[发明专利]用于表征二维编织复合材料的等双轴抗压强度的系统和方法

说明书

公开了使用诱导的双轴挠曲来表征二维编织复合材料(比如碳纤维增强层压复合材料)的等双轴抗压强度的方法和系统，来自双轴挠曲的应变测量值用于确定复合材料的等双轴抗压强度。

本申请在35 U.S.C. §119下要求2019年12月20日递交的美国临时专利申请美国序列号62/951,674和2020年9月30日递交的美国序列号63/085,407的优先权，其每一个的全部内容通过参考结合至本文中。

技术领域

本公开涉及用于表征二维编织复合材料(非限制性地包括碳纤维增强复合材料等)的等双轴抗压强度的方法，以及用于其的系统。

背景技术

薄型复合材料结构用于广泛种类的工程应用，比如机翼、风力涡轮机叶片、汽车轮胎中的皮带和帘布层、用于储存/运输的压力容器等。为了这些薄型工程结构的可靠运行和有效设计，必须表征和理解其在双轴挠曲及其他应力状态下的失效行为。尽管对纤维增强复合材料的双轴强度存在一定的研究，但涉及板的双轴挠曲失效的研究不太常见。对各向同性脆性材料存在若干测试标准，但对各向异性复合材料不存在这样的标准。用于各向同性材料的双轴挠曲测试的常用方法涉及将圆盘或板形试样支撑于圆环上，并在中心处或中心附近施加平面外载荷。平面外载荷通过球(环上球，BOR)或通过施加均匀压力(环上压力，POR)或经较小的圆环(环上环，ROR)施加。另一种测试方法采用施加于顶部上的点载荷代替加载环，其中圆盘支撑于沿周界的3个支点上；这是混凝土(ASTM C1550测试)以及牙科陶瓷(ISO 6872)的标准测试。在该测试中，诱导应力场仅在加载点处为三重对称和等双轴的。

环上环(ROR)弯曲测试易于进行，为用于测量陶瓷等双轴拉伸强度的ASTM标准测试的主题(ASTM C1499)。由ROR装置产生的载荷类似于二维梁的四点弯曲测试。换言之，试样的每个直径截面均可视为经历4点弯曲的梁。因此，加载环内的圆盘或板形试样区域经历纯弯曲。对于各向同性材料，加载环内区域中的弹性应力分布为轴对称的。该测试程序已应用于表现出宏观各向同性行为且结构均匀的陶瓷。该方法也已扩展至玻璃，并且最近还扩展至混凝土。

板弯曲测试已主要应用于各向同性脆性材料，但可发现一些关于各向异性复合材料的研究(尽管不一定与ROR测试一起)。在一些早期工作中，研究了玻璃纤维增强聚酯(FRP)和FRP-聚氨酯泡沫复合材料的行为，以评估这些材料是否可能用作路面材料。在单调和循环加载下进行了单轴挠曲、拉伸和双轴挠曲测试。这些双轴挠曲测试涉及承受中心侧向载荷并带有全方位夹紧的支撑的圆板试样。发现单轴测试结果与双轴测试良好一致。碳化硅连续纤维增强铝复合材料的双轴挠曲也是已知的，采用ROR测试装置并研究了失效机制。发现在单调加载下纤维断裂和基质开裂两者均会发生，而循环挠曲下，纤维断裂为主要失效机制。还使用圆盘试样分析了交叉帘布层碳纤维树脂复合材料在双轴挠曲下的响应，重点是比较单调和循环加载下的失效模式。发现牙科树脂复合材料、纤维增强胶结复合材料和陶瓷复合材料可能具有另外应用。

尽管有这些实例，但板弯曲测试对于各向异性纤维增强聚合物基质复合材料并不常见。对此的推测原因为边缘效应的存在，其导致失效在边缘而不是中心引发。然而，这并不总是真实的。因此，需要简单、可靠、具有成本效益且可重复的测试来表征二维机织物复合材料的等双轴抗压强度。

发明内容

在一个方面，本公开涉及用于确定二维编织复合材料(比如碳纤维增强层压材料)的等双轴抗压强度的方法，其中二维编织复合材料至少包含布置于第一纤维方向上的第一组纤维和布置于第二纤维方向上的第二组纤维，第一和第二组纤维以一定角度(例如以彼此成直角)交织。该方法包括对二维编织复合材料试样施加平面外单轴载荷(例如单调载荷)，以在二维编织复合材料试样中诱导双轴挠曲；获得应变测量值，例如通过两个或更多个沿诱导具有双轴挠曲的二维编织复合材料试样的第一纤维方向和第二纤维方向布置的应变计；和当在二维编织复合材料试样的顶面出现至少一个可见裂纹时和/或当来自应变计的测量值不再重叠而是分叉时，由从沿第一纤维方向和沿第二纤维方向获得的应变测量值计算的应力确定二维编织复合材料试样的等双轴抗压强度。在另一方面，本公开涉及用于确定二维编织复合材料的等双轴强度的系统。