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纤维复合材料

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  • 行业手册:复合材料 PDF 34 MB

复合材料概述

复合材料由两种或以上的材料组合而成。将不同材料组合会产生一些特殊的材料性能,比如在某一特定方向具有很高的刚度和强度,同时还能做到轻量化;这给新应用的开发提供了可能。 

复合材料在许多新产品中都有应用。空客A380、A350,以及波音787飞机都是民用航空中采用高比例碳纤维复合材料的代表。宝马的I3和I8车型,整个底盘都是采用玻璃纤维增强塑料(GFRP)制成的,底盘如此之轻以至于两个人即可抬起。在赛车界,纤维增强复合材料的使用已经有一段历史了。大型风力发电机的叶片采用了多种复合材料:用于吸收向心力的单向纤维增强复合材料和外表面的多向纤维增强复合材料,整个叶片为三明治设计结构。复合材料也被用于医学工程领域,例如应用在义肢中;在身体构造中,复合材料如同多层材料一样作为搭桥材料,以及应用在创面工程材料中。

复合材料中,纤维都被镶嵌于基体中,这构成了一个纤维-基体系统。纤维可以有一个或多个设计的取向。

层压板中具有相互叠加的材料层,具有三层材料,两个外表面材料相同的层压板也被称为“三明治结构”板。 

“三明治结构”通常被作为轻量化结构材料。该结构中间层通常为泡沫塑料或者蜂窝结构,后者也被称为蜂窝复合材料。

复合材料定义

在各种技术应用中可以使用各种复合材料,如:

  • 玻璃纤维增强塑料 (GFRP)
  • 碳纤维增强塑料 (CFRP)
  • 芳纶纤维增强塑料 (AFRP)
  • 天然纤维增强塑料 (NFRP)

纤维复合材料所包含的纤维为长纤维或短纤维,例如:还有作为基体的人造织物一起保证结合强度。

材料的特性曲线以及纤维和基体材料的选择基本上都通过编织结构中纤维的取向决定。在测试技术中,单向层压复合材料与多向层压复合材料有着显著的区别。 

材料测试中,通常会涉及标准试样上各种不同的试验载荷加载情况。这是因为复合材料的力学性能与纤维取向密切相关,试验中必须对不同的试样施加多种试验载荷类型,比如与纤维取向平行或者垂直的试验力方向。

相关试验标准除了国际标准(ISO)外,还有国家及地区标准(如ASTM、EN、DIN)和公司标准(如空客AITM、波音BSS)。这涵盖了超过170种测试标准,描述了约20种通用的试验方法。

部件、结构件以及整体结构试验中,需要对试样施加符合真实工况的载荷。强度、撞击能量吸收、材料疲劳以及寿命都是评估的重点。

由于复合材料中纤维对于试验力方向以及剪切力都很敏感,试验载荷必须在预定方向上精确加载。试验的轴向误差被称为对中性,要求公差带非常窄。ZwickRoell可以提供符合试样形状尺寸的特殊测量装置,用于测量对中性。试验机的试验轴则由机械对中装置对中。

复合材料的模块化试验系统

大型测试实验室具有相应的高吞吐率,通常会根据不同的试验方法选用多台不同的大型材料试验机,以最小化更换工装夹具的时间和开销。标准化的试验方法可以归为以下载荷范围: 

  • 最大试验力1 kN:弯曲试验、能量释放因子、单丝拉伸试验
  • 最大试验力10 kN:剪切试验(如IPS、ILSS、V型切口梁法剪切试验)、纤维束拉伸试验、单向铺层材料90°方向拉伸试验、厚度方向(Z轴)拉伸试验
  • 最大试验力100 kN:单向铺层材料0°方向拉伸试验、更薄的厚度多向铺层材料拉伸试验、符合ISO、ASTM、EN标准的压缩试验、缺口压缩试验、承载力试验
  • 试验力大于100 kN:空客标准对应厚度层压板的拉伸和压缩试验、冲击后压缩试验 (CAI)

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,并尽量减少更换工装夹具的工作量。

ZwickRoell针对上述需求,采用模块化理念设计研发了各型号电子万能材料试验机和电液伺服疲劳试验机。该模块化系统优势明显:所有的夹具、工装、引伸计、测试软件、防护装置和环境温箱都是模块化的,非常适合协同工作。进一步而言,因为所有模块组件都能分别升级改造,该试验系统也准备好用于下一代的试验要求。

材料试验的应用示例

14a_Unidirectional laminates

拉伸试验

对单丝、纤维束、单向/多向层压板进行拉伸试验,还有缺口拉伸试验和螺栓连接层压板的拉伸试验。
至 拉伸试验
21_Compression test

压缩试验和缺口压缩试验(OHC、FHC)

在由不同纤维和基体组成的复合材料上
至 压缩试验和缺口压缩试验(OHC、FHC)
41_4point flexure test

弯曲试验

进行弯曲试验(3点和4点弯曲)测定重要的力学性能。
至 弯曲试验
112_Operator

对中

复合材料试验对于试验轴的对中精度要求极高。
至 对中
51_ILSS

层间剪切强度ILSS

通常通过对短梁进行剪切试验测定层间剪切强度。
至 层间剪切强度ILSS
61_LapShear2

搭接剪切强度试验

剪切试验可以用于比较层压板的粘结强度。
至 搭接剪切强度试验
面内剪切

面内剪切(IPS)

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 面内剪切(IPS)
83_V_Notch_Rail_Shear

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
91_Energy release rate

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)
101_Dynamic

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

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