复合材料测试

复合材料拉伸试验用于测定纤维增强塑料主要材料方向上的拉伸模量和泊松比弹性特性值以及拉伸强度。

• 复合材料拉伸试验最常用的试验方法是ISO 527-4和ISO 527-5、ASTM D3039，以及EN 2561和EN 2597。
• 空客工厂标准 AITM1-0007 规定了以下两种拉伸试验的试验条件：无缺口多向层压板的拉伸试验以及使用开孔试样拉伸 (OHT) 和填孔试样拉伸 (FHT) 试验方法来测定拉伸强度的缺口拉伸试验。开孔和填孔试样拉伸试验主要适用于航空航天应用，以测定多向层压板在开孔或闭孔拉伸载荷下的折减系数。用于测定开孔和填孔试样拉伸强度的其他标准化试验方法可参考 ASTM D5766 和 ASTM D6742 标准。

复合材料压缩试验用于测定纤维增强塑料主要材料方向上的压缩模量和抗压强度。 由于层压板纤维方向上的抗压强度往往小于拉伸强度，且FRP层压板在拉伸和压缩载荷作用下的失效模式差异很大，因此压缩试验在复合材料测试中起着重要的作用。

复合材料压缩试验有多种试验方法和试验标准可用，它们按三种载荷施加原则进行区分：

• 端面载荷压缩试验，符合ASTM D695、DIN EN 2850 B型以及波音BSS 7260 III型和IV型标准
• 剪切载荷压缩试验，符合 ASTM D3410、ISO 14126 方法 1、DIN EN 2850 A 型和空客 AITM1-0008 A 型试样标准
• 组合载荷压缩试验，符合 ASTM D6641、ISO 14126 方法 2 和空客 AITM1-0008 A 型试样标准

除了上述测定无缺口层压板压缩值的试验方法外，还有标准化的复合材料缺口压缩试验，用于按照 ASTM D6484 标准测定开孔抗压强度 (OHC) 以及按照 ASTM D6742 标准测定填孔抗压强度 (FHC)。
除了无缺口层压板的压缩性能，还可以测定多向层压板在压缩载荷作用下的相应折减系数。缺口压缩试验在行业标准空客 AITM1-0008 B、D 和 C 型试样以及波音 BSS 7260 I 型中有进一步的描述。

复合材料剪切试验用于测定纤维增强塑料的面内剪切特性，如剪切模量和剪切强度。 对于在主要材料方向上具有不同特性值的FRP材料，必须始终使用单独的剪切试验来测定剪切模量，而无法像各向同性材料那样通过其他弹性特性值计算得出。

已确立三种不同的试验方法来测定剪切特性和剪切性能：

• ±45°层压板拉伸试验，符合 ISO 14129、ASTM D3518 和空客 AITM1-0002 标准
• V形切口梁(Iosipescu)剪切试验，符合ASTM D5379标准
• V型切口轨道剪切试验，符合ASTM D7078标准

对于±45°层压板拉伸试验（面内剪切试验），可以使用与拉伸试验相同的试验装置。 然而，在计算剪切应变时，除了轴向应变外，还必须记录横向应变。

Iosipescu 和 V 型切口轨道剪切试验需要缺口试样和相应的试验工装。此处还需要进行双轴应变测量。通常使用双轴应变片。或者，可以使用数字图像相关性 (DIC) 来测量应变。
如果层压板具有适当的厚度，则 V 型切口梁剪切试验也可用于测定面外剪切值。

由于试验装置、试样几何形状和加工工艺以及试验执行都相对简单，因此复合材料弯曲试验经常用于快速材料比较的质量保证。 3点和4点弯曲试验有所区别。 纤维增强塑料弯曲试验的常用标准化试验方法有：

• 3点和4点弯曲试验，符合ISO 14125和ASTM D7264标准
• 3点弯曲试验，符合EN 2562、EN 2746和ASTM D790标准
• 4点弯曲试验，符合ASTM D6272标准

如果整个试验装置的刚度足够，或者如果试验装置的柔韧性可以在测试软件中测定并校正，则在3点弯曲试验中通常允许使用试验机行程距离。
另一方面，4点弯曲试验需要使用合适的位移测量系统来测量试样中心的挠度。

