一种测试复合材料高温剪切强度的试样及方法与流程

本发明属于复合材料高温力学性能测试领域，具体涉及一种测试复合材料剪切强度的试样及方法。

背景技术：

复合材料由于具有高的比强度和比刚度，微结构的可设计性等众多优点，已经广泛应用于航空航天等领域。在航天方面，复合材料已经逐渐应用到飞行器热防护系统的设计中，因此，复合材料在高温乃至超高温环境下的基本力学性能关系到热防护系统的安全性和可靠性。复合材料高温剪切强度就是重要的力学性能之一。

目前，关于复合材料在高温环境下剪切强度的测试还没有形成统一的标准。关于复合材料高温环境下剪切强度的测试方法公开较少。授权公告号为cn104458574b、授权公告日为2017年01月04日的发明专利“一种超高温或大温差环境下剪切强度测试的装置及方法”公开了一种测试方法，主要用于异种材料连接剪切强度的测试，通过辐射式加热升高温度，通入冷却水调节试样的温度，这种方式升温速率较慢，温度控制不够灵敏。授权公告号为cn205228933u、授权公告日为2016年05月11日的实用新型专利“测试陶瓷基复合材料高温面内剪切强度的分体式夹具”公开了一种夹具及测试方法，但是这种夹具设计过于复杂，需要较大的实验空间且不利于加热。何续斌在《2.5d-c/c复合材料的高温层间剪切强度》中设计了一种c/c复合材料层间高温剪切试样《机械强度》，2010，缑建杰在《整体毡碳/碳复合材料的高温剪切性能研究》中设计了一种c/c复合材料面内剪切试样《材料导报》，2013，但是这两种试样形式的两个切口底端水平方向的距离为零，由于复合材料的非均匀性，导致实验结果离散性较大，并且易在非标距区破坏。

在常温环境下，已经形成一些测试复合材料剪切强度的方法，但是在高温和超高温环境(2600℃)下，由于受到加热方式、高温夹持方式、高温环境和试验空间等条件的限制，复合材料高温及超高温环境下的剪切强度试样设计及测试方法一直是力学测试中的难点。

技术实现要素：

本发明的目的是针对上述复合材料高温剪切强度测试的不足，提供一种测试复合材料高温剪切强度的试样及方法。

本发明提供了一种测试复合材料在高温及超高温(2600℃)环境下剪切强度的试样及方法，通过改变切口方向，可以用来测试复合材料面内和层间的剪切强度，试样结构简单，便于加工，方法易于操作。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：本发明中的试样及方法分别有两种不同技术方案；分别如下：

方案一：一种测试复合材料高温剪切强度的试样，所述的试样为板型，试样上靠近上端水平设有第一切口，试样上靠近下端水平设有第二切口，所述的第一切口和第二切口均贯穿试样厚度方向，第一切口和第二切口的长度均大于试样宽度的一半，第一切口和第二切口的根部均为直方形，第一切口和第二切口关于试样反对称，该试样为面内剪切试样，所述的面内剪切试样用于测试复合材料高温面内剪切强度。

测试复合材料高温剪切强度的方法，所述的方法包括以下步骤：

步骤(1)；检查面内剪切试样的外观，编号并记录面内剪切试样表面状态；

步骤(2)；试验前，用卡尺测量面内剪切试样标距段任意3处试样宽度和厚度，并记录数据；

步骤(3)；将面内剪切试样放入试验机的上压头和下压头之间，调整面内剪切试样位置，确保面内剪切试样上、下两端面与试验机的上压头和下压头面接触，面内剪切试样应垂直平稳的位于压杆的同轴线上；

步骤(4)；调整好温度测量装置；

步骤(5)；按照恒定位移，向面内剪切试样施加100n的预载荷，所述的预载荷不应大于强度预期值的5％；

步骤(6)；按照设定升温速率均匀加热面内剪切试样，当温度升至目标温度后，保温30s，待温度达到稳态，面内剪切试样标距段的温度分布均匀；

步骤(7)；按照恒定位移加载面内剪切试样，直至面内剪切试样断裂，记录试验中的位移、载荷数据；

步骤(8)；停止试验，清理面内剪切试样并记录面内剪切试样破坏形式和位置；

步骤(9)；按照以下公式计算面内剪切试样复合材料高温剪切强度τinplane；

其中：为面内剪切试样标距段宽度平均值，为面内剪切试样标距段长度平均值，fmax为试验过程中的最大载荷。

方案二：一种测试复合材料高温剪切强度的试样，所述的试样为板型，试样上靠近上端水平设有切口一，试样上靠近下端水平设有切口二，切口一和切口二均贯穿试样宽度方向，切口一和切口二的长度均大于试样厚度的一半，切口一和切口二的根部均为直方形，切口一和切口二关于试样反对称，该试样为层间剪切试样，所述的层间剪切试样用于测试复合材料高温层间剪切强度。

