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復合材料測試，第1部分：復合材料機械測試簡介
 

與傳統結構材料相比，聚合物基復合材料 (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雜性為代價的，而且很容易忽視生成高質量測試數據以支持材料開發、設計和質量控制需求的挑戰。

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

目前已制定了多種國際和國家測試標準（ASTM、EN、ISO、JIS）來測試復合材料，此外還有一些仍在使用的歷史標準，例如由 SACMA（先進復合材料供應商協會）和 CRAG（復合材料研究咨詢小組）發布的標準。此外，Nadcap 等審核機構進一步定義了設備性能標準，例如樣品對準。下面討論了一些較常見的復合材料機械測試。

 

雙柱拉力機示意圖

測試類型

拉伸試驗：復合層壓板的平面拉伸試驗是復合材料最常見的測試。拉伸試驗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的標準示例包括 ASTM D3039、EN 2561 和 ISO 527-4/5。樣品通常平行，側面帶有粘合片，以防止夾鉗損壞材料并導致過早失效。由于過早剪切失效的可能性，不建議減小量規部分的寬度；但是，復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，可以消除對片的需求。

 

壓縮測試：復合層壓壓縮試樣要么平行放置，采用短的無支撐標距長度以防止屈曲，要么采用較長的標距長度并采用側向支撐來控制屈曲。試驗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。常用的壓縮試驗標準和固定裝置有多種，如 ASTM D695、ASTM D3410、ASTM D6641 和 ISO 14126。也可以在液壓夾具之間進行壓縮試驗，前提是它們對齊良好且具有較高的橫向剛度。
 

剪切試驗：層間剪切強度試驗 (ILSS) 或短梁剪切 (SBS) 是一種簡單的試驗，使用以三點彎曲配置加載的小試樣進行。試樣厚度與支撐跨度之比會沿試樣的中心線產生剪切破壞。常用的 ILSS 標準包括 ASTM D2344、EN 2563 和 ISO 14130。ILSS 測試提供的是表觀強度值，而不是真實的材料特性；盡管如此，它是一種有效且廣泛使用的質檢測試。

可以通過對纖維取向為 ±45 度的樣品進行拉伸試驗來測量面內剪切特性。剪切應變由軸向和橫向應變測量確定。與 ILSS 測試一樣，此測試不提供剪切特性的真實值，因為樣品中的應力是剪切應力和軸向應力的組合。此測試的常用標準包括 ASTM D3518 和 ISO 14129。

設計的剪切特性測定通常使用 V 型缺口樣品來確定，它可以在缺口區域產生純剪切狀態（例如，ASTM D7078 和 ASTM D5379）。

沖擊后壓縮 (CAI) 測試：損傷容限是復合層壓板的主要關注點，因為不可見的內部分層會導致強度顯著降低。CAI 測試提供了損傷容限的測量方法。CAI 測試通常在矩形層壓板上進行，由兩部分組成。在第一部分中，使用落塔對面板進行受控沖擊。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度。CAI 標準包括 ASTM D7136、ASTM D7137 和 ISO 18352。
 

疲勞測試：與大量定義明確的復合材料“靜態”測試相比，層壓板疲勞測試的情況更加開放。準確對準和正確夾緊以避免夾鉗附近發生故障非常重要，高橫向剛度也很重要，以防止在包括壓縮載荷的測試中發生屈曲。需要注意的是，“靜態”壓縮試驗中使用的某些防屈曲導軌如果用于循環試驗，可能會因摩擦效應而出現問題。在對聚合物復合材料進行疲勞試驗時，最大試驗頻率通常受限制，因為需要限制試件的溫升。例如，ISO 13003疲勞標準建議的最大溫升為10°C。

其他機械測試：還有各種其他標準化的復合材料機械測試（例如彎曲測試等）。