本发明涉及复合材料材料性能测试领域，具体地涉及一种复合材料层间断裂韧性测试用夹具及其应用。
背景技术：
纤维增强复合材料作为一种新兴的高性能轻质复合材料，具有高强度、高硬度、抗疲劳性好、耐腐蚀性好等多种优异的特点，在军用和民用领域都有着越来越广泛的应用。层间复合材料具有增强体性能远高于基体性能的特点，面内方向上通过调整各方向纤维比例可以调整其性能，但层间性能则是复合材料的明显弱项，例如碳纤维准各项同性板的拉伸性能可达700MPa-1200MPa，而层间方向拉伸强度仅有59MPa左右。由此可见，层间性能是复合材料的弱点，需要重点关注，描述层间分层断裂，需要进行层间断裂韧度(GIC)测试。
目前的层间断裂韧度的测试标准中，国标与ASTM标准均没有规定测试过程中选用的测试夹具，因此，本领域尚无标准化的层间断裂韧度测试用夹具。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种特别适合层间断裂韧度测试用夹具，以推动该夹具的标准化进程，进而指导复合材料的研发方向。
本发明的第一方面，提供了一种层间断裂韧性测试用夹具，所述夹具包含第一夹具组件和第二夹具组件，
所述第一夹具组件包含：固定基座、移动基座、连接件和金属合页，其中，所述固定基座与所述移动基座连接，且所述移动基座相对于所述固定基座在X轴方向可自由运动；所述移动基座和所述连接件连接，且所述连接件相对于所述移动基座在Y轴方向可自由运动；所述连接件与所述金属合页连接；
所述第二夹具组件和所述第一夹具组件对称设置且两者组成相同。
在另一优选例中，所述固定基座的一端为夹持端，用于与万能实验机夹持连接；所述固定基座的另一端设有滑道；
所述移动基座包含平行布置的两个金属板，所述两个金属板的一端通过所述滑道与所述固定基座连接，且所述两个金属板可在所述固定基座的所述滑道上自由滑动；所述两个金属板的另一端对称设置有连接孔A；
所述连接件的一端设有连接孔B，且所述连接件设置于所述移动基座的所述两个金属板之间，所述连接件与所述移动基座的所述两个金属板通过贯穿所述连接孔A和所述连接孔B的固定元件A连接；所述连接件的另一端设有凹槽，且在所述凹槽的两个对称面上对称设置有连接孔C；
所述金属合页包含销接的金属片A和金属片B，且所述金属片A上设置有连接孔D，所述金属合页与所述连接件通过贯穿所述连接孔C和所述连接孔D的固定元件B连接。
在另一优选例中，所述第一夹具组件和所述第二夹具组件平行设置。
在另一优选例中，所述固定基座的所述滑道包含：与所述夹持端垂直设置的底板、垂直于所述底板且对称设置的侧板和垂直于所述侧板且平行于所述底板且对称设置的限制板，所述限制板用于限制所述移动基座的所述两个金属板的活动区间，以阻止所述两个金属板在沿所述金属板方向脱离所述固定基座。
在另一优选例中，所述底板、所述侧板和所述限制板的长度相同，优选地，所述长度为所述金属板宽度的5-50倍，可确保所述金属板不会滑出所述滑道。
在另一优选例中，所述夹持端、所述底板、所述侧板和所述限制板是一体成型的。
在另一优选例中，所述两个金属板与所述固定基座连接的一端对称设有凹槽，用以将所述两个金属板卡装在所述限制板上。
在另一优选例中，所述两个金属板的宽度与所述滑道的宽度相匹配。
在另一优选例中，所述凹槽与所述连接孔A之间的垂直距离为所述金属板长度的50-90％，较佳地60-80％。
在另一优选例中，所述固定元件A和/或固定元件B为选自下组的元件：销、螺栓螺母组件。
在另一优选例中，所述连接孔A内设有螺纹；和/或
所述连接孔B内为光滑面，未设置螺纹。
在另一优选例中，所述连接孔B的直径≥所述连接孔A的直径。
在另一优选例中，所述连接孔B的直径与所述连接孔A的直径的比值为1-1.2，较佳地1.05-1.15，更佳地1.08-1.12。
在另一优选例中，所述连接孔B与所述连接件的所述凹槽的垂直间距为所述连接件长度的30-90％，较佳地40-80％。
在另一优选例中，待测样品粘接于所述金属合页的所述金属片B上。
在另一优选例中，所述待测样品为复合材料。
在另一优选例中，所述待测样品的形状选自下组：片状、板状，优选为片状。
在另一优选例中，所述待测样品的厚度为1mm－5mm，较佳地1.5mm－4mm，更佳地1.8-3mm。
在另一优选例中，所述复合材料选自下组：碳纤维复合材料、玻璃纤维复合材料。
