摘要　本文分析了单向复合材料板在剪切时的微观破坏过程,结合声发射技术监测其损伤的起始与扩展过程,确定了完整的τ—γ曲线上几个特定阶段。在不同损伤阶段,从不同方位切取断面,分别用微差干涉法与电镜法观察其微观破坏过程。
关键词　复合材料　声发射　损伤
树脂基复合材料具有比强度高、比刚度高、耐腐蚀等特点,在化工、航空航天等方面具有很好的发展前景。对其基本性能进行分析研究是非常重要的。费云鹏等对单向FRP板进行了拉伸试验,分析了各个微观破坏的机理[1]。本文采用类似的方法研究单向板的剪切破坏情况。由于受剪破坏时τ—γ曲线很短,用常规的方法难以区别各个破坏阶段,所以采用声发射监测,并结合微观测试技术进行显微组织分析。
1　试　验
1·1　试　件
增强材料采用上海玻璃钢研究所的无碱无捻玻璃纤维,规格80支/20股。基体材料为环氧树脂E-51咪唑类中温固化体系。测其抗剪强度为σB=25·8MPa,标准差为:2·04MPa,-CV=7·9%;剪应变为γ=9·1%。纤维浸润树脂后,用缠绕机缠绕在特定模具上加压加温固化,加工成复合材料单向板。用烧蚀法测得树脂含量为27·6%。试件尺寸见图1。

1·2　试验方法
(1)声发射监测抗剪试验
对单向板在MTS材料试验机上做抗剪试验,所加荷载垂直纤维方向,见图2。用声发射技术监测整个加载过程,声发射探头固定在试样的纯剪区中部。
(2)微观测试
对应于τ—f曲线上,声发射较集中的几个点,取样待测,取样方式见图3。本文要用两种方法测微观组织:微差干涉法与电镜技术。取样后,用砂纸由粗到细打磨表面,然后进行抛光,至表面出现镜面光泽即可观测。对受剪最终破坏的断口,用扫描电镜观察。

1·3　试验结果
声发射是材料微观组织受外来作用时内部能量积聚,然后迅速释放的一种瞬态弹性波。不同的声发射集中点,对应着不同的微观组织破坏。图4是单向FRP板受剪时典型的声发射,a、b、c、d、e点是声发射较集中的地方,其相应应力值见表1。经过测定多块试样,发现这几点的数值重复性较好。这证明它们是分别对应于单向板的不同破坏阶段,有着各自不同的破坏机理。

2　各破坏阶段的机理分析
(1)oa段:在声发射高峰a点以前,由于剪应力较小,纤维与基体均没有破坏。a点的出现是由于局部地方(纤维较密集处)的纤维与基体的界面脱胶造成的。两种观察方法都可说明这点,参见图5。这说明界面仍是复合材料中最薄弱的环节,界面强度的提高是很有必要的。

(2)ab段:剪应力继续加大,界面开裂现象更加严重,材料的刚度此时变化不大。这时出现了少量纤维断裂现象,在纤维集度高的地方可以观察到相邻界面的裂纹惯穿树脂,参见图6。同时经过对比微差干涉技术与电镜技术可发现,前者衬度高,能清晰分辨界面脱胶现象,但分辨率不高,观察基体变化仍需借助电镜技术。
(3)c阶段;随界面开裂的增加,当剪应力再增大时,出现了纤维拔出现象;并且纤维断裂的数量也大幅度增加;从τ-f图上可分析出此时模量下降较多,即此时的材料性能有所变化,见图7。

(4)c点以后:此时材料已经破坏,各种破坏方式(基体开裂、纤维拔出、纤维断裂等)均已发生。对该阶段的微观研究较复杂,典型的破坏情况见图8和图9。
3　结　论
由上述的试验可知,单向纤维复合材料板的剪切破坏机理可以结合声发射技术以及电镜手段进行分析,单向纤维复合材料板的剪切破坏过程可分为三个阶段:初始阶段主要是纤维与基体的界面脱胶,这时的声发射较集中。第二阶段是大量纤维断裂,部分纤维拔出。第三阶段是基体开裂,纤维断裂,大量纤维被拔出,实际上此时复合材料板已经破坏,大量的声发射也在此时发生。