，端面保持平齐。

本发明的进一步技术方案是：所述第一台阶面与第二台阶面的高度差为完成实验所需的预留空间。

本发明的进一步技术方案是：第三台阶面与第四台阶面的高度差为完成实验所需的预留空间。

本发明的进一步技术方案是：基于非对称复合材料界面剪切力学性能试验装置的测试方法，包括以下步骤：

第一步，对待测非对称复合材料进行切割取样，规格为h(高度)×w(宽度)×t(厚度)；

第二步，采用测量仪器对试样重新进行测量并记录，测量后试样的尺寸为h(高度)×w(宽度)×t(厚度)；

第三步，将待测试样与加强块进行固连，且保证试样的端面与加强块的端面平齐；

第四步，正确组装界面剪切试验装置；

第五步，将已完全固化好试样和加强块组合件放置于下压装置2和基座1之间；

第六步，通过调节调节螺钉的旋进圈数，使得试样的交界面与载荷中线对齐；

第七步，将已组装好的整个界面剪切试验装置放置在材料万能试验机平台上；

第八步，打开材料万能试验机，缓慢调整试验机平台的垂直位置和剪切试验装置的水平位置，使试验机上的压头与剪切试验装置的下压装置刚刚平稳接触，并且载荷中心与试样界面平齐；

第九步，缓慢移动试验机横梁，使两个箱体之间的距离缓慢靠近，同时观察力指示器。当试样开始承受剪切力时，停止横梁的移动；预载不能超过材料极限载荷的5％；

第十步，安装相应的测试设备消除预载，并将应变传感器等调零；

第十一步，加载，设置好试验速度后，开始试验；

第十二步，记录数据，连续或以规定的间隔频繁记录力-横梁位移和力-应变；若观察到柔度变化或初始损伤事件，记录该点的力、位移和损伤模式，记录屈服力、最大破坏力和断裂时刻或尽可能接近断裂时刻的位移、应变数据；

第十三步，保存数据，关闭材料万能试验机，测试结束；

第十四步，根据测试数据计算获得结构材料的界面剪切性能参数。

极限界面剪切强度τmax：

式中，pmax表示试验中记录的最大力，h和w分别为试样的实测高度和宽度。

第十五步，对每一组试验，计算极限剪切强度的平均值、标准差和离散系数(％)：

平均值

式中，xi表示每个试样的极限剪切强度，n为试样的样本数。

标准差sn-1：

离散系数cv：

本发明的进一步技术方案是：所述第二步中的测量仪器的精度应使其最小读数在试样几何尺寸的1％以内。

发明效果

本发明的技术效果在于：能够在试样的试验位置提供近似纯剪切载荷，对不同厚度、不同交界面位置试样提供一定的加持容许范围，相比拉伸式剪切试验装置相比，可避免在夹具上产生较大的弯曲内力。其结构稳定性好，结构形式简单，加工、安装和拆卸操作方便。

附图说明

图1为本项发明整体结构三维示意图。

图2为本项发明整体结构正视图。

图3为本项发明零件界面剪切试验装置的基座三维示意图。

图4为本项发明零件界面剪切试验装置的下压装置的三维示意图。

图5为本项发明零件试样三维示意图。

图6为本项发明零件加强块三维示意图。

图7为本项发明零件直线滑轨三维示意图。

图8为本项发明法兰式滑块三维示意图。

图9为本项发明零件界面剪切试验装置结合材料万能试验机的示意图

附图标记说明如下：

1-基座，2-下压装置，3-第一试样加强块，4-第一调节螺钉，5-直线滑轨，6-法兰式滑块，7-试样，8-第二试样加强块，9—第二调节螺钉，10—螺钉，11—第一台阶面，12—第二台阶面，13—第三台阶面，14—第四台阶面，15—第一侧壁，16—第二侧壁，17—材料万能试验机立柱，18—材料万能试验机横梁，19—本装置

