复合材料测试所面对的挑战（part 1）：复合材料力学测试简介

复合材料具有重量轻、比刚度、比强度高、加工成型方便、耐化学腐蚀等特点，已广泛应用于航空、航天、汽车、电子电气等领域，在近几年更是得到了快速发展。复合材料测试是复合材料研发和结构设计的重要基础，其所面对的挑战不容忽视。

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。

材料性能的基本特性要求在不同的加载条件下进行一系列测试——拉伸测试、压缩测试、剪切测试和挠曲测试。许多复合材料具有各向异性(即力学性能取决于不同的方向)和非均匀性(即材料成分不均匀，例如，植入纤维的基体)。对于关键的复合材料应用，通常需要进行更复杂的测试，以确定材料在使用条件和典型环境下的耐久性。例如，对航空航天行业的复合材料进行冲击后压缩强度测试(CAI)、风电领域的疲劳测试和汽车碰撞防护的高速率拉伸测试都很重要。

用于冲击后压缩强度测试的复合材料测试系统

目前有大量用于复合材料测试的国际和国家测试标准(ASTM, EN, ISO, JIS)，以及一些历史标准仍在使用，如由美国先进复合材料供应商协会(SACMA)和复合材料研究咨询集团（CRAG）发布的标准。此外，认证机构，如国际航空材料认证的美国“国家航空航天和国防合同方授信项目”（NADCAP）进一步定义了设备性能标准，如试样校准。下面将介绍一些比较常见的复合材料力学测试。

测试类型

01拉伸测试

复合材料层合板的平面内拉伸测试是最常见的复合材料测试。此外，还有对浸渍树脂的纤维束和纤维丝进行拉伸测试，以确定纤维的性能，并对测试试样(从层合板的厚截面上切下)进行厚度穿透测试，以确定厚度穿透性能。

层合板平面内拉伸测试的标准示例是ASTM D3039, EN 2561和ISO 527-4/5。测试试样的平行边通常胶接有加强片，以防止夹头夹持损坏材料并造成过早失效。由于可能发生过早的剪切破坏，不建议减小规范截面的宽度。然而，复合材料试样的宽度会逐渐减小，并使用带有高摩擦涂层的扁平夹头，这样就不需要加强片了。

02压缩测试

复合材料层压板压缩试样要么是平行的，有一个短的、无支撑的长度来防止屈曲，要么是有一个较长的长度的横向支撑来控制屈曲。试验力度可以通过剪切加载、末端加载或剪切和末端加载的组合(联合加载)来引入。各种常用的压缩测试标准和夹具，如ASTM D695, ASTM D3410, ASTM D6641和ISO 14126。也可以使用液压夹具进行压缩测试。

03剪切测试

层合板层间剪切强度测试(ILSS)，或短梁剪切测试(SBS)，是一种较为简单的测试，在三点弯曲构型中加载一个小试样。试样厚度与支撑跨距之比沿试样中心线产生剪切破坏。常用的ILSS测试标准包括ASTM D2344、EN 2563和ISO 14130。ILSS测试提供的是表观强度值，而不是真正的材料性能。然而，在比较质量控制的测试中，ILSS测试应用较为普遍且有效。

平面内剪切特性可以通过对±45度纤维取向的试样进行拉伸试验来测量。剪切应变是由轴向和横向应变测量确定的。与ILSS测试一样，由于试样中的应力是剪应力和轴向应力的组合，因此该测试没有提供剪切特性的真实值。该测试的通用标准包括ASTM D3518和ISO 14129。

设计剪切性能的测定通常使用V型缺口试样来确定，这种试样可以在缺口区域产生纯剪切状态(例如，ASTM D7078和ASTM D5379)。

04冲击后压缩强度(CAI)测试

       损伤容限是复合材料层合板的一个主要问题，因为内部脱层会导致复合材料强度的显著降低。CAI测试提供了一种损伤容限的测量方法。CAI测试通常在矩形层合板上进行，分两步进行。首次，使用落塔用控制好的力度冲击层合板，然后在夹具中支撑该层合板，并使层合板承受侧向压缩载荷，直到该层合板失效。失效载荷表示该层合板在落塔冲击破坏后的的剩余强度。CAI测试标准包括ASTM D7136、ASTM D7137和ISO 18352。

05疲劳测试

与对复合材料进行大量定义明确的“静态”测试相比，层合板疲劳试验的情况更为开放。准确对位和正确夹持以避免夹具附近区域的失效十分重要，因为高的横向刚度可以防止包括压缩载荷等在内测试中的屈曲。需要注意的是，一些用于“静态”压缩测试的抗屈曲指南认为，如果在循环试验中使用，由于摩擦效应，可能会出现问题。在对高分子复合材料进行疲劳试验时，最大测试频率通常受到试样温度上升上限的限制。例如，ISO 13003疲劳标准推荐的最高温升为10摄氏度。

06高速率测试
上述测试是在各种标准规定的低应变速率下进行的。在某些情况下，例如为模拟碰撞性能获取材料数据时，需要在较高的应变率下进行测试。通常，其目的是在一定的应变速率范围内生成材料的应力-应变图形。可以使用配备高速力传感器的下落塔或高速伺服液压试验机进行高速拉伸或压缩测试。在执行这类测试时，伺服液压试验机提供了一个更为灵活的平台，可以在更大的速度范围内进行测试，并可以在测试期间保持恒定的应变率。

07其他力学测试

可提供多种其他复合材料的标准力学测试。这些测试包括对开孔和闭孔试样的挠曲测试、拉伸和压缩测试、承载强度测试和层间断裂韧性测试。