用于测定层间剪切强度(ILSS)的试验是纤维增强塑料最常执行的静态试验之一，通常用于质量保证。 只需一个相当小的试样，试验即可快速轻松地自行执行，而且只有试验中测定的最大力与评估目的相关。

ILSS试验的既定试验标准是ISO 14130、EN 2377、EN 2563和ASTM D2344。

所有四种标准都描述了矩形试样，但是对于试样长度、宽度和厚度，它们可能使用不同的尺寸。 ASTM D2344标准还描述了弧形试样，例如取自压力容器或管壁的试样。

用于ILSS试验的试验工装必须能够满足试验标准所规定的极低试验装置公差。

要了解复合材料层压板的分层性能，可采用断裂力学试验方法测定定常裂纹扩展过程中的临界能量释放因子和能量释放因子。 制造试样需要层压板，其中通过一层非常薄且不粘附的塑料薄膜（通常使用聚四氟乙烯薄膜）在层压板的中心平面上产生人工撕裂。

最常用的试验方法是通过垂直于裂纹表面的拉伸载荷进行裂纹扩展（模式I）和通过层压板横截面上的剪切载荷进行裂纹扩展（模式II）。 为了标定层压板裂纹扩展的数值计算方法，还有一种I+II混合模式加载试验方法：

• 式 I 用于双悬臂梁 (DCB) 试验，遵循ISO 15024、EN 6033、ASTM D5528、空客 AITM1-0005 和 波音 BSS 7273 标准
• 模式 II 用于端部缺口弯曲 (ENF) 试验，遵循 ASTM D7905、EN 6034、空客 AITM1-0006 和波音 BSS 7273 标准
• 模式II作为已标定的端面加载分裂(C-ELS)试验，符合ISO 15114标准
• 混合模式I+II作为混合模式弯曲(MMB)试验，符合ASTM D6671标准

冲击后压缩 (CAI) 试验是用于测定层压板冲击损坏后残余抗压强度的一种试验方法。按相应试验标准中规定的冲击能量对待测试样进行预损坏。该方法可以得出复合材料层压板的耐损坏结论，以确保部件（尤其是航空航天行业中潜在的冲击载荷复合材料结构中的部件）的安全性和可靠性。

已为CAI试验确立以下试验方法：ASTM D7136 和 ASTM D7137、ISO 18352、空客 AITM1-0010 以及波音 BSS 7260 II 型。

除了纤维增强塑料层压板本身的机械特性值外，还可执行试验来测定用于复合材料结构布局和设计的接头强度。

用于此目的的标准化试验方法大致可分为三个方面：

• 胶粘剂粘合强度（搭接剪切试验），符合 ASTM D5868、EN 6060 和空客 AITM1-0019 标准
• 螺栓或螺柱连接强度和轴承响应试验，按照 ASTM D5961、ASTM D7248、EN 6037、ISO 12815、空客 AITM1-0009、AITM1-0065 和 AITM1-0067 标准在对层压板施加载荷的情况下进行
• 紧固件的抗过拉阻力，按照 ASTM D7332 和空客 AITM1-0066 标准通过垂直于层压板施加载荷来测定

为了测定复合材料层压板的疲劳性能并得出 S-N 曲线，通常在脉冲拉伸载荷下执行动态循环试验。适用的动态复合材料试验标准为 ASTM D3479 和 ISO 13003。ISO 13003 标准还描述了动态循环弯曲载荷下的复合材料疲劳试验。

其他标准化动态复合材料测试方法有：

• 开孔试样拉伸和开孔试样压缩疲劳试验，符合ASTM D7615标准
• I型疲劳载荷下的层间裂纹扩展，符合ASTM D6115标准
• 螺栓连接疲劳试验和动态轴承响应试验，符合 ASTM D6873 和空客 AITM1-0074 标准
• 空客 AITM1-0075 标准中包含有关如何执行 ILSS、ILTS、OHT 与 OHC、FHT 与 FHC、抗过拉、CAI 和搭接剪切疲劳试验的摘要信息。