在另一优选例中，所述粘接采用选自下组的粘合剂进行粘接：聚氨酯AB胶、环氧AB胶、丙烯酸酯AB胶、或其组合。
在另一优选例中，所述待测样品和所述金属片B之间的粘接强度＞所述待测样品的层间结合强度。
在另一优选例中，所述待测样品和所述金属片B之间的粘接强度与所述待测样品的层间结合强度的比值为1.5-100，较佳地3-60，更佳地5-30。
在另一优选例中，在测试过程中，所述第一夹具组件和所述第二夹具组件是如下连接的：
i)将所述第一夹具组件的所述金属片B与待测样品在所述待测样品的第一主表面的末端粘结；和
ii)将所述第二夹具组件的所述金属片B与所述待测样品在所述待测样品的第二主表面的末端粘结，从而实现所述第一夹具组件和所述第二夹具组件的连接，其中，所述第一主表面和所述第二主表面对称设置。
在另一优选例中，所述待测样品与所述金属片B在所述待测样品的主表面上的末端结合。
在另一优选例中，“末端”与“端部”可互换使用。
本发明的第二方面，提供了一种层间断裂韧性测试方法，使用本发明第一方面所述层间断裂韧性测试用夹具进行测试。
在另一优选例中，所述测试方法具有选自下组的一个或多个特征：
1)采用相同的待测样品时，相比于直接粘接于万能实验机上测试所得层间断裂韧性结果，使用所述层间断裂韧性测试用夹具结合万能实验机测试所得层间断裂韧性结果的准确度至少提高10％，较佳地15％，更佳地20％；
2)采用相同的待测样品时，相比于直接粘接于万能实验机上测试所得层间断裂韧性结果，使用所述层间断裂韧性测试用夹具结合万能实验机测试所得层间断裂韧性结果的方差≤0.10，较佳地≤0.08，更佳地≤0.05。
应理解，在本发明范围内中，本发明的上述各技术特征和在下文(如实施例)中具体描述的各技术特征之间都可以互相组合，从而构成新的或优选的技术方案。限于篇幅，在此不再一一累述。
附图说明
图1是本发明GIC测试用夹具示意图，其中，1为固定基座，2为移动基座，3为连接件，4为固定销，5为销钉，6为金属合页。
图2为本发明固定基座的示意图。
图3为本发明移动基座中一个金属板的示意图。
图4为本发明连接件的示意图。
图5为本发明金属合页的示意图。
图6为本发明GIC夹具与待测样品的使用状态示意图。
具体实施方式
本发明人经过长期而深入的研究，制备得到一种特别合适的GIC测试用夹具，所述夹具通过特定的结构设置可以使得在测试过程中待测样品在两维方向(如X轴和Y轴方向，即水平方向)上自由移动而具备充分的自由度，从而确保了所述待测样品在测试过程中仅受第三维方向(如Z轴方向，即垂直方向)上的作用力，进而确保了GIC测试的真实性和准确性。在此基础上，发明人完成了本发明。
术语
如本文所用，术语“GIC测试用夹具”、“GIC测试夹具”、“GIC夹具”、“层间断裂韧性测试夹具”或者“层间断裂韧性测试用夹具”可互换使用。
GIC测试用夹具
经过大量的实验研究和理论分析，本发明人发现为了获得更加真实且准确的GIC测试结果，GIC夹具的设计需要满足以下几个要求，包括：
1)保证在测试过程中GIC试件(即待测样品)(最大程度地)只受竖直方向上的力；
2)方便安装连接，包括夹具与万能实验机的连接和夹具与GIC试件的连接；
3)夹具较为简单且易加工。
基于此，本发明提供了一种层间断裂韧性测试用夹具，所述夹具包含第一夹具组件和第二夹具组件，
所述第一夹具组件包含：固定基座、移动基座、连接件和金属合页，其中，所述固定基座与所述移动基座连接，且所述移动基座相对于所述固定基座在X轴方向可自由运动；所述移动基座和所述连接件连接，且所述连接件相对于所述移动基座在Y轴方向可自由运动；所述连接件与所述金属合页连接；
所述第二夹具组件和所述第一夹具组件对称设置且两者组成相同。
在本发明中，所述固定基座的一端为夹持端，用于与万能实验机夹持连接；所述固定基座的另一端设有滑道；
所述移动基座包含平行布置的两个金属板，所述两个金属板的一端通过所述滑道与所述固定基座连接，且所述两个金属板可在所述固定基座的所述滑道上自由滑动；所述两个金属板的另一端对称设置有连接孔A；
所述连接件的一端设有连接孔B，且所述连接件设置于所述移动基座的所述两个金属板之间，所述连接件与所述移动基座的所述两个金属板通过贯穿所述连接孔A和所述连接孔B的固定元件A连接；所述连接件的另一端设有凹槽，且在所述凹槽的两个对称面上对称设置有连接孔C；
