碳碳复合材料剪切性能试验方法 编制说明Word下载.docx

碳碳复合材料剪切性能试验方法 编制说明Word下载.docx

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2标准编制的目的和意义

2018年10月12日国家统计局第15次常务会议通过了《战略性新兴产业分类（2018）》，其中规定的战略性新兴产业是以重大技术突破和重大发展需求为基础，对经济社会全局和长远发展具有重大引领带动作用，知识技术密集、物质资源消耗少、成长潜力大、综合效益好的产业，包括新材料产业等9大领域，对经济发展起着重要引导作用。

碳/碳复合材料是《战略性新兴产业分类（2018）》中“3.5.3.3碳碳复合材料制造”的重点产品。

碳/碳复合材料具有低密度、高熔点、高导热性、低的热膨胀系数以及在高温环境下能保持常温时的强度等特点，因而作为摩擦材料、耐高温烧蚀材料和高温结构材料广泛应用于航空、航天和新兴产业领域。

作为材料固有特性的力学性能是影响各类航空、航天产品安全性、可靠性的重要指标之一。

在特定的应用工况下，产品会不同程度经受剪切载荷冲击，因而如何正确获取产品剪切性能指标对产品的安全性，可靠性有非常重要的影响。

碳/碳复合材料复杂的制备工艺、预制件本身的结构特点、样件的取向、测试设备和测试参数等均是影响材料剪切性能测试的因素。

由于国内外碳/碳复合材料剪切性能测试方法标准的空白，各单位均按照各自制定的剪切性能试验方法进行相关测试研究工作，测试数据差异性较大，不能真实反映碳/碳复合材料内在的特性和进行材料性能的横向对比，在一定程度上制约了碳/碳复合材料的应用和发展。

因此，迫切需要根据碳/碳复合材料的特点制定其剪切性能测试方法标准，标准的制定有助于更科学地表征碳/碳复合材料的剪切性能、更真实地反映材料的固有特性，为碳/碳复合材料的设计参数的选取和优化、结构设计、性能研究、产品试制开发以及验证提供准确可靠的性能数据，为产品的质量控制提供有力的技术支撑。

同时，湖南博云新材料股份有限公司作为标准起草单位先后主持编制了GB/T33501-2017《碳/碳复合材料拉伸性能试验方法》和GB/T34559-2017《碳/碳复合材料压缩性能试验方法》两项国家标准，该标准是属于碳/碳复合材料力学性能的系列标准，其制定为材料的研究开发和产品的质量控制等提供可靠的保障，并为建立标准化的碳/碳复合材料体系奠定基础，对完善和健全我国碳/碳复合材料标准体系起到重要作用。

3工作简介

本标准由湖南博云新材料股份有限公司、中国飞机强度研究所、中南大学负责起草，2019年8月接受国家化管理委员会国家标准制定任务后，各标准编制单位立即展开相关标准制定工作。

2019年8月，在长沙成立以湖南博云新材料股份有限公司、中国飞机强度研究所、中南大学为编制单位的《碳/碳复合材料剪切性能试验方法》标准编制组，并召开了标准编制组第一次会议。

会议就《碳/碳复合材料剪切性能试验方法》拟执行的方案进行了深入的讨论，逐项讨论了收集到的国内外关于复合材料剪切试验方法以及与之相关的标准，并结合湖南博云新材料股份有限公司前期的大量试验数据与中国飞机强度研究所测试技术分析，共同制定了初步工作计划、编制原则和国标的总体方案，同时形成12项行动项。

2019年10月，加工冲剪法剪切试样10种类型62件，三点短梁弯剪切试样14种92件，V型缺口剪切试样4种类型32件分别在2个实验室进行对比试验，以完善和补充编制原则和工作计划。

