复合材料测试系统,用于在温度下冲击(CAI)测试后进行压缩。

图1。复合材料测试系统,用于在温度下冲击(CAI)测试后进行压缩。照片信用:Instron

与传统的结构材料相比,聚合物基质复合材料(PMC)提供了极大地提高了性能和灵活性。然而,这些益处具有提高的材料复杂性的成本,并且很容易忽视生产高质量测试数据的挑战,以支持材料开发,设计和质量控制的需求。

材料特性的基本表征需要在不同的负载条件下进行一系列测试 - 张力,压缩,剪切和弯曲。许多复合材料是各向异性的(意味着机械性能取决于方向)和不均匀的(意味着材料组合物不均匀;例如,具有嵌入纤维的基质)。对于关键复合应用,通常需要额外的更复杂的测试来确定在服务条件和代表性环境下的材料的耐用性。例如,重要的是在航空航天工业中的复合材料中的影响(CAI)测试后评估损伤耐受性,风能部门的疲劳负载和汽车碰撞保护的高速张力测试。

拥有广泛的国际和国家测试标准(ASTM,EN,ISO,JIS),用于测试复合材料,以及仍在使用的几个历史标准,例如Sacma(先进的复合材料协会供应商))和裂缝(复合材料研究咨询小组)。此外,诸如Nadcap等审计机构还在定义诸如样本对齐等设备性能标准。下面讨论了用于复合材料的一些更常见的机械测试。

测试类型

拉伸测试。复合材料层压板的平面内拉伸试验是对复合材料进行的最常见的试验。还对纤维的树脂浸渍的束(丝束)进行拉伸试验,以确定纤维性能和通过厚度试样(从层压板的厚部分切割)以确定通过厚度性质。

层压板的面内拉伸试验标准的实例是ASTM D3039,EN 2561和ISO 527-4 / 5。试样通常是平行的,带有粘合突片,以防止抓握钳口损坏材料并引起过早的故障。由于过早剪切故障的可能性,不推荐降低规格部分的宽度;然而,复合标本宽度的一些小而逐渐减少,以及使用具有高摩擦涂层的扁平夹钳,可以消除对突片的需求。

压缩测试。复合层压压缩试样是平行的,具有短,不受支持的规格长度,以防止屈曲,或者具有较长的规格长度,具有横向支撑件以控制屈曲。可以通过剪切负载,终荷载或剪切和终荷载物组合(组合负载)来引入测试力。各种压缩测试标准和夹具是常用的,如ASTM D695,ASTM D3410,ASTM D6641和ISO 14126。还可以在液压夹具之间进行压缩测试,只要它们良好对齐并且具有高横向刚度。

剪切测试。Interlaminar剪切强度试验(ILS)或短束剪切(SBS)是使用装载在三点弯曲配置中的小样本进行的简单测试。试样厚度与支撑跨度的比率沿着样本的中心线产生剪切失效。ILSS共同使用的标准包括ASTM D2344,EN 2563和ISO 14130. ILSS测试提供了表观强度值而不是真正的材料特性;然而,它是一种有效且广泛使用的对比QC测试。

在飞机上可以通过在具有±45度纤维取向的样品上进行拉伸试验来测量剪切性能。剪切应变由轴向和横向应变测量确定。如在ILSS测试中,该测试不提供剪切特性的真值,因为样本中的应力是剪切和轴向应力的组合。该测试的常见标准包括ASTM D3518和ISO 14129。

通常使用V型缺口样本测定设计的剪切性能,其可以在凹口区域(例如,ASTM D7078和ASTM D5379)中产生纯剪切状态。

冲击后的压缩(CAI)测试。损伤耐受性是复合层压材料如隐形的主要问题,内部分层会导致强度显着降低。CAI测试提供了损坏耐受性的衡量标准。CAI测试通常在矩形层压板上进行,由两部分组成。在第一部分中,使用落塔对面板进行受控冲击。然后将面板支撑在夹具中并经受辐射压缩负载,直到它失败。失效负载显示在冲击损伤后面板的残留强度的指示。CAI标准包括ASTM D7136,ASTM D7137和ISO 18352。

疲劳测试。与大量定义的“静态”测试相比复合材料,关于层压板疲劳试验的情况更为开放。准确的对准和正确的抓握以避免夹具钳口附近的故障是重要的,因为横向刚度高,以防止在包括压缩负载的测试中屈曲。应当注意,如果由于摩擦效应,则在“静态”压缩测试中使用的一些抗屈曲导轨可能是有问题的。当在聚合物复合材料上进行疲劳试验时,最大测试频率通常受限制测试件中的温度升高的限制。例如,ISO 13003疲劳标准推荐的最高温度升高为10°C。

高速测试。本文中描述的各种测试类型以慢的应变速率进行,如各种标准所示。在某些情况下,例如当获取用于建模碰撞行为的材料数据时,需要以更高的应变速率进行测试。通常,目的是在一系列应变率上产生材料的应力 - 应变图。可以使用具有高速力传感器的落塔或具有高速伺服液压试验机的落塔来执行高速张力或压缩测试。在进行这种类型的工作时,伺服液压试验机提供更灵活的平台,可以在更广泛的速度进行测试,并且可以在测试期间保持恒定的应变率。

其他机械测试。可提供各种其他标准化的复合材料机械测试。这些包括弯曲测试,张力和压缩试验,在具有开放和闭孔,轴承强度试验和层间骨折韧性试验。

下个月,这三部分系列中的第二部分将讨论测试复合材料时测量应变的各种选项。

关于作者

伊恩猛肠。

伊恩·迈克加特

伊恩拥有伯明翰大学的物理学位,并为41年来工作的Instron(Norwood,Mass。),目前担任复合材料市场经理。在复合材料领域,他积极开发国际材料检测标准,是BSI PRI / 42复合材料标准委员会的主席。

相关内容