所述金属合页包含销接的金属片A和金属片B，且所述金属片A上设置有连接孔D，所述金属合页与所述连接件通过贯穿所述连接孔C和所述连接孔D的固定元件B连接。
在另一优选例中，所述第一夹具组件和所述第二夹具组件平行设置。
在本发明中，所述固定基座的所述滑道包含：与所述夹持端垂直设置的底板、垂直于所述底板且对称设置的侧板和垂直于所述侧板且平行于所述底板且对称设置的限制板，所述限制板用于限制所述移动基座的所述两个金属板的活动区间，以阻止所述两个金属板在沿所述金属板方向脱离所述固定基座。
在另一优选例中，所述底板、所述侧板和所述限制板的长度相同，优选地，所述长度为所述金属板宽度的5-50倍，较佳地8-30倍，更佳地10-20倍，可确保所述金属板不会滑出所述滑道。
在另一优选例中，所述夹持端、所述底板、所述侧板和所述限制板是一体成型的。
在另一优选例中，所述两个金属板与所述固定基座连接的一端对称设有凹槽，用以将所述两个金属板卡装在所述限制板上。
在另一优选例中，所述两个金属板的宽度与所述滑道的宽度相匹配。
在另一优选例中，所述凹槽与所述连接孔A之间的垂直距离为所述金属板长度的50-90％，较佳地60-80％。
在本发明中，所述固定元件A和/或固定元件B为包括(但并不限于)下组的元件：销、螺栓螺母组件。
在本发明中，所述连接孔A内设有螺纹；和/或
所述连接孔B内为光滑面，未设置螺纹。
在本发明中，所述连接孔B的直径≥所述连接孔A的直径。
在另一优选例中，所述连接孔B的直径与所述连接孔A的直径的比值为1-1.2，较佳地1.05-1.15，更佳地1.08-1.12。
在另一优选例中，所述连接孔B与所述连接件的所述凹槽的垂直间距为所述连接件长度的30-90％，较佳地40-80％。
在本发明中，待测样品粘接于所述金属合页的所述金属片B上。
在另一优选例中，所述待测样品为复合材料。
在另一优选例中，所述待测样品的形状包括(但并不限于)下组：片状、板状，优选为片状。
在另一优选例中，所述待测样品的厚度为1mm－5mm，较佳地1.5mm－4mm，更佳地1.8-3mm。
在另一优选例中，所述复合材料包括(但并不限于)下组：碳纤维复合材料、玻璃纤维复合材料。
在另一优选例中，所述粘接采用包括(但并不限于)下组的粘合剂进行粘接：聚氨酯AB胶、环氧AB胶、丙烯酸酯AB胶、或其组合。
在另一优选例中，所述待测样品和所述金属片B之间的粘接强度＞所述待测样品的层间结合强度。
在另一优选例中，所述待测样品和所述金属片B之间的粘接强度与所述待测样品的层间结合强度的比值为1.5-100，较佳地3-60，更佳地5-30。
在另一优选例中，在测试过程中，所述第一夹具组件和所述第二夹具组件是如下连接的：
i)将所述第一夹具组件的所述金属片B与待测样品在所述待测样品的第一主表面的末端粘结；和
ii)将所述第二夹具组件的所述金属片B与所述待测样品在所述待测样品的第二主表面的末端粘结，从而实现所述第一夹具组件和所述第二夹具组件的连接，其中，所述第一主表面和所述第二主表面对称设置。
在本发明中，所述待测样品与所述金属片B在所述待测样品的主表面上的末端结合。
在另一优选例中，“末端”与“端部”可互换使用。
在本发明中，所述固定基座和所述移动基座的具体连接方式没有特别限制，只要可以使得所述移动基座相对于所述固定基座在一维方向(如X轴方向)可以自由运动即可。
在本发明中，所述移动基座与所述连接件的具体连接方式没有特别限制，只要可以使得所述连接件相对于所述移动基座在一维方向(如Y轴方向)可以自由运动即可。
在本发明中，所述“运动”的具体方式没有特别限制，包括(但并不限于)下组：滑动、转动、或其组合。
检测方法
本发明还提供了一种层间断裂韧性测试方法，使用所述层间断裂韧性测试用夹具进行测试。
在本发明中，所述测试方法具有选自下组的一个或多个特征：
1)采用相同的待测样品时，相比于直接粘接于万能实验机上测试所得层间断裂韧性结果，使用所述层间断裂韧性测试用夹具结合万能实验机测试所得层间断裂韧性结果的准确度至少提高10％，较佳地15％，更佳地20％；
2)采用相同的待测样品时，相比于直接粘接于万能实验机上测试所得层间断裂韧性结果，使用所述层间断裂韧性测试用夹具结合万能实验机测试所得层间断裂韧性结果的方差≤0.10，较佳地≤0.08，更佳地≤0.05。
与现有技术相比，本发明具有以下主要优点：
