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復(fù)合材料測(cè)試，第1部分：復(fù)合材料機(jī)械測(cè)試簡(jiǎn)介
 

與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料相比，聚合物基復(fù)合材料 (PMC) 的性能和靈活性大大提高。然而，這些好處是以增加材料復(fù)雜性為代價(jià)的，而且很容易忽視生成高質(zhì)量測(cè)試數(shù)據(jù)以支持材料開發(fā)、設(shè)計(jì)和質(zhì)量控制需求的挑戰(zhàn)。

材料性能的基本表征需要在不同的負(fù)載條件下進(jìn)行一系列測(cè)試——拉伸、壓縮、剪切和彎曲。許多復(fù)合材料是各向異性的（意味著機(jī)械性能取決于方向）和不均勻的（意味著材料成分不均勻；例如，嵌入纖維的基質(zhì)）。對(duì)于關(guān)鍵的復(fù)合材料應(yīng)用，通常需要進(jìn)行額外的、更復(fù)雜的測(cè)試來確定材料在使用條件和代表性環(huán)境中的耐久性。例如，在航空航天工業(yè)中，使用沖擊后壓縮 (CAI) 測(cè)試來評(píng)估復(fù)合材料的損傷容限、在風(fēng)能領(lǐng)域評(píng)估疲勞載荷以及在汽車碰撞保護(hù)中評(píng)估高速拉伸測(cè)試非常重要。

目前已制定了多種國(guó)際和國(guó)家測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)（ASTM、EN、ISO、JIS）來測(cè)試復(fù)合材料，此外還有一些仍在使用的歷史標(biāo)準(zhǔn)，例如由 SACMA（先進(jìn)復(fù)合材料供應(yīng)商協(xié)會(huì)）和 CRAG（復(fù)合材料研究咨詢小組）發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)。此外，Nadcap 等審核機(jī)構(gòu)進(jìn)一步定義了設(shè)備性能標(biāo)準(zhǔn)，例如樣品對(duì)準(zhǔn)。下面討論了一些較常見的復(fù)合材料機(jī)械測(cè)試。

 

雙柱拉力機(jī)示意圖

測(cè)試類型

拉伸試驗(yàn)：復(fù)合層壓板的平面拉伸試驗(yàn)是復(fù)合材料最常見的測(cè)試。拉伸試驗(yàn)也用于樹脂浸漬纖維束（絲束）以確定纖維性能，以及全厚度樣品（從層壓板的厚部分切下）以確定全厚度性能。

層壓板平面拉伸試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)示例包括 ASTM D3039、EN 2561 和 ISO 527-4/5。樣品通常平行，側(cè)面帶有粘合片，以防止夾鉗損壞材料并導(dǎo)致過早失效。由于過早剪切失效的可能性，不建議減小量規(guī)部分的寬度；但是，復(fù)合材料樣品寬度的一些小幅和逐漸減小，以及使用具有高摩擦涂層的扁平夾鉗，可以消除對(duì)片的需求。

 

壓縮測(cè)試：復(fù)合層壓壓縮試樣要么平行放置，采用短的無支撐標(biāo)距長(zhǎng)度以防止屈曲，要么采用較長(zhǎng)的標(biāo)距長(zhǎng)度并采用側(cè)向支撐來控制屈曲。試驗(yàn)力可以通過剪切載荷、端部載荷或剪切載荷和端部載荷的組合（組合載荷）引入。常用的壓縮試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和固定裝置有多種，如 ASTM D695、ASTM D3410、ASTM D6641 和 ISO 14126。也可以在液壓夾具之間進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，前提是它們對(duì)齊良好且具有較高的橫向剛度。
 

剪切試驗(yàn)：層間剪切強(qiáng)度試驗(yàn) (ILSS) 或短梁剪切 (SBS) 是一種簡(jiǎn)單的試驗(yàn)，使用以三點(diǎn)彎曲配置加載的小試樣進(jìn)行。試樣厚度與支撐跨度之比會(huì)沿試樣的中心線產(chǎn)生剪切破壞。常用的 ILSS 標(biāo)準(zhǔn)包括 ASTM D2344、EN 2563 和 ISO 14130。ILSS 測(cè)試提供的是表觀強(qiáng)度值，而不是真實(shí)的材料特性；盡管如此，它是一種有效且廣泛使用的質(zhì)檢測(cè)試。

可以通過對(duì)纖維取向?yàn)?nbsp;±45 度的樣品進(jìn)行拉伸試驗(yàn)來測(cè)量面內(nèi)剪切特性。剪切應(yīng)變由軸向和橫向應(yīng)變測(cè)量確定。與 ILSS 測(cè)試一樣，此測(cè)試不提供剪切特性的真實(shí)值，因?yàn)闃悠分械膽?yīng)力是剪切應(yīng)力和軸向應(yīng)力的組合。此測(cè)試的常用標(biāo)準(zhǔn)包括 ASTM D3518 和 ISO 14129。

設(shè)計(jì)的剪切特性測(cè)定通常使用 V 型缺口樣品來確定，它可以在缺口區(qū)域產(chǎn)生純剪切狀態(tài)（例如，ASTM D7078 和 ASTM D5379）。

沖擊后壓縮 (CAI) 測(cè)試：損傷容限是復(fù)合層壓板的主要關(guān)注點(diǎn)，因?yàn)椴豢梢姷膬?nèi)部分層會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)度顯著降低。CAI 測(cè)試提供了損傷容限的測(cè)量方法。CAI 測(cè)試通常在矩形層壓板上進(jìn)行，由兩部分組成。在第一部分中，使用落塔對(duì)面板進(jìn)行受控沖擊。然后將面板支撐在夾具中，并施加邊緣壓縮載荷，直到其失效。失效載荷指示了沖擊損傷后面板的殘余強(qiáng)度。CAI 標(biāo)準(zhǔn)包括 ASTM D7136、ASTM D7137 和 ISO 18352。
 

疲勞測(cè)試：與大量定義明確的復(fù)合材料“靜態(tài)”測(cè)試相比，層壓板疲勞測(cè)試的情況更加開放。準(zhǔn)確對(duì)準(zhǔn)和正確夾緊以避免夾鉗附近發(fā)生故障非常重要，高橫向剛度也很重要，以防止在包括壓縮載荷的測(cè)試中發(fā)生屈曲。需要注意的是，“靜態(tài)”壓縮試驗(yàn)中使用的某些防屈曲導(dǎo)軌如果用于循環(huán)試驗(yàn)，可能會(huì)因摩擦效應(yīng)而出現(xiàn)問題。在對(duì)聚合物復(fù)合材料進(jìn)行疲勞試驗(yàn)時(shí)，最大試驗(yàn)頻率通常受限制，因?yàn)樾枰拗圃嚰臏厣?/span>例如，ISO 13003疲勞標(biāo)準(zhǔn)建議的最大溫升為10°C。

其他機(jī)械測(cè)試：還有各種其他標(biāo)準(zhǔn)化的復(fù)合材料機(jī)械測(cè)試（例如彎曲測(cè)試等）。