ISO 短梁法測定纖維增強塑料復合材料表觀層間剪切強度檢測

纖維增強塑料復合材料（Fiber Reinforced Plastics, FRP）因其優異的力學性能被廣泛應用于航空航天、汽車制造、建筑結構等領域。層間剪切強度（Interlaminar Shear Strength, ILSS）是評價復合材料界面結合性能的核心指標之一，直接關系到材料的分層失效行為和整體承載能力。ISO 14130標準中規定的短梁法（Short Beam Shear Test, SBS）作為測定表觀層間剪切強度的經典方法，具有操作簡便、試樣制備高效和結果重復性好的特點，被行業廣泛采用。

檢測原理與適用范圍

ISO短梁法通過三點彎曲加載方式，使試樣在跨厚比（跨度與厚度之比）較小的條件下發生層間剪切破壞。根據經典層合板理論，當跨厚比≤5時，試樣中間層主要承受剪切應力，最大剪切應力出現在中性層附近。通過測量破壞載荷，結合試樣幾何尺寸計算表觀層間剪切強度。該方法適用于單向或正交鋪層復合材料，尤其適合對比不同樹脂基體或纖維-基體界面性能的差異。

關鍵檢測設備與試樣要求

檢測需配備萬能材料試驗機（精度±1%）、三點彎曲夾具（支撐跨距可調）、千分尺（精度0.01mm）和恒溫恒濕預處理箱。試樣尺寸需嚴格滿足標準規定：長度≥20倍厚度，寬度6±0.5mm，厚度2-5mm（允許±2%誤差）。試樣加工需使用金剛石刀具，避免邊緣分層或纖維損傷，表面粗糙度Ra≤1.6μm。每組試驗至少需5個有效試樣，且應在23±2℃、50±5%RH環境下預處理24小時。

檢測流程與數據處理

測試時按以下步驟進行：（1）測量試樣實際尺寸并計算跨距（L=4h，h為試樣厚度）；（2）以1-2mm/min速率加載至試樣破壞；（3）記錄最大載荷P_max。表觀層間剪切強度τ_app按公式τ_app=0.75P_max/(b·h)計算，其中b為試樣寬度。需剔除因應力集中或非層間破壞（如壓縮失效）導致的異常數據，保留偏差≤15%的結果取平均值。典型測試曲線應呈現線性上升后突降的脆性破壞特征。

影響因素與注意事項

檢測結果易受以下因素影響：（1）試樣尺寸精度偏差導致的應力分布異常；（2）加載壓頭與支撐輥的半徑尺寸（標準要求R=2-3mm）；（3）環境溫濕度變化引起樹脂基體性能改變；（4）纖維取向偏差或界面缺陷。為確保數據可靠性，需定期校準設備、驗證夾具對中性，并采用顯微觀察確認破壞模式為層間剪切主導（典型破壞面與加載方向呈45°）。

應用局限與發展趨勢

ISO短梁法雖操作簡便，但其測得值為表觀剪切強度而非真實值，未考慮泊松效應和三維應力狀態。近年來，針對高韌性復合材料，改良型方法（如雙缺口剪切試驗）逐漸興起。但作為質量控制和工藝對比的快速評價手段，短梁法仍具有不可替代的優勢。未來發展趨勢將結合數字圖像相關技術（DIC）和聲發射監測，實現更精確的失效機制分析。