(1)由于所述夹具中，所述移动基座可相对于所述固定基座在X轴方向自由运动，所述连接件可相对于所述移动基座在Y轴方向自由运动，因此，在测试过程中，待测样品可以仅承受Z轴方向的作用力，这确保了所测得的层间断裂韧性测试结果更加真实且准确；
(2)所述夹具易于组装连接；
(3)所述测试方法具有高的准确度和低的方差，因此所测得结果更加真实准确。
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件或按照制造厂商所建议的条件。除非另外说明，否则百分比和份数按重量计算。
除非另行定义，文中所使用的所有专业与科学用语与本领域熟练人员所熟悉的意义相同。此外，任何与所记载内容相似或均等的方法及材料皆可应用于本发明方法中。文中所述的较佳实施方法与材料仅作示范之用。
实施例1GIC夹具
图1是本发明GIC测试用夹具示意图，其中，1为固定基座，2为移动基座，3为连接件，4为固定销，5为销钉，6为金属合页。
具体地，所述GIC夹具用来连接万能实验机夹头与GIC实验件。所述GIC实验用夹具包括固定基座、移动基座、连接件和金属合页。其中，固定基座的一端为夹持端，可以使用万能实验机夹持。所述固定基座上设有滑道，移动基座可以在固定基座上自由滑动。每组夹具中放置两个移动基座，两个移动基座之间放置连接件，连接件与移动基座之间使用销钉连接，连接件可以绕销钉自由转动。连接件设置一道槽，并打有连接孔，可以使用销钉穿过连接孔与粘贴在实验件上的金属合页，将金属合页与连接件连接。GIC实验中需要两组夹具，分别与实验件上下表面连接。
图2为本发明固定基座的示意图，其中，提供导轨，使移动基座在导轨中自由滑动。优选地，在所述固定基座的底板、侧板和限制板的连接处，在所述导轨内侧还设有4个滑动轨道，用以限制所述金属板的运动空间或保护所述金属板与所述滑道的连接部位。
图3为本发明移动基座中一个金属板的示意图，所述金属板可以在固定基座上自由滑动，且与连接件通过螺栓连接或者销接。
图4为本发明连接件的示意图，该连接件的一端与所述移动基座通过螺栓连接或者销接，另一端通过销钉与金属合页连接。
图5为本发明金属合页的示意图，该金属合页的一端与试验件粘接，另一端使用销钉与连接件连接。
实施例2GIC测试
图6为本发明GIC夹具与待测样品的使用状态示意图。
典型地，使用实施例1所述GIC夹具进行的GIC测试过程如下：
1)将固定基座与万能实验机连接：打开万能实验机下夹头，将固定基座的夹持端放入，随后加紧夹头。夹持过程中要注意夹头上端应与固定基座下表面平行。以同样的方法使用上夹头夹持固定基座。
2)装配活动基座(移动基座)与连接件：将两个活动基座下端插入固定基座的导轨中并尝试滑动，如滑动不畅可在导轨中添加润滑油。在两个活动基座之间放置连接件，使用固定销穿过两个活动基座和连接件上的孔，连接活动基座与连接件。用同样的方法在上夹头夹持的固定基座上安装活动基座与连接件。
3)安装实验件：将与GIC实验件下表面粘结的金属合页插入下夹具连接件的固定槽中，使用销钉将金属合页与夹具连接件固定。将万能实验机上夹头降低到合适的位置，使用同样的方法将与GIC实验件上表面粘结的金属合页与上夹具连接件固定。
4)调整夹具方位：沿固定基座导轨移动活动基座，合理调整活动基座位置，并转动夹具连接件，使上下金属合页处于竖直方向上。至此，实验件安装完毕，可以开始实验。
典型地，采用同一批碳纤维T300环氧树脂实验件(形状为板状，长为200mm，宽为25mm，厚度为2mm)进行了GIC实验测试，其中，采用聚氨酯AB胶粘结剂进行实验件和金属合页的粘结；分别采用该夹具和直接使用万能实验机夹头夹持进行测试，获得如下结果：
表1
表2
从表1和表2可知：相比于直接使用万能实验机测试所得结果，结合使用本发明所述夹具测试所得结果所得GIC值下降至少18％，且具有更低的方差。
经进一步分析可知：直接使用万能实验机夹头进行GIC测试时，由于夹具自由度不足，不能保证实验件受力在竖直面上，故所得结果偏大。因此，本发明所述夹具对准确测试GIC值具有重要意义。
在本发明提及的所有文献都在本申请中引用作为参考，就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外应理解，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。