测试复合材料高温剪切强度的方法，所述的方法包括以下步骤：

步骤(1)；检查层间剪切试样的外观，编号并记录层间剪切试样表面状态；

步骤(2)；试验前，用卡尺测量层间剪切试样标距段任意3处试样宽度和厚度，并记录数据；

步骤(3)；将层间剪切试样放入试验机的上压头和下压头之间，调整层间剪切试样位置，确保层间剪切试样上、下两端面与试验机的上压头、下压头面接触，层间剪切试样应垂直平稳的位于压杆的同轴线上；

步骤(4)；调整好温度测量装置；

步骤(5)；按照恒定位移，向层间剪切试样施加100n的预载荷，所述的预载荷不应大于强度预期值的5％；

步骤(6)；按照设定升温速率均匀加热层间剪切试样，当温度升至目标温度后，保温30s时间，待温度达到稳态，层间剪切试样标距段的温度分布均匀；

步骤(7)；按照恒定位移加载层间剪切试样，直至层间剪切试样断裂，记录试验中的位移、载荷数据；

步骤(8)；停止试验，清理层间剪切试样并记录层间剪切试样破坏形式和位置；

步骤(9)；按照以下公式计算层间剪切试样复合材料高温剪切强度τinterlayer；

其中：为试样标距段宽度平均值，为试样标距段长度平均值，fmax为试验过程中的最大载荷。

本发明相对于现有技术的有益效果是：

1.本发明设计的试样型式简单，便于加工，避免了复杂的机械加工造成的试样内部损伤。

2.通过改变切口方向，能实现复合材料高温环境下面内和层间剪切强度的测试。

3.试样型式能满足通电式加热、辐射式加热和感应式加热等不同加热方式的要求，目前，已经采用通电式加热，实现了碳/碳复合材料2600℃超高温环境下面内剪切强度的测试和2000℃超高温环境下层间剪切强度的测试。

4.试样标距段温度场和应力场分布均匀，数据科学可靠，能实现复合材料高温及超高温环境下剪切强度的测试。

5.试验方法简单易行，效率较高。

附图说明

图1为复合材料面内剪切强度的试样结构示意图；

图2为图1的左视图；

图3为复合材料面内剪切强度测试加载示意图；

图4为复合材料层间剪切强度的试样结构示意图；

图5为图4的左视图；

图6为复合材料层间剪切强度测试加载示意图；

图7为c/c(碳碳)复合材料面内剪切2600℃温度场图片；

图8为c/c复合材料层间/面内剪切2600℃应力-位移曲线图。

图中各标号名称：1、面内剪切试样，2、第一切口，3、面内剪切试样标距段，4、第二切口，5、上压头，6、下压头，7、层间剪切试样，8、切口一，9、切口二，10、层间剪切试样标距段。

具体实施方式

下面结合附图，并选取c/c复合材料，通过实施例的方式，对本发明进行详细说明：

具体实施方式一：如图1、图2所示，本实施方式披露了一种测试复合材料高温剪切强度的试样，所述的试样为板型，试样上靠近上端水平设有第一切口2，试样上靠近下端水平设有第二切口4(即第一切口2和第二切口4的切口方向均垂直于铺层面和试样长度方向)，所述的第一切口2和第二切口4均贯穿试样厚度方向，第一切口2和第二切口4的长度均大于试样宽度的一半(优选第一切口2和第二切口4的长度均略大于试样宽度的一半)，第一切口2和第二切口4的根部均为直方形，第一切口2和第二切口4关于试样反对称，该试样为面内剪切试样1，所述的面内剪切试样1用于测试复合材料高温面内剪切强度。

具体实施方式二：如图1、图2所示，本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步限定，所述的面内剪切试样1上位于第一切口2和第二切口4之间的中心区域为面内剪切试样标距段3，所述的面内剪切试样标距段3的宽度等于第一切口2和第二切口4根部之间的水平距离，面内剪切试样标距段3的长度等于第一切口2下边缘至第二切口4上边缘之间的垂直距离。

具体实施方式三：如图1-图3所示，本实施方式披露了一种利用具体实施方式二所述的试样测试复合材料高温剪切强度的方法，其特征在于：所述的方法包括以下步骤：

步骤(1)；检查面内剪切试样1的外观(确定试样的完整性，且没有明显的损伤)，编号并记录面内剪切试样1表面状态；

步骤(2)；试验前，用卡尺测量面内剪切试样标距段3任意3处试样宽度和厚度，并记录数据；

步骤(3)；将面内剪切试样1放入试验机的上压头5和下压头6之间，调整面内剪切试样1位置，确保面内剪切试样1上、下两端面与试验机的上压头5和下压头6面接触，面内剪切试样1应垂直平稳的位于压杆的同轴线上；

