萬能材料試驗機在復合材料測試中的關鍵應用：以層間斷裂測試為例

碳纖維復合材料因其高比強度、高比模量及出色的耐疲勞性能，在航空航天、汽車制造、體育器材等高端領域得到了廣泛應用。然而，這種材料層與層之間的結合強度——即層間性能，往往是其力學性能的“阿喀琉斯之踵”。在受到垂直于層合方向的力時，極易發生分層（剝離）破壞，從而導致結構失效。

因此，精確評估碳纖維復合材料的層間斷裂韌性，對于材料研發、質量控制和結構安全設計至關重要。今天，小編就為大家詳細介紹一種常用的測試方法——層間斷裂（剝離）測試，幫助大家深入理解其原理與操作。

一、測試原理

層間斷裂測試，其核心目的是測量復合材料層合板的I型層間斷裂韌性（GIC）。I型斷裂也稱為張開型斷裂，是最常見且危險的破壞形式。

測試通常采用雙懸臂梁（DCB）試樣。其基本原理是：預制了初始裂紋的矩形試樣，在兩端施加一對大小相等、方向相反的力，使試樣如同兩根懸臂梁一樣被“撕開”。隨著載荷增加，裂紋會沿著層間擴展。通過連續記錄載荷和裂紋張開位移，我們可以繪制出載荷-位移曲線。結合特定的數據模型，即可計算出層間斷裂韌性GIC值，該值代表了材料抵抗分層裂紋擴展的能力。

二、測試標準

ASTM D5528 - 《聚合物基復合材料模態I層間斷裂韌性標準試驗方法》

ISO 15024 - 《纖維增強塑料復合材料——模態I層間斷裂韌性GIC的測定》

三、檢測設備與條件

1、KZ-68SC-05XY萬能材料試驗機

2、定制工裝夾具

上夾具： 為定制工裝，專門設計用于牢固夾持DCB試樣的上臂。

下夾具： 采用雙邊鎖緊夾具，同樣用于夾持試樣下臂。這種雙邊設計確保了受力均勻，防止試樣在夾持處打滑或損壞。

1. 視頻引伸計

與傳統接觸式引伸計不同，視頻引伸計通過非接觸式光學測量，實時追蹤裂紋尖端的張開位移。它能更精確地測量裂紋長度和張開位移，避免了接觸測量對試樣造成的干擾。

4、試驗條件

樣品名稱： 碳纖維復合材料

試驗溫度： 室溫 (23±2°C)

試驗速度： 5 mm/min （該速度在標準推薦范圍內，能保證裂紋穩定擴展，而非瞬間斷裂）

四、測試流程

1、試樣制備： 依據標準，從碳纖維復合材料板上切割出規定尺寸的矩形DCB試樣。在試樣的一端嵌入一層薄薄的聚四氟乙烯薄膜，以預制一個初始裂紋。在試樣兩側拋光并標上精細的刻度線，便于視頻引伸計識別和追蹤裂紋長度。

2、設備安裝與校準

將定制的上、下夾具分別安裝到拉力試驗機的橫梁和基座上。

安裝并校準視頻引伸計，確保其視野清晰，能準確捕捉試樣上的刻度線。

3、裝夾試樣

小心地將DCB試樣的上、下臂分別裝入上、下夾具中，確保試樣對中，且初始裂紋與加載線對齊。均勻擰緊夾具，避免過緊壓碎試樣。

4、開始測試

在控制軟件中設置測試參數，包括試驗速度（5mm/min）和終止條件（如載荷下降至峰值的一定百分比或裂紋擴展至一定長度）。

啟動試驗機，橫梁將以恒定速度向上移動，對試樣施加剝離力。視頻引伸計同步開始工作，記錄載荷、位移及實時的裂紋長度。

5、數據采集與處理

試驗軟件會自動記錄整個過程中的載荷-位移數據，并生成曲線。

測試結束后，根據標準（如ASTM D5528推薦的修正梁理論法、柔度法等）將采集到的載荷、位移和裂紋長度數據代入公式，計算得到材料的I型層間斷裂韌性GIC值。

6、結果分析

觀察載荷-位移曲線的形狀，可以判斷裂紋擴展的穩定性（如是否出現“粘滑”現象）。

計算出的GIC值是評價該批次碳纖維復合材料抗分層性能的關鍵指標。

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