复合材料测试，第1部分：复合材料机械测试简介
 

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提高。然而，这些好处是以增加材料复杂性为代价的，而且很容易忽视生成高质量测试数据以支持材料开发、设计和质量控制需求的挑战。

材料性能的基本表征需要在不同的负载条件下进行一系列测试——拉伸、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（意味着材料成分不均匀；例如，嵌入纤维的基质）。对于关键的复合材料应用，通常需要进行额外的、更复杂的测试来确定材料在使用条件和代表性环境中的耐久性。例如，在航空航天工业中，使用冲击后压缩 (CAI) 测试来评估复合材料的损伤容限、在风能领域评估疲劳载荷以及在汽车碰撞保护中评估高速拉伸测试非常重要。

目前已制定了多种国际和国家测试标准（ASTM、EN、ISO、JIS）来测试复合材料，此外还有一些仍在使用的历史标准，例如由 SACMA（先进复合材料供应商协会）和 CRAG（复合材料研究咨询小组）发布的标准。此外，Nadcap 等审核机构进一步定义了设备性能标准，例如样品对准。下面讨论了一些较常见的复合材料机械测试。

 

双柱拉力机示意图

测试类型

拉伸试验：复合层压板的平面拉伸试验是复合材料最常见的测试。拉伸试验也用于树脂浸渍纤维束（丝束）以确定纤维性能，以及全厚度样品（从层压板的厚部分切下）以确定全厚度性能。

层压板平面拉伸试验的标准示例包括 ASTM D3039、EN 2561 和 ISO 527-4/5。样品通常平行，侧面带有粘合片，以防止夹钳损坏材料并导致过早失效。由于过早剪切失效的可能性，不建议减小量规部分的宽度；但是，复合材料样品宽度的一些小幅和逐渐减小，以及使用具有高摩擦涂层的扁平夹钳，可以消除对片的需求。

 

压缩测试：复合层压压缩试样要么平行放置，采用短的无支撑标距长度以防止屈曲，要么采用较长的标距长度并采用侧向支撑来控制屈曲。试验力可以通过剪切载荷、端部载荷或剪切载荷和端部载荷的组合（组合载荷）引入。常用的压缩试验标准和固定装置有多种，如 ASTM D695、ASTM D3410、ASTM D6641 和 ISO 14126。也可以在液压夹具之间进行压缩试验，前提是它们对齐良好且具有较高的横向刚度。
 

剪切试验：层间剪切强度试验 (ILSS) 或短梁剪切 (SBS) 是一种简单的试验，使用以三点弯曲配置加载的小试样进行。试样厚度与支撑跨度之比会沿试样的中心线产生剪切破坏。常用的 ILSS 标准包括 ASTM D2344、EN 2563 和 ISO 14130。ILSS 测试提供的是表观强度值，而不是真实的材料特性；尽管如此，它是一种有效且广泛使用的质检测试。

可以通过对纤维取向为 ±45 度的样品进行拉伸试验来测量面内剪切特性。剪切应变由轴向和横向应变测量确定。与 ILSS 测试一样，此测试不提供剪切特性的真实值，因为样品中的应力是剪切应力和轴向应力的组合。此测试的常用标准包括 ASTM D3518 和 ISO 14129。

设计的剪切特性测定通常使用 V 型缺口样品来确定，它可以在缺口区域产生纯剪切状态（例如，ASTM D7078 和 ASTM D5379）。

冲击后压缩 (CAI) 测试：损伤容限是复合层压板的主要关注点，因为不可见的内部分层会导致强度显著降低。CAI 测试提供了损伤容限的测量方法。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，并施加边缘压缩载荷，直到其失效。失效载荷指示了冲击损伤后面板的残余强度。CAI 标准包括 ASTM D7136、ASTM D7137 和 ISO 18352。
 

疲劳测试：与大量定义明确的复合材料“静态”测试相比，层压板疲劳测试的情况更加开放。准确对准和正确夹紧以避免夹钳附近发生故障非常重要，高横向刚度也很重要，以防止在包括压缩载荷的测试中发生屈曲。需要注意的是，“静态”压缩试验中使用的某些防屈曲导轨如果用于循环试验，可能会因摩擦效应而出现问题。在对聚合物复合材料进行疲劳试验时，最大试验频率通常受限制，因为需要限制试件的温升。例如，ISO 13003疲劳标准建议的最大温升为10°C。

其他机械测试：还有各种其他标准化的复合材料机械测试（例如弯曲测试等）。