GB/T 46221-2025 纤维增强塑料复合材料III型层间断裂韧性的测定

　　ICS 83. 120 CCS Q 23

　　中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准

　　GB/T 46221—2025

　　纤维增强塑料复合材料 Ⅲ型层间

　　断裂韧性的测定

　　Testmethod formode Ⅲ interlaminar fracturetoughnessof

　　fiber-reinforcedplasticcomposites

　　2025-08-29发布 2026-03-01实施

　　国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会

　　

　　发

　　

　　布

　　GB/T 46221—2025

　　目 次

　　前言 Ⅲ

　　1 范围 1

　　2 规范性引用文件 1

　　3 术语和定义 1

　　4 原理 1

　　5 试样 2

　　6 试验设备 3

　　7 试验条件 4

　　8 试验步骤 4

　　9 结果计算 6

　　10 试验报告 7

　　附录 A (规范性) Ⅲ型层间断裂韧性测定夹具 8

　　Ⅰ

　　GB/T 46221—2025

　　前 言

　　本文件按照 GB/T 1. 1—2020《标准化工作导则 第 1部分 :标准化文件的结构和起草规则》的规定起草 。

　　请注意本文件的某些内容可能涉及专利 。本文件的发布机构不承担识别专利的责任 。

　　本文件由中国建筑材料联合会提出 。

　　本文件由全国纤维增强塑料标准化技术委员会(SAC/TC39)归 口 。

　　本文件起草单位 :河北工业大学 、北京航空航天大学 、中国兵器工业导航与控制技术研究所 、中国飞机强度研究所 、天津爱思达新材料科技有限公司 、中国科学院宁波材料技术与工程研究所 、北京玻钢院检测中心有限公司 、重庆大学 、北京玻璃钢研究设计院有限公司 。

　　本文件主要起草人 :赵丽 滨 、高 原 、刘 丰 睿 、贾 若 迪 、杨 胜 春 、刘 千 、祝 颖 丹 、杨 德 旭 、王 绥 安 、龚 愉 、宋贵宾 、韩宇 、徐海兵 、于宗芝 、张哲绎 。

　　Ⅲ

　　GB/T 46221—2025

　　纤维增强塑料复合材料 Ⅲ型层间

　　断裂韧性的测定

　　1 范围

　　本文件描述了采用边缘环裂纹扭转法测定纤维增强塑料复合材料 Ⅲ型层间断裂韧性的原理 、试样 、试验设备 、试验条件 、试验步骤 、结果计算和试验报告 。

　　本文件适用于预浸料热压罐成型工艺制备的纤维增强塑料复合材料层合板 Ⅲ型层间断裂韧性的测定 ,其他成型工艺制备的纤维增强复合材料层合板试样参照执行 。

　　2 规范性引用文件

　　下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款 。其中 , 注 日期的引用文件 ,仅该日期对应的版本适用于本文件 ;不注日期的引用文件 ,其最新版本(包括所有的修改单) 适用于本文件 。

　　GB/T 1446 纤维增强塑料性能试验方法总则

　　GB/T 3961 纤维增强塑料术语

　　GB/T 28889 复合材料面内剪切性能试验方法

　　GB/T 38537 纤维增强树脂基复合材料超声检测方法 C扫描法

　　3 术语和定义

　　GB/T 3961界定的以及下列术语和定义适用于本文件 。

　　3. 1

　　Ⅲ型裂纹撕裂模式 mode Ⅲ crack tearing mode

　　在裂纹平面内与裂纹前缘端面切线方向平行的扭转载荷引起的撕开断裂模式 。

　　注 : 简称 “Ⅲ型模式 ”。

　　3.2

　　Ⅲ型应力强度因子 mode Ⅲ stressintensity factor

　　K Ⅲ

　　在 Ⅲ型模式(3. 1)下 ,理想裂纹尖端应力场的量值 。

　　注 : 应力强度因子是力 、裂纹长度 、试样的形状和尺寸的函数 。

　　3.3

　　Ⅲ型层间断裂韧性 mode Ⅲ interlaminar fracture toughness

　　GⅢ C

　　在 Ⅲ型模式(3. 1)下 ,分层裂纹起始扩展时应变能释放率的临界值 。

　　注 1: Ⅲ型应变能释放率为 Ⅲ型模式下试样的应变能随裂纹扩展的变化率 。

　　注 2: 以焦耳每平方米(J/m2 )为单位 。

　　4 原理

　　通过嵌入物引入环形预制裂纹 ,形成含边缘环形裂纹的对称 、均衡复合材料层合板试样(如图 1 所

　　1

　　GB/T 46221—2025

　　示) 。采用扭转试验机对试样-夹具组合件进行夹持 ,通过扭转加载引入 Ⅲ型分层载荷 ,测定出复合材料的 Ⅲ型层间断裂韧性 。

　　5 试样

　　5. 1 试样形状及尺寸

　　试样示意图如图 1 所示 ,试样为等厚度的方形(或圆形) 复合材料层合板 ,试样边长(或直径)a 为(120±0. 5) mm ,试样厚度 2h不宜超过 10 mm。在试样中面圆形中央粘接区域外引入嵌入物预制分层 , 中央粘接区域半径 r 为(25±1) mm ,嵌入物的厚度不应超过 10 μm。试样坐标系如图 2所示 。

