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复合材料冲击后压缩试验步骤
复合材料冲击后压缩试验是用来评估材料在受到冲击载荷后的
压缩性能。
试验步骤如下：
1. 样品准备，首先需要准备好符合标准要求的复合材料样品。
样品的尺寸和几何形状需要符合试验标准的规定，通常是通过切割
或者制备成特定的几何形状。
2. 冲击试验，在进行压缩试验之前，需要对复合材料样品进行
冲击试验。
冲击试验可以模拟材料在实际使用中受到的冲击载荷，
以评估其受冲击后的状态。
冲击试验通常包括使用冲击试验机或者
冲击落锤对样品进行冲击，记录冲击载荷大小和冲击后样品的状态。
3. 样品固定，将经过冲击试验的样品固定在压缩试验机的压缩
夹具中，确保样品的位置和方向符合试验标准的要求。
4. 压缩试验，开始进行压缩试验，通过压缩试验机施加压缩载
荷到样品上。
压缩载荷的大小和加载速率需要按照试验标准进行控制，通常会进行多次循环加载以评估材料的压缩性能和稳定性。
5. 数据记录与分析，在压缩试验过程中需要实时记录样品的变形情况和压缩载荷的大小，以便后续的数据分析。
试验结束后，需要对试验数据进行分析，包括计算材料的压缩强度、压缩模量等指标，并对试验结果进行解释和评估。
6. 结果报告，最后根据试验数据和分析结果编写试验报告，包括试验步骤、试验参数、试验结果和结论等内容，以便他人了解和参考。
以上是复合材料冲击后压缩试验的一般步骤，每个步骤都需要严格按照试验标准和规程进行操作，以确保试验结果的准确性和可靠性。
复合材料层合板的压缩试验对比研究张龙，王波1)，矫桂琼（西北工业大学工程力学系，西安，710129）摘要：在复合材料压缩试验标准中，有三种不同的压缩试验标准，ASTM D3410M-03、ASTM D6641M-01以及SACMA SRM6-94标准。
不同的标准将得到不同的试验结果。
本文对T700/9916复合材料层合板进行了这三种压缩试验标准的压缩试验，从而得到相应的压缩模量和压缩强度。
并通过对试验方法中试件所处的应力状态的分析比较，得出了这三种试验标准不同的适用性。
ASTM D3410M-03标准中垂直表面的挤压力和剪切力作用对压缩强度影响很大，其压缩强度为662MPa；而在ASTM D6641M-01标准其影响相对较小，强度为803MPa。
SACMA SRM 6-94标准中垂直表面的夹块只作为侧面支撑，主要为端部压缩力，因此所受影响最小，但是该方法极易导致端部压溃，压缩强度为1218MPa。
关键词：复合材料；力学性能；压缩试验；试验标准引言复合材料由于具有比强度高，比模量大，断裂韧性强，密度低，热稳定性，抗烧蚀性，化学稳定性和尺寸稳定的特点。
目前已广泛应用于航天、航空工业等领域中[1~7]。
因此复合材料基本性能的测定就变的尤为重要。
而复合材料压缩性能一直以来都是较难测定的。
试件的轴向压缩破坏模式大多是失稳破坏。
从整个试件横截面的纵向失稳到局部个别纤维的失稳，同时试验装置对所得结果也有很大的影响[8-10]。
压缩试验方法中的压缩力可由试件表面的剪切和端部压缩引入试件中。
但不同的压缩方式影响试验结果的得出。
由于以上种种原因使得压缩性能的测定存在许多困难。
Potter等[11]研究了石墨/环氧层复合材料的压缩性能，得出了试件尺寸与压缩性能试验结果的关系。
蒋邦海等[12]对一种单纤维二维正交平纹机织布增强树脂基复合材料进行了三个主方向的准静态压缩试验研究。
分析了碳纤维的初始微屈曲对压缩性能和压缩强度的影响。
FRP 材料的特点纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer/Plastic,简称FRP)也称纤维增强塑料，是由短切纤维或者连续纤维及其织物与热固性或热塑性基体经过一定的工艺复合而成的一种新型材料。