2019年11月~2020年02月期间，加工冲剪法剪切试样22种110件，三点短梁弯9种61件，V型缺口剪切试样15种89件进行大量对比验证工作。

分别从试样的编织方式，取样方向，剪切破坏模式等方面验证说明碳/碳复合材料剪切试验方法的可行性。

2020年3月，在进行测试工作基础上对前期试验数据进行系统分析，由此确立了适合碳/碳复合材料的剪切试验方法，并完成标准和编制说明初稿的编制。

同时，湖南博云新材料股份有限公司课题组内部对标准和编制说明初稿进行讨论。

2020年4月，湖南博云新材料股份有限公司、中国飞机强度研究所和中南大学相关标准制定人员共同就标准中需要完善的技术问题进行讨论，并对标准和编制说明初稿进行讨论、完善和修改。

根据讨论的结果和建议正式形成了碳/碳复合材料剪切性能试验方法征求意见稿和标准编制说明。

4标准编制的原则和确定标准主要内容的依据

4.1标准编制的原则

本标准是在参考ASTMD5379/D5379M-12《采用V形缺口梁方法测量复合材料剪切性能标准试验方法》、ASTMC1292-10《室温下连续纤维增强先进陶瓷剪切强度的标准试验方法》、ASTMD2344-16《聚合物基复合材料和层压板短梁剪切试验方法》、QJ2691-1994《整体毡碳/碳复合材料喉衬制品》并结合碳/碳复合材料剪切强度试验研究的结果而编制的。

4.2确定标准主要内容的依据

4.2.1标准名称

根据国家标准化管理委员会2019年的“关于下达2019年第二批国家标准制修订计划的通知”要求，由湖南博云新材料股份有限公司负责制定的国家标准名称为《碳/碳复合材料剪切性能试验方法》。

4.2.2　标准适用范围

目前国内使用的碳/碳复合材料主要包括两种类型：

三维穿刺碳/碳复合材料和准三维针刺碳/碳复合材料，本标准主要针对以上两种类型的碳/碳复合材料进行研究，现确定本标准的适用范围为：

“本标准适用于室温下测定三维穿刺碳/碳复合材料和准三维针刺碳/碳复合材料的剪切强度。

类似结构的碳/碳复合材料也可参照执行”。

4.2.3术语和定义

术语和定义主要根据GB/T3961确立的术语和定义。

4.2.4　试验方法的确定依据

1）ASTMD5379/D5379M-12《采用V形缺口梁方法测量复合材料剪切性能标准试验方法》适用于高模量加强型复合材料剪切性能的测试。

此标准规定的试验工作原理为：

将符合标准的V型缺口矩形试样放置在特制的剪切夹具中，让试样的V型缺口和夹具中心对齐后，以2mm/min的速率对试样施加压缩载荷，让试样产生相对位移，缺口中心区形成剪切应力场，直至发生剪切破坏，同时记录剪切应力和应变等参数。

试验机对试样施加力直至破坏并记录下剪切应力、应变等参数。

该试验方法中还采用贴应变计的方法测量剪切模量，并规定了弹性模量的计算方法。

2）ASTMC1292-10《室温下连续纤维增强先进陶瓷剪切强度的标准试验方法》适用于室温下连续纤维增强的陶瓷基复合材料剪切性能测试，并根据不同的适用条件规定了2种不同的剪切测试试样形状：

双V型缺口结构的矩形试样和单V型缺口结构的矩形试样。

其工作原理和ASTMD5379/D5379M-12《采用V形缺口梁方法测量复合材料剪切性能标准试验方法》相同，试验速率为3mm/min，该试验方法中未规定剪切模量的测量方法。

3）ASTMD2344-16《聚合物基复合材料和层压板短梁剪切试验方法》运用三点弯曲方法测定高模量纤维增强的聚合物基复合材料短梁强度，被限制用于连续或不连续纤维增强聚合物复合材料，同时被限制用于长宽比等于4，或最小厚度为2mm的试样。