　　a) 方形试样正视图 b) 圆形试样正视图

　　c) 方形试样俯视图 d) 圆形试样俯视图标引序号说明 :

　　1 — 嵌入物 ;

　　2 — 中央粘接区域 ;

　　a — 试样边长或直径 ;

　　r — 试样中央粘接区域半径 ; 2h — 试样厚度 。

　　图 1 试样示意图

　　2

　　GB/T 46221—2025

　　a) 方形试样坐标系

　　b) 圆形试样坐标系

　　图 2 试样坐标系

　　5.2 试样制备

　　试样的铺层顺序需满 足 对 称 、均 衡 的 条 件 。 在 试 样 中 面 圆 形 中 央 粘 接 区 域 外 引 入 嵌 入 物 预 制 分层 , 中央粘接区域半径 r 为(25±1) mm ,嵌入物的厚度不应超过 10 μm。若复合材料 固 化 温 度 不 高于 200 ℃宜使用聚四氟乙烯薄膜 。若高于 200 ℃宜使用聚酰亚胺薄膜 , 聚酰亚胺薄膜应在嵌入层合板之前用脱模剂涂覆或喷涂 。薄膜应在涂覆脱模剂之前切割成合适的尺寸 。含有硅的脱模剂会穿透各单层而污染层合板 ,烘烤薄膜有利于防止硅在复合材料层间中迁移 。薄膜涂覆脱模剂后 ,在 130℃条件下烘烤 30 min,该过程需进行两次 。小心操作 ,避免脱模剂的涂层被损坏和擦除 。

　　5.3 试样要求

　　采用超声 C扫描成像系统对试样进行检测 ,裂纹前缘偏心率不应超过 5% ,试样中央粘接区域形心轴与试样上下表面形心轴偏差不应超过 1 mm。

　　5.4 试样数量

　　每组有效试样数量应不少于 5个 。

　　6 试验设备

　　6. 1 扭转试验机

　　试验机的载荷传感器与扭转角传感器应被校准 ,最大允许误差为 ±1% 。试验机应能连续地测量并记录载荷 、扭转角 。

　　6.2 夹具

　　夹具由两个钢制加载板与两个钢制粘贴板组成 ,如图 3所示 ,其中钢制粘贴板的凸台面内圆半径为R,每个加载板和粘贴板上均有对称分布的钻孔 ,通过螺栓连接配对使用 。夹具具体尺寸按附录 A。

　　3

　　GB/T 46221—2025

　　a) 加载板

　　b) 粘贴板

　　标引序号说明 :

　　1 — 粘贴板凸台面 ;

　　R— 粘贴板凸台面内圆半径 。

　　图 3 夹具示意图

　　6.3 测量仪器

　　游标卡尺精度为 0. 01 mm 或类似量具 。

　　6.4 扭矩扳手

　　扭矩扳手的精度应满足试验要求 ,经计量检定合格 ,并在有效期内使用 。

　　6.5 超声 C 扫描成像系统

　　超声 C扫描成像系统应符合 GB/T 38537的要求 。

　　7 试验条件

　　GB/T 1446规定的实验室标准环境条件 。

　　8 试验步骤

　　8. 1 试验前准备

　　8. 1. 1 按 5. 3 的要求检查试样 ,检查合格的试样应编号 。

　　4

　　GB/T 46221—2025

　　8. 1.2 按 GB/T 1446的规定对试样进行状态调节 。

　　8. 1.3 状态调节后 ,用游标卡尺测量并记录试样 3个不同截面处的厚度 2h,精确到 0. 01 mm ,取算术平均值 ;测量并记录粘贴板凸台面内圆 3处不同位置的直径 2R,精确到 0. 01 mm ,取算术平均值 。

　　8.2 试样与粘贴板粘接

　　将试样上下表面通过胶黏剂分别粘接在粘贴板的凸台面上 ,确保试样中央粘接区域圆心与凸台面圆心对齐 ,偏差不应超过 1 mm ,如图 4所示 。推荐使用剪切强度不低于 30 MPa的室温固化胶黏剂 。