具体实施方式

参见图1—图9，该界面剪切装置包括基座、下压装置、试样加强块、调节螺钉、直线滑轨及滑块组成：

所述的基座1为“凹”现状，具有两个“1”字面侧壁，第一侧壁15和第二侧壁16；具有两“一”字面平台，第一台阶面11和第二台阶面12，第一台阶面11与第二台阶面12的高度差为完成实验所需的预留空间；在第一侧壁15上开有螺纹孔，用于固定第一调节螺钉4；第二侧壁16上开有螺纹孔和通孔，螺纹孔用于通过螺钉将直线滑轨5与基座1相连接，通孔用于给调节工具留有操作空间，用于调节第二调节螺钉9，与所述的下压装置2一起为试样7提供剪切载荷，起到支撑试样7和保证整个试验装置19的抗倾覆能力(稳定性)的作用；所述的下压装置2为阶梯状，，具有“1”字侧壁，和“一”字平台，“1”字侧壁开有螺纹孔，用于固定第二调节螺钉9，“一”字平台有两个台阶面，第三台阶面13和第四台阶面14，第三台阶面13与第四台阶面14的高度差为完成实验所需的预留空间，在阶梯拐角处增加圆角来提升装置的抗弯能力。需要说明的是，因剪切试验时，需要提供沿直线滑轨方向上下移动所需的试验空间，因此基座和下压装置上的台阶面之间的高度差，是为了满足待测试样上下剪切移动所需的试验空间。

所述的待测试样7与所述的第一加强块3和第二加强块8通过胶接连接在一起，置于第一台阶面11上，且位于基座1和下压装置2之间，一方面增大试样与下压装置和基座的接触面积，保证试验过程中试样的稳定性，一方面增大试样的侧面积，方便通过调节螺钉调整试样的考核截面与载荷中线对齐；

所述的第一调节螺钉4穿过第一侧壁15上的螺纹孔后顶端与第二试样加强块8相抵；第二调节螺钉9穿过下压装置2“l”字面上的螺纹孔后，顶端与第一试样加强块3相抵；通过旋转调节螺钉4和9改变待测试样在基座上的位置，通过改变调节螺钉的圈数，推动试样的位置发生变化，但始终保证待测试样上下分别与第一台阶面11和第三台阶面13接触，且垂直于第一台阶面11，且调整好位置后，保证试样7的待测截面与加载中线重合；

所述的直线滑轨5和法兰式滑块6，可直接采购法兰式滑块和直线导轨，法兰式滑块6插入于直线滑轨5，法兰式滑块6通过螺钉与下压装置2“l”字面相连接，直线滑轨5通过螺钉与基座1第二侧壁16相连接，限制下压装置2仅沿基座1垂直方向(即剪切载荷作用方向)发生相对位移。所述的下压装置2可通过所述的直线滑轨5和法兰式滑块6实现垂直于基座的低摩擦自由移动。

本发明还公开一种使用上述试验夹具进行界面剪切力学性能测试的方法，具体包括以下步骤：

第一步，根据要求进行试样取样；

第二步，实测试样的几何尺寸，并记录，测量仪器的精度应使其最小读数在试样几何尺寸的1％以内；

第三步，将试样与加强块粘接，保证加强块的端面与试样端面平齐；

第四步，正确组装基座1、下压装置2、试样加强块3、调节螺钉4、直线滑轨5及滑块6六部分；

第五步，将粘贴好的试验与加强块放置在基座和下压装置之间；

第六步，通过调节螺钉，调整试样的交界面与载荷中线对齐；

第七步，将整个剪切试验装置放置在试验机平台上；

第八步，打开材料万能试验机，缓慢调整试验机平台和剪切试验装置的位置，使试验机上的压头与剪切试验装置的下压装置刚刚平稳接触，并且载荷中心与试样界面平齐；

第九步，缓慢移动试验机横梁，使两个箱体之间的距离缓慢靠近，同时观察力指示器。当试样开始承受剪切力时，停止横梁的移动。试验前带有少量的初始压缩力，随后立即释放，有利于对试验夹具的定位。预载应尽量小，不能超过材料极限载荷的5％，而且在试验结果中应记录方法的使用；

