聚合物基复合材料是由各种纤维和聚合物通过不同成型工艺组合而成的新型复合材料，其既保留了原组成材料的主要特点，又通过复合效应获得原组成材料不具备的性能。其中纤维主要起增强作用，聚合物树脂主要起连接纤维和传递载荷的作用，而纤维和聚合物树脂的界面是连接的纽带，也是载荷传递的桥梁，起着非常重要的作用。聚合物基复合材料的比刚度以及比强度较高，抗疲劳性能和耐腐蚀性能优异,且具有可设计性强、成型工艺简单、过载时安全性能好等优点。目前聚合物基复合材料已广泛应用于军事、航空航天、汽车、船舶、电子、无人机、机械、医疗、建筑以及运动器材等领域。

 

复合材料力学性能测试是聚合物基复合材料产品研制与生产的重要组成部分，对其质量保证和产品验证起着重要作用。随着聚合物基复合材料的广泛使用，其力学性能测试变得越来越重要。测试这些各向异性材料的主要挑战之一是需要开发各种各样的夹具，以提供在不同条件下测试材料的各种方法。

 

单向拉伸试验（定向）（ASTM D638，ISO 527）

 

单轴张力中的应力（ζ）根据以下公式计算：

 

ζ=材料样品的荷载/面积…………..（1）

 

应变（ε）根据以下公式计算：

 

ε=δl（长度变化）/l（初始长度）…………..（2）

 

曲线（E）的初始线性部分的斜率是杨氏模量，由下式给出：

 

E=（ζ2-ζ1）/（ε2-ε1）…………..（3）

 

复合材料的单轴拉伸试验

 

三点弯曲试验（ASTM D790）

 

通过三点弯曲试验可以了解复合材料和热塑性3d打印材料的弯曲强度、弯曲应力和应变。试件处于水平位置加载，其横截面的上部发生压应力，下部发生拉应力。这是通过使用圆杆或曲面从下方支撑试样来实现的。提供具有适当半径的圆棒或支撑，以便与试样有一个接触点或接触线。

 

载荷由试样顶面上的圆头施加。如果试样的横截面对称，则最大拉伸应力和压缩应力相等。该试验夹具和几何结构提供了加载条件，从而使试样在拉伸或压缩时失效。

 

三点弯曲试验

 

对于大多数复合材料，抗压强度低于抗拉强度，试样将在压缩表面失效。这种压缩破坏与单个纤维的局部屈曲（微屈曲）有关。

 

四点弯曲试验（ASTM D6272）

 

四点弯曲试验

 

这种安排有助于测试高刚度材料，如陶瓷注入聚合物，其中最大应力下缺陷的数量和严重程度与材料的弯曲强度和裂纹萌生直接相关。与三点弯曲弯曲试验相比，四点弯曲试验在两个加载销钉之间的区域没有剪切力。

 

泊松比试验（ASTM D3039）

 

泊松比是用于结构设计的最重要参数之一，所有因受力引起的尺寸变化都需要考虑在内，特别是对于3d打印材料。对于该试验方法，泊松比仅从单轴应力产生的应变中获得。

 

复合材料泊松比试验（贴应变片法）

 

参照ASTM D3039标准，通过向试样施加拉力并测量试样在应力下的各种性能来进行测试。两个应变片以0度和90度的角度连接到试样上，以测量横向应变和线性应变。横向应变和线性应变的比值提供了泊松比。

 

平面压缩试验（ASTM D695）

 

当产品在压缩载荷条件下工作时，3d打印材料的压缩性能非常重要。测试是在与面平面垂直的方向进行的，因为试样将放置在结构夹层结构中。与压缩有关的测试程序要求在准静态条件下应用变形，消除质量和惯性效应。

 

复合材料压缩试验

 

与压缩相关的试验程序要求在准静态条件下施加变形，从而消除质量和惯性效应的试验条件。

 

根据波音BSS 7260标准，修改后的ASTM D695和波音BSS 7260作为测试规范，可使用加载压缩测试夹具确定聚合物基复合材料的抗压强度和刚度。该试验程序通过端部加载将压缩力引入试样。

 

轴向疲劳试验（ASTM D7791和D3479）

 

ASTM D7791描述了单轴加载条件下塑料动态疲劳性能的测定。对刚性或半刚性塑料样品进行强度加载（程序A），对刚性塑料样品施加非压缩加载（程序B），以确定加工、表面条件、应力等对承受大量单轴应力的塑料和增强复合材料的抗疲劳性的影响。该结果可用于候选材料高承载性能的研究。ASTM建议测试频率为5hz或更低。

 

测试可以在负载/应力或位移/应变控制下进行。该试验方法允许应力或应变的产生作为循环的函数，疲劳极限的特征是试件的破坏或达到10E+07循环。通过R比率定义最大和最小应力或应变水平。

 

复合材料的轴向疲劳试验

 

剪切性能测试（ASTM D2344/和D3518）

 

常用聚合物基复合材料剪切性能的测试方法主要有层间剪切测试、面内剪切测试、搭接剪切测试、V型缺口梁剪切试验以及V型缺口轨道剪切试验等。

 

层间剪切测试主要考察复合材料层与层之间的最大剪切应力，被广泛用于评价复合材料纤维与树脂之间界面的结合强度由于加载处存在峰值应力，因此该方法并不能反映材料真正的剪切性能，测试结果为表观剪切应力，且该测试方法跨距与厚度比很小，受力远大于3点弯曲。

 

面内剪切测试采用纤维方向和载荷呈±45°的拉伸或压缩性能测试，且适合剪切变形小于5%的情况，也较多地用于评价复合材料纤维与树脂之间的界面结合强度。测试过程中的横纵向应变测试普遍采用的是应变片，导致测试结果准确性受人为因素的影响较大。

 

搭接剪切测试主要用于确定两层合板之间的黏合剪切强度，测试结果为面内剪切强度。测试为双边简单搭接和沟槽搭接测试。该类测试中的制样过程较复杂。

 

V型缺口梁剪切试验通过特制夹具实现压缩加载的测试，通常用于高模量纤维或者织物的压缩剪切测试，在测试过程中，纤维应该平行或垂直于加载方向，应变片黏贴在剪切面45°方向上，因而应变片黏贴的方法和位置对测试结果影响较大。

 

V型缺口轨道剪切试验的测试方法为通过特制夹具以及拉伸加载方式将剪切力传入试样，纤维需要平行或者垂直加载方向，应变片黏贴在剪切面45°方向上。该方法的夹具安装过程较复杂，且应变片黏贴的方法和位置对测试结果影响较大。

 

 

 

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关键词： 复合材料 力学试验