　　标引序号说明 :

　　1— 粘贴板 ;

　　2— 试样 。

　　图 4 试样与粘贴板粘接示意图

　　8.3 试样安装

　　8.3. 1 如图 5 所示 , 将试样-粘贴板组合件与加载板连接 , 采用对角拧紧的方式用 手 拧 紧 夹 具 上 的 螺栓 ,保证夹具不会松动 。

　　8.3.2 如图 6所示 ,将安装好的试样-夹具组合件放置于试验机上 ,使夹具加载板的形心轴与试验机夹头方向对中 。

　　8.3.3 采用液压夹持加载的方式对试样-夹具组合件施加夹持力 ,然后采用对角拧紧的方式以15N · m的力矩再次拧紧夹具上的螺栓 。

　　标引序号说明 :

　　1— 加载板 ;

　　2— 粘贴板 ;

　　3— 试样 。

　　图 5 粘贴板与加载板连接示意图

　　5

　　GB/T 46221—2025

　　标引序号说明 :

　　1— 试验机夹头 ;

　　2— 加载板 ;

　　3— 固定螺栓 ;

　　4— 粘贴板 ;

　　5— 试样 。

　　图 6 试样-夹具组合件安装示意图

　　8.4 加载

　　以 0. 2°/min的加载速率对试样持续加载 ,直到试样中部发生扭转断裂 。

　　8.5 数据记录

　　记录最 大 扭 矩 Tmax , 用 游 标 卡 尺 测 量 试 样 中 央 粘 接 区 域 3 处 不 同 位 置 的 直 径 2r, 精 确 到0. 01 mm , 取算术平均值 。

　　8.6 失效模式

　　试样预制分层平面内发生分层破坏是可接受的失效模式 ,其他失效模式不可接受 。

　　9 结果计算

　　9. 1 Ⅲ型临界应力强度因子

　　Ⅲ型临界应力强度因子 KⅢC按公式(1) ~公式(3)计算 :

　　K Ⅲ C =ηⅢ fⅢ × 10-6 … … … … … … … … … …

　　式中 :

　　K ⅢC— Ⅲ型应力强度因子的临界值 ,单位为兆帕二分之一次方米(MPa m ) ;

　　6

　　GB/T 46221—2025

　　fⅢ — Ⅲ型应力强度因子关于的修正系数 ;

　　ηⅢ — Ⅲ型应力强度因子关于的修正系数 ;

　　Tmax— 最大扭矩 ,单位为牛米(N · m) ;

　　r — 试样中央粘接区域半径 ,单位为米(m) ;

　　R — 粘贴板凸台面内圆半径 ,单位为米(m) ;

　　h — 试样厚度的一半 ,单位为米(m) 。

　　9.2 Ⅲ型层间断裂韧性

　　Ⅲ型层间断裂韧性 GⅢC按公式(4)计算 :

　　GⅢ C C × 106 … … … … … … … … … …

　　式中 :

　　Gxy — 试样的 x-y 平面剪切弹性模量 ,单位为兆帕(MPa) ;

　　Gyz — 试样的 y-z平面剪切弹性模量 ,单位为兆帕(MPa) 。

　　Gxy 的测定按照 GB/T 28889执行 ,Gyz 的测定试样与 GB/T 28889试样形状尺寸相同 ,铺层方向垂直于试样宽度方向 ,测试方法按照 GB/T 28889执行 。

　　10 试验报告

　　试验报告应包括下列内容 :

　　a) 试验项目和本文件编号 ;

　　b) 材料牌号 、规格 、铺层方式 ;

　　c) 材料来源 ;

　　d) 试样编号 、尺寸和数量 ;

　　e) 试验温度和相对湿度 ;

　　f) 试验设备 ;

　　g) Ⅲ型层间断裂韧性单个值 、平均值 、标准差和离散系数 ;

　　h) 试验人员和 日期 ;

　　i) 其他 。

　　7

　　GB/T 46221—2025

　　附 录 A

　　(规范性)

　　Ⅲ型层间断裂韧性测定夹具

　　A. 1 夹具的粘贴板尺寸如图 A. 1所示 。

　　单位为毫米

　　a) 正视图

　　b) 俯视图

　　图 A. 1 粘贴板尺寸图

　　8

　　9

　　A.2 夹具的加载板尺寸如图 A. 2所示 。

　　

　　GB/T

　　

　　46221—2025

　　单位为毫米

　　a) 正视图

　　b) 侧视图

　　图 A.2 加载板尺寸图

　　GB/T 46221—2025

　　c) 俯视图

　　图 A.2 加载板尺寸图 (续)

　　10