复合材料测试所面对的挑战（part 2）：复合材料力学测试的应变测量

与传统结构材料相比，聚合物基复合材料(PMC)的性能和灵活性大大增强。不过，这些好处是以增加材料复杂性为代价的，且掌握高质量的测试数据以支持材料开发、设计和质量控制的需求是一个很容易被忽视的挑战。本文将讨论复合材料应变测量的各种方式。

01应变测量的通用特性

对于复合材料的拉伸试验来说，轴向应变测量可以通过在试样一侧进行单应变测量来实现。然而，更为一致和准确的结果可以通过在试样两侧进行测量，并采用平均值来弥补取向不准。对于平压试验来说，采用平均应变测量必不可少，因为两个测量值之间的差异用于检查过度的试样弯曲。在拉伸和平压试验中，泊松比的测定需要额外测量横向应变。

另外，剪切试验需要测定剪切应变，剪切应变可以通过测量轴向应变和横向应变来计算。在V形切口剪切试验中，试样的应变分布不均匀且在切口间较为集中。精确测量这些局部应变需要使用应变计。

在复合材料测试中，传统的应变测量方法采用接触方法，包括粘接应变计或夹式伸长计。非接触式应变测量的最新发展使这些系统能够提供与传统接触式系统相似的性能，并提供显著的额外优势，如鲁棒性和提供全场应变图的能力。

02应变计

在复合材料测试中，应变计通常由安装在绝缘衬底上的薄金属箔栅格组成。应变计的作用依赖于导体在施加应变时电阻的变化。在复合材料测试中，应变片在应变水平(通常为3%)的电阻变化很小，需要专业的应变片调节电子设备来提供准确的测量。

应变计的灵敏度(称为应变敏感性系数)是校准该测量系统所需的数据，该数据由应变计制造商提供。为了进行精准的测量，应变片必须正确对齐并小心地粘接在试样表面(对于潮湿条件下的试样，这可能很困难)。应变计结构紧凑，可用于测量小区域的应变，如V形切口剪切试件的缺口。

应变计可以提供非常精确的应变测量。然而，这种仪器是消耗品，无论是其材料还是使用仪器所需的熟练劳动力方面，成本都较高。

03夹式伸长计

夹式伸长计广泛应用于复合材料的测试中。它们被设计为附着在试样上，通过确定一个固定长度的位移来测量工程应变。

几种不同类型的夹式伸长计是可用的。最常见的类型是对试样的一个面进行单次轴向应变测量。平均轴向夹式伸长计使用一对轴向伸长计，位于试样的两侧。

04双轴向夹式伸长计

剪切应变和泊松比的测量需要同时测量轴向应变和横向应变。横向夹接式伸长计在设计上与轴向型相似，但它们测量的是试验样品宽度的变化。双轴向夹式伸长计将轴向和横向伸长计集成为一个单元，比连接两个单独的伸长计更方便。

大多数夹式伸长计使用应变测量挠曲来测量位移，可在低温下使用，最高可达200°C。采用电容式传感器的夹接式伸长计能够在200°C以上运行。

05自动伸长计

自动伸长计是可以远程控制的接触型仪器。这些伸长计可以自动连接和脱离测试样品和改变轨距长度。它们被广泛用于大容量拉伸测试应用，是自动化(机器人)测试系统的重要组成部分。使用自动伸长计减少了系统操作员的影响，提高了检测量和结果的一致性。

06非接触视频伸长计

安装在恒温箱上的非接触式视频伸长计

非接触式视频伸长计采用高分辨率数码相机和实时图像处理，通过跟踪试样上对比痕的运动来确定应变。

由于这种伸长计不与试样进行物理接触，因此不会对材料的性能造成影响，也不会因试样破裂时释放的能量而损坏伸长计。当对恒温箱内试样进行测试时，视频伸长计可以安置于恒温箱外，从而使测量系统与恶劣的测试环境分隔开来。与自动伸长计一样，非接触式视频伸长计也减少了操作人员的影响，从而提高了测试结果的一致性。

07全域应变测量

视频伸长计功能的一个令人兴奋的扩展是集成数字图像相关(DIC)软件的可用性，该软件能够产生全域应变分布。该技术的工作原理是在试样表面应用随机模式，在测试过程中获取一系列图像，然后用一种算法对图像进行分析，该算法首先确定每个图像的位移场，然后确定每个图像的应变场。应变场信息包括应变张量的所有分量(轴向应变、横向应变、剪切应变)。

08弯曲试验的DIC分析

传统的方法是用应变计测量局部应变的单个分量，或者使用伸长计测量一个测量长度的平均应变，与之相比，全域应变测量可以产生大量的额外信息，可以帮助工程师和科学家更好地理解材料特性。