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复合材料测试

用于对纤维增强复合材料进行力学表征的试验方法

纤维增强塑料(FRP)是一类高性能材料,从设计角度来看,由于其具有优异的重量比机械性能、极好的疲劳性能和高度的灵活性,因此主要用于航空航天中的轻量化结构、风能和汽车领域以及其他各种行业。通常,由各个层组成的多层复合材料层压板适用于薄壁结构。纤维增强类型从连续纤维增强单向(UD)铺层材料、粗布和编织复合材料到具有不连续、随机分布增强纤维的FRP。

出于材料开发、材料鉴定或质量保证目的,或为了测定复合材料结构布局与设计的特性值,有大量复合材料试验可用于对FRP材料进行力学表征:

复合材料测试方法:

拉伸试验压缩试验剪切试验弯曲试验ILSS试验层间能量释放因子冲击后压缩试验(CAI)轴承强度疲劳试验

有关复合材料测试的其他信息:

模块化试验系统低温复合材料测试对中服务用户项目

视频:复合材料测试介绍

有关复合材料测试介绍的网络研讨会记录:
了解有关用于复合材料结构质量保证与设计的复合材料测试基本试验方法和试验设备的更多信息:

  • 复合材料应用(从3:28开始)
  • 拉伸试验与对中(从15:32开始)
  • 压缩试验(从20:25开始)
  • 剪切试验(从31:07开始)
  • 弯曲试验(从37:58开始)
  • ILSS/层间剪切强度(从42:21开始)
  • 静态试验机(含试验工具)(从45:26开始)
  • 伸长率和挠度测量(从49:40开始)

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复合材料拉伸试验

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 527-5ASTM D3039,以及EN 2561和EN 2597。
  • 空客工厂标准AITM 1-0007包括以下两种拉伸试验的试验要求:无缺口多向层压板的拉伸试验以及使用开孔试样拉伸(OHT)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是ASTM D5766和ASTM D6742。
复合材料拉伸试验
ISO 527-4、ISO 527-5
至 复合材料拉伸试验
复合材料拉伸试验
ASTM D3039
至 复合材料拉伸试验

复合材料压缩试验和缺口压缩试验

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AITM 1-0008 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AITM 1.0008 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AITM 1.0008 B、D和C型试样以及波音BSS 7260 I型中有进一步的描述。

端面载荷压缩试验
ASTM D695、DIN EN 2850 B型或波音BSS 7260 III型和IV型标准
端面载荷压缩:用于测试连续纤维增强复合材料
至 端面载荷压缩试验
剪切载荷压缩试验
ISO 14126方法1、ASTM D3410或DIN EN 2850 A型标准
剪切载荷压缩:适用于纤维方向强度较低的单向复合材料,以及织物和多向复合材料层压板的压缩试验。
至 剪切载荷压缩试验
组合载荷压缩试验
ISO 14126方法2、ASTM D6641和空客AITM 1.0008标准
组合载荷压缩:试样横截面积较大的复合材料压缩试样试验以及高强度单向碳纤维增强复合材料层压板的压缩试验
至 组合载荷压缩试验
开孔压缩,填孔压缩,缺口压缩试验
ASTM D6484、ASTM D6742、波音BSS 7260 I型或AITM 1.0008标准
测定孔对于层压板抗压强度的影响。
至 开孔压缩,填孔压缩,缺口压缩试验

复合材料剪切试验

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:

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。

IosipescuV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。

IPS试验(面内剪切)
对单向层压板±45°方向进行拉伸或压缩试验可以测定材料的面内剪切性能。
至 IPS试验(面内剪切)
V型切口梁剪切试验
用于测定试样面内剪切特性。
至 V型切口梁剪切试验

复合材料弯曲试验

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:

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。

复合材料弯曲试验
ISO 14125、ASTM D7264、EN 2562、EN 2746
至 复合材料弯曲试验
ASTM D790标准的3点弯曲试验
ASTM D790标准描述了刚性和半刚性塑料以及长纤维增强型纤维复合材料的3点弯曲试验。
至 ASTM D790标准的3点弯曲试验

层间剪切强度(ILSS)

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。

层间剪切强度ILSS
ASTM D2344、ISO 14130、EN 2377、EN 2563
至 层间剪切强度ILSS

用于测定层间能量释放因子的试验

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:

  • 模式I作为双悬臂梁(DCB)试验,符合ISO 15024、EN 6033、ASTM D5528、空客AITM 1-0005和波音BSS 7273标准
  • 模式II作为端边切口弯曲(ENF)试验,符合ASTM D7905、EN 6034、空客AITM 1-0006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
能量释放因子(G)
能量释放因子是断裂力学特征值之一,通常测定裂纹扩展(I型)和面内剪切(II型)的裂纹。
至 能量释放因子(G)

冲击后压缩(CAI)试验

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 D7136ASTM D7137、ISO 18352、空客AITM 1-0010以及波音BSS 7260 II型

冲击后压缩试验(CAI)
该试验被用于表征飞机或汽车在被鸟或石头击中,或在事故中受损后材料受到的损害。
至 冲击后压缩试验(CAI)

轴承强度和接头强度

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:

复合材料搭接剪切试验
ASTM D5868、EN 6060、空客AITM 1-0019
层压板的粘结强度
至 复合材料搭接剪切试验

复合材料疲劳试验

要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。适用的标准化动态复合材料试验为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AITM 1-0074标准
  • 空客AITM 1-0075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。
动态循环试验方法
用于测定试样、结构件以及部件的耐用性。
至 动态循环试验方法

用于复合材料测试的模块化试验机

较大测试实验室的试验量相应较高,可将不同的试验机用于极其多样化的复合材料测试方法,从而最大限度地减少转换工作量。各个试验机均可调整为各种试验类型所需的力范围。如果测试吞吐量不够大或者不够稳定,购置多台试验机并不经济时,另一个可选方案是购置一台适用于尽可能多试验方法的材料试验机,并尽量减少试验机的转换工作量。

ZwickRoell开发了一种用于复合材料测试的模块化试验机设计,该设计可作为100 kN或250 kN试验机提供,涵盖21种试验方法和约120个试验标准(ISO、EN、ASTM以及空客AITM和波音BSS),并允许在室温下或在-80 °C至+360 °C的低温或高温下对纤维增强复合材料进行全面表征。

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  • 行业手册: 复合材料 PDF 7 MB
  • 演示:复合材料测试介绍 PDF 2 MB

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