步骤(4)；调整好温度测量装置；

步骤(5)；按照恒定位移，向面内剪切试样1施加100n的预载荷，所述的预载荷不应大于强度预期值的5％；

步骤(6)；按照设定升温速率均匀加热面内剪切试样1，当温度升至目标温度2000℃～2600℃后，保温30s,，待温度达到稳态，面内剪切试样标距段3的温度分布均匀；

步骤(7)；按照恒定位移加载面内剪切试样1，加载速率为1mm/min，直至面内剪切试样1断裂，记录试验中的位移、载荷数据；

步骤(8)；停止试验，清理面内剪切试样1并记录面内剪切试样1破坏形式和位置；

步骤(9)；按照以下公式计算面内剪切试样1复合材料高温剪切强度τinplane；

其中：为面内剪切试样标距段宽度平均值，为面内剪切试样标距段长度平均值，fmax为试验过程中的最大载荷。

具体实施方式四：如图4、图5所示，本实施方式披露了一种测试复合材料高温剪切强度的试样，所述的试样为板型，试样上靠近上端水平设有切口一8，试样上靠近下端水平设有切口二9(切口一8和切口二9的切口方向均垂直于铺层面和试样宽度方向)，切口一8和切口二9均贯穿试样宽度方向，切口一8和切口二9的长度均大于试样厚度的一半(优选切口一8和切口二9的长度略大于试样厚度的一半)，切口一8和切口二9的根部均为直方形，切口一8和切口二9关于试样反对称，该试样为层间剪切试样7，所述的层间剪切试样7用于测试复合材料高温层间剪切强度。

具体实施方式五：如图4、图5所示，本实施方式是对具体实施方式四作出的进一步限定，所述的层间剪切试样7上位于切口一8和切口二9之间的中心区域为层间剪切试样标距段10，所述的层间剪切试样标距段10的宽度等于切口一8和切口二9根部之间的水平距离，层间剪切试样标距段10的长度等于切口一8下边缘至切口二9上边缘之间的垂直距离。

具体实施方式六：如图4-图6所示，本实施方式披露了一种利用具体实施方式五所述的试样测试复合材料高温剪切强度的方法，所述的方法包括以下步骤：

步骤(1)；检查层间剪切试样7的外观(确定试样的完整性，且没有明显的损伤)，编号并记录层间剪切试样7表面状态；

步骤(2)；试验前，用卡尺测量层间剪切试样标距段10任意3处试样宽度和厚度，并记录数据；

步骤(3)；将层间剪切试样7放入试验机的上压头5和下压头6之间，调整层间剪切试样7位置，确保层间剪切试样7上、下两端面与试验机的上压头5、下压头6面接触，层间剪切试样7应垂直平稳的位于压杆的同轴线上；

步骤(4)；调整好温度测量装置；

步骤(5)；按照恒定位移，向层间剪切试样7施加100n的预载荷，所述的预载荷不应大于强度预期值的5％；

步骤(6)；按照设定升温速率均匀加热层间剪切试样7，当温度升至目标温度2000℃～2600℃后，保温30s，待温度达到稳态，层间剪切试样标距段10的温度分布均匀；

步骤(7)；按照恒定位移加载层间剪切试样7，加载速率为1mm/min，直至层间剪切试样7断裂，记录试验中的位移、载荷数据；

步骤(8)；停止试验，清理层间剪切试样7并记录层间剪切试样7破坏形式和位置；

步骤(9)；按照以下公式计算层间剪切试样7复合材料高温剪切强度τinterlayer；

其中：为试样标距段宽度平均值，为试样标距段长度平均值，fmax为试验过程中的最大载荷。

具体实施方式七：本实施方式是对具体实施方式三作出的进一步限定，步骤(6)中的目标温度为2000℃。其他步骤与具体实施方式三相同。

具体实施方式八：本实施方式是对具体实施方式三作出的进一步限定，步骤(6)中的目标温度为2600℃。其他步骤与具体实施方式三相同。

具体实施方式九：本实施方式是对具体实施方式六作出的进一步限定，步骤(6)中的目标温度为2000℃。其他步骤与具体实施方式六相同。

具体实施方式十：本实施方式是对具体实施方式六作出的进一步限定，步骤(6)中的目标温度为2600℃。其他步骤与具体实施方式六相同。

具体实施方式一～具体实施方式六的试样尺寸和试验结果如表1和表2所示。

表1

表2

图7为c/c(碳碳)复合材料面内剪切2600℃温度场图片，说明试样标距段温度分布均匀。

图8为c/c复合材料层间/面内剪切2600℃应力-位移曲线图，材料在加载过程中的力学行为的实验数据，说明剪切的非线性。