该种方法常被用于质量控制和工艺规范的用途。

将矩形试样放置在一定跨距的夹具下支座上，

4）QJ2691-1994《整体毡碳/碳复合材料喉衬制品》是针对整体毡碳/碳复合材料喉衬制品的技术要求、试验方法和检验规则的行业标准,在该标准的附录B中对碳/碳复合材料剪切强度试验方法进行了说明,采用冲剪法进行剪切试验，将圆环型薄片试样放置在专用夹具上，调整试样和夹具中心位置，使之处于同一直线上，并以规定的速率进行加载，直至试样剪切破坏,记录剪切破坏前最大载荷。

5）本标准确定的试验方法：

将圆形试样对中放置于专用的剪切夹具中，使载荷中心与试样轴向中心线一致。

测量剪切强度时，按2.0mm/min的加载速率对试样连续施加压缩载荷，直至试样破坏或载荷下降了最大载荷的30%，记录最大剪切破坏载荷。

试样破坏后对试样断裂部位进行外观目视检查，并记录试样破坏模式。

4.2.5本标准的试样几何尺寸

4.2.5.1国内现有标准的试样几何尺寸

试验件尺寸主要参考了国内如下标准：

GB/T28889-2012《复合材料面内剪切性能试验方法》、JCT773-2010《纤维增强塑料短梁法测定层间剪切强度》、QJ2691-1994《整体毡碳碳复合材料喉衬制品》。

1）GB/T28889-2012《复合材料面内剪切性能试验方法》是利用将对称V型缺口的试样加持在一对专用夹具上。

该方法要求的试样尺寸较大，且试样夹持部位由于夹持力较大，使得试样夹部位的应力较大，试样夹持方式不适用于本标准规定的试样。

同时对于碳/碳复合材料来说V型缺口的加工难度较大，需要专用工装且加工精度难以保证。

该标准规定的试样见图1。

图1复合材料面内剪切性能试样

GB/T28889-2012《复合材料面内剪切性能试验方法》试样几何尺寸见表1。

表1GB/T28889-2012标准试样尺寸单位为毫米

长度

宽度

厚度

V型缺口角度（°

）

V型缺口深度

76

56

2~5

90

12.5

2）JCT773-2010《纤维增强塑料短梁法测定层间剪切强度》规定了用短梁法测定纤维增强塑料的层间剪切强度。

适用于能发生层间剪切失效的热固性或热塑性纤维增强塑料，可用于筛选材料或质量控制的试验；

同时该标准不适用于确定设计参数。

该标准规定的层间剪切试样为矩形，其试样尺寸见表2。

由于该标准试样尺寸较小，不适合三维穿刺碳/碳复合材料。

表2JCT773-2010标准试样尺寸单位为毫米

20±

1

10±

0.2

2±

3）QJ2691-1994《整体毡碳/碳复合材料喉衬制品》在附录B中规定了采用冲剪法进行碳/碳复合材料的剪切试验，其试样为圆形薄片，该方法规定的标准试样的尺寸见表3，其相比V型缺口的试样加工难度较小、较易实现。

表3QJ2691-1994试样尺寸单位为毫米

外径

内径

50±

0.1

10.5

4±

4.2.5.2国外现有标准的试样几何尺寸

试验件尺寸主要参考了国外如下标准：

DS-ENISO14130.1-2003《纤维增强塑料复合材料短梁法测定层间剪切强度》、ASTMD5379/D5379M-12《采用V形缺口梁方法测量复合材料剪切性能标准试验方法》、ASTMD2344-16《聚合物基复合材料和层压板短梁剪切试验方法》。

1）DS-ENISO14130.1-2003《纤维增强塑料复合材料短梁法测定层间剪切强度》主要适用于以热固性塑料为基体的纤维增强塑料复合材料层间剪切强度的测定。

其标准试样的尺寸见表4。

表4DS-ENISO14130.1-2003标准试样尺寸单位为毫米

2）ASTMD5379/D5379M-12《采用V形缺口梁方法测量复合材料剪切性能标准试验方法》其标准试样形状为V型缺口矩形试样，其尺寸见表5。

表5