复合材料最重要的机械测试类型是什么?

当有机会出现的时候,我想请那些熟悉复合材料的人来测试这个问题:他们认为哪种类型的机械测试对于复合材料是最重要的?

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当有机会出现的时候,我想请那些熟悉复合材料的人来测试这个问题:他们认为哪种类型的机械测试对于复合材料是最重要的?听完回答之后,我跟进了一下,问他们认为执行测试的主要目的是什么以及它的预期用途是什么。我将在这里分享我从提出这些问题中学到的东西。但在此之前,我建议那些阅读过这些内容的人花一点时间思考他们对这些问题的反应。

也许毫不奇怪,没有单一类型的机械测试是复合材料最重要的一致选择,特别是考虑到测试和预期应用的各种目的。然而,有一些更经常提到的测试方法。这些可以分为三大类,并根据执行测试的主要目的进行最佳讨论。

经常提到的一种测试方法最为重要的是在ASTM D 23441(图1)中描述的短梁剪切试验。其中最简单的方法就是使用任何机械测试方法的最小的测试样本来测试复合材料。该测试包括使用相对于样品厚度的短加载跨度进行的三点弯曲测试。这导致样品内部发生层间剪切破坏。测得的短梁强度对复合材料层压板内孔隙率,纤维间粘合力和层间强度问题高度敏感。因此,尽管测量的短梁强度可以被认为只是层间剪切强度的估计,但是该测试方法被广泛认为是用于比较测试目的的极好选择。因此,

不像最重要的那样通常提到,±45°拉伸剪切试验,ASTM D 35182也可以用于这些目的。该测试的优点在于它在整个加载过程中产生剪切应力对剪切应变曲线,因此除剪切强度外还提供剪切模量的测量。非线性剪切应力对剪切应变曲线类似于对应于测试材料的“指纹”,允许在材料或加工条件之间进行更彻底的比较评估。然而,缺点是需要使用粘结应变计进行剪切应变测量,因此需要花费更多的精力和成本。结果,±45°的拉伸剪切试验仍然是第二选择,因为上述目的最受欢迎。

对复合材料进行机械测试的另一个常见目的是确定用于设计和分析的材料属性。虽然许多类型的材料表征测试是用复合材料进行的,但是在纤维方向上的压缩强度测试通常被认为是最重要的。原因?对于几乎所有的碳纤维增强聚合物基复合材料来说,抗压强度明显低于抗拉强度,因此是限制设计值。有趣的是,那些认为压缩测试是最重要的人有时也会确定执行测试的最重要的测试环境。对于聚合物基复合材料,最严酷的环境条件往往是最高的使用温度,再加上水分饱和条件。

在2015年7月的专栏中,我讨论了可用于确定复合材料抗压强度的各种测试方法。它们不同的主要方法是将载荷引入样本的方法。最常见的三种测试(图2)是组合加载的ASTM D 66413测试,最终加载的波音改进的D 6954测试和面向加载的ASTM D 34105测试。

已经收到相当数量的最重要选票的测试方法的最后一类是用于开发结构设计允许的那些。为此,开孔压缩测试ASTM D 64846和冲击压缩后测试ASTM D 71377被认为是最重要的,特别是在航空航天领域。

裸眼压缩测试(图3a)使用宽度为36mm的试样,其中心直径为6mm的孔,试样宽度与孔径比(w / D)为6:1。为了防止压缩载荷时出现弯曲,将一个支撑夹具用螺栓固定在300毫米长的试样上。ASTM D 7137冲击后压缩试验使用100 mm宽,150 mm长的试样,在沿边压缩的情况下进行加载,同时支撑它以防止沿垂直边缘的平面外弯曲(图3b )。在压缩测试之前,样品受到落锤冲击,在样品的中央区域产生损伤。请注意,当使用任一种测试方法生成结构设计允许值时,测试样本中使用的复合层压板是将用于预期应用的层压板的代表。

除了为各种应用生产关键的结构设计允许外,这两种测试方法还有其他重要特征。首先,两者都在压缩载荷下进行,因为所得到的强度通常低于拉伸载荷下的强度。其次,这两个测试都会产生设计允许值,通常比前一类中讨论的基于强度的材料特性所产生的设计更为重要。因此,开孔压缩和冲击后压缩测试都是在预期应用的材料选择过程中普遍使用的。由于测试时必须使用一致的层压板来比较候选材料,因此建议使用准各向同性层压板。

参考

1 ASTM D 2344 / D 2344M-16,ASTM International(W.Conshohocken,PA,US),2016年(首次发行于1965年)的“聚合物基复合材料及其层压材料的短梁强度的标准测试方法”。

2 ASTM D 3518 / D 3518M-13,“通过±45°层压板的拉伸测试进行的聚合物基质复合材料的平面内剪切响应的标准测试方法”ASTM International(W.Conshohocken,PA,US),2013首先于1994年颁布)。

3 ASTM D 6641 / D 6641M-16,“使用组合加载压缩(CLC)测试夹具的聚合物基质复合材料的压缩性能的标准测试方法”ASTM International(W.Conshohocken,PA,US),2016在2001年)。

4改进的ASTM D 695压缩测试夹具,怀俄明测试夹具公司,http://www.wyomingtestfixtures.com/Products/b2.html。

5 ASTM D 3410 / D 3410M-16,“ASTM International(W. Conshohocken,PA,US),2016(1975年首次发布)”通过剪切载荷测量具有无支撑量规截面的聚合物基复合材料的压缩性能的标准测试方法“ 。

6 ASTM D 6484 / D 6484M-14“聚合物基复合材料层压板的开孔抗压强度”,ASTM International(W.Conshohocken,PA,US),2014(首次于1999年出版)。

7 ASTM D 7137 / D 7137M-17,“受损聚合物基复合材料板的压缩残余强度性能”,ASTM International(W.Conshohocken,PA。),2017(最初公布于2005年)。

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