利用先进的成型工艺，纤维增强复合材料可以整体成型做成各种复杂的形状，整体性较强，减少了装配的成本。
与钢材以及合金等金属材料相比，复合材料能够同时达到轻质、高强、刚度高等特点，近年来表明，先进复合材料在飞机制造业的应用迅速扩大。
复合材料及其发展由两种或两种以上不同物质经材料设计、人工组合而得到的具有新的优越性能的多相固体材料。
按此定义，通常可将结构用复合材料（Composite materials）的基本组分划分为基体材料（Matrix）和增强材料（Reinforcement）。
其中基体材料大都为连续相，主要起粘结或连接的作用；增强材料多为分散相，主要用来承受载荷，亦称增强体。
复合材料常见的分类方法有：按材料的作用，可分为主要使用其力学性能的结构复合材料和主要发挥其功能特性的功能复合材料；按基体材料，可分为树脂基、金属基、陶瓷基复合材料等；按增强体的种类和形态，可分为长纤维增强复合材料、短纤维或晶须增强复合材料、颗粒增强复合材料、层状增强复合材料及填充骨架型复合材料等。
目前研究最多、应用前景最广的是上世纪60 年代以来发展起来的所谓先进复合材料，包括以高强碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、陶瓷颗粒等高性能增强体增强的耐高温高聚物或金属、增韧的陶瓷，以及功能复合材料。
复合材料最显著的特性，是其性能（主要指力学性能、物理性能和工艺性能）在一定范围内具有可设计性，同时还具有材料与结构同一性、发挥复合效应优越性及性能对工艺依赖性等特点。
与传统材料相比，复合材料在性能上具有优势，比如比强度、比模量大，耐疲劳性能好，阻尼减震性好，破损安全性高等。
因此，复合材料已成为材料研究领域的热点，并已在航空、航天、能源、电子、海洋、汽车，乃至生物工程等方面得到了广泛应用。
复合材料的冲击性能研究随着现代科技的快速发展，材料科学领域也取得了巨大的进展。
其中，复合材料作为一种新型的材料，由于其独特的性能在各个领域得到了广泛的应用。
而复合材料的冲击性能一直以来都是研究的热点之一。
复合材料的冲击性能研究对于工程设计和材料应用有着重要的意义。
当物体受到外界冲击时，能够抵抗外力的作用而不发生破裂或变形的材料被认为具有良好的冲击性能。
因此，了解和提高复合材料的冲击性能对于确保结构的强度和安全性至关重要。
复合材料的冲击性能受到多种因素的影响。
首先，复合材料的组成和结构对其冲击性能起着重要的作用。
不同类型的复合材料由不同的纤维和基体组成，因此其冲击性能也有所差异。
例如，石墨纤维增强复合材料在冲击载荷下具有较高的强度和韧性，而碳纤维增强复合材料则具有更高的刚度和强度。
此外，复合材料的布局和数量也会影响其冲击性能。
增加纤维的数量和改变纤维的布局可以提高复合材料的冲击吸收能力。
其次，复合材料的制备工艺也对其冲击性能产生重要影响。
制备工艺中的热处理、压制和固化过程都会影响复合材料的内部结构和力学性能。
例如，热处理可以改善复合材料的结晶度和纤维与基体之间的结合强度，从而提高其冲击性能。
压制过程中的压力和温度也会对复合材料的冲击性能产生影响。
因此，优化复合材料的制备工艺可以改善其冲击性能。
此外，环境条件和服务温度对复合材料的冲击性能也有影响。
在低温环境下，复合材料的韧性和强度可能会下降，从而导致其冲击性能下降。
则高温环境下，复合材料的力学性能和化学性能可能会发生变化，进而影响其冲击性能。
因此，在不同的环境条件下研究复合材料的冲击性能是很有必要的。
最后，为了更好地研究复合材料的冲击性能，目前的研究中还需要完善测试方法和评价标准。
冲击测试是评价材料冲击性能的重要手段，常用的方法包括冲击试验和球型冲击试验。
此外，还需要建立合理的评价标准来比较不同复合材料的冲击性能。
不同应用领域对冲击性能的要求也不同，因此需要针对具体应用制定相应的评价标准。