第十步，安装相应的测试设备，如应变传感器，非接触全场应变测量系统等。消除预载，并将应变传感器等调零；

第十一步，加载，设置的试验速度要使试样在3～6min内出现破坏，若不能合理地估计材料的极限强度，开始应使用标准速度来探索，直到了解材料的极限强度和系统柔度，然后调整试验速度，推荐的横梁标准位移速度为0.5mm/min；

第十二步，记录数据，连续或以规定的间隔频繁记录力-横梁位移和力-应变，推荐的采样速率为5～10数据/秒，和每个试验最少300个数据点。若观察到柔度变化或初始损伤事件，记录该点的力、位移和损伤模式，记录屈服力、最大破坏力和断裂时刻或尽可能接近断裂时刻的位移、应变数据；

第十三步，保存数据，关闭材料万能试验机，测试结束；

第十四步，根据测试数据计算获得结构材料的界面剪切性能参数；

第十五步，对试验数据进行统计分析。

具体实施过程为：

第一步，根据要求对非对称复合材料进行切割取样，规格为h×w×t；

第二步，采用精度为0.02mm的游标卡尺对试样进行测量，并记录，测量后试样的尺寸为h×w×t；

第三步，将试样与已加工好的钢制加强块通过环氧树脂胶进行粘接，粘贴时务必保证试样的端面与加强块的端面平齐，并采用u型夹固定，静止48小时；

第四步，正确组装界面剪切试验装置：将法兰式滑块6通过螺钉与下压装置2进行连接，将直线滑轨5通过螺钉与基座1进行连接，将连接后的滑块安装于直线滑轨上，分别将8个调节螺钉4旋进基座1和下压装置2；

第五步，将已完全固化好试样和加强块组合件放置于下压装置2和基座1之间；

第六步，通过调节8个调节螺钉的旋进圈数，使得试样的交界面与载荷中线对齐；

第七步，将已组装好的整个界面剪切试验装置放置在材料万能试验机平台上；

第八步，打开材料万能试验机，缓慢调整试验机平台的垂直位置和剪切试验装置的水平位置，使试验机上的压头与剪切试验装置的下压装置刚刚平稳接触，并且载荷中心与试样界面平齐，如果需要，此过程可重复进行；

第九步，缓慢移动试验机横梁，使两个箱体之间的距离缓慢靠近，同时观察力指示器。当试样开始承受剪切力时，停止横梁的移动。试验前带有少量的初始压缩力，随后立即释放，有利于对试验夹具的定位。预载应尽量小，不能超过材料极限载荷的5％，而且在试验结果中应记录方法的使用；

第十步，安装相应的测试设备，如应变传感器，非接触全场应变测量系统等。消除预载，并将应变传感器等调零；

第十一步，加载，设置的试验速度为0.5mm/min，开始试验。若不能合理地估计材料的极限强度，开始应使用标准速度来探索，直到了解材料的极限强度和系统柔度，然后确定试验加载速度；

第十二步，记录数据，连续或以规定的间隔频繁记录力-横梁位移和力-应变，推荐的采样速率为5～10数据/秒，和每个试验最少300个数据点。若观察到柔度变化或初始损伤事件，记录该点的力、位移和损伤模式，记录屈服力、最大破坏力和断裂时刻或尽可能接近断裂时刻的位移、应变数据；

第十三步，保存数据，关闭材料万能试验机，测试结束；

第十四步，根据测试数据计算获得结构材料的界面剪切性能参数。

极限界面剪切强度τmax：

式中，pmax表示试验中记录的最大力，h和w分别为试样的实测高度和宽度。

第十五步，对每一组试验，计算极限剪切强度的平均值、标准差和离散系数(％)：

平均值

式中，xi表示每个试样的极限剪切强度，n为试样的样本数。

标准差sn-1：

离散系数cv：