第22卷 第3期2002年9月航 空 材 料 学 报JO U RN A L OF AER ON A U T I CA L M A T ER IA L SV ol.22,No.3Sept ember2002编织型复合材料的冲击及冲击后压缩强度的试验研究郑海燕,刘元镛,郭伟国(西北工业大学,陕西西安710072)摘要:通过对冲头进行设计,和采用多通道的数据采集系统,得到较为详尽的冲击响应的过程(包括冲击力,试件的正背面响应,离冲击点不同距离的响应)。
并且本文还进行了冲击后的压缩试验,对编织型复合材料在不同冲击能量下的压缩破坏载荷,及损伤后不同位置的响应进行了记录和讨论,是一个全面了解冲击和冲击后压缩的应力分布和破坏载荷的较为满意的实验研究方法。
关键词:复合材料;编织型;冲击损伤;冲击后压缩中图分类号:T B332 文献标识码:A 文章编号:1005-5053(2002)03-0033-05 编织型复合材料是国外八十年代后期发展起来的一种新型结构设计的复合材料,由于纤维增强编织复合材料比传统的层合板有较好的层间刚度,层间强度和韧性性能,且抗冲击性能好,加之可以适应高效率的自动化生产方式,铺层性好,在模塑过程中,能保持纤维不错位,易于制造各种不规则外形的构件。
故采用编织和缝纫纤维加强的复合材料做为结构件在航空,航天和汽车工业里有着很大的潜力。
但由于其结构的复杂,对于这种材料,还有许多不同于传统复合材料的性质需要进行试验和讨论,特别是损伤后的压缩破坏试验尤为重要。
目前采用的冲击试验,大多数都没有全面的记录冲击过程中的各种响应[1,2,3],本文即是针对这一新型编织复合材料的冲击响应及冲击后压缩强度(CAI)进行研究,并对结果进行讨论。
二维平纹编织复合材料板是较简单的纤维结构形式,它是由多层预浸织物构成的,然后经过一个与单向带层合板相类似的成型和固化过程而形成。
纤维是由相互正交的两束纤维组成,纤维结构是由经向和纬向的纤维相互交叉方式决定的[1]。
不同的二维编织结构使用一定的代号表示,本文所研究的8H编织复合材料即表示其代表单元是径向和纬向的各八束(纬纱从上面穿过7根,再从下面穿过一根经纱)组成的。
1 试验条件及方法收稿日期:2001-11-28;修订日期:2002-06-05作者简介:郑海燕(1978-),女,硕士。
1.1 试验方案: 根据本研究工作的基本思想即研究冲击过程的响应及冲击后损伤区周围的应力分布,本实验采用了如图1的流程。
1.2 试验材料: T300/913C碳纤维/环氧预浸织物制成的层合板,尺寸为150m m×100mm×3.5mm,按标准工艺成型,纤维体积含量(65±2.5%,编织方法为8H。
树脂含量40±2.5%,单层厚度0.35mm,预浸料与纤维单位面积重量分别为(540±30)g/m2和(370±14)g/m2。
1.3 冲击装置和冲击记录设备: 冲击装置由可调的支架构成,冲击装置及记录装置见参考文献[4]。
1.4 试验条件与过程: (1)试验采用了四种冲击能量,详细的情况见表1。
每种冲击能量用三个试件,冲击试验后,试件进行X射线探伤,得到冲击损伤尺寸,并进行压缩试验。
表1 冲头质量及冲击高度和能量T able1 Impacto r mass.impa ct height and ener g yIm pacto rmass/kgI mpacthig ht/mImpa ctenerg y/J1 1.2290 1.250015.05520.89600 1.250010.97630.68500 1.25008.391240.68500 1.0200 6.8473 (2)接触力测量的原理:测定接触力采用的是在冲头部位贴应变片,并事先进行标定的方法。
为了测量的精度,冲头采用空心的结构设计。
为了测量时导线引出的需要,后续连接的砝码采用了侧边开孔的方法。
(3)冲击损伤后的压缩强度试验是在IN-ST RON 拉压试验机(10吨)上进行的,在压缩过程中,为了保证试件的对中性,防止试件的失稳,采用了侧边侧板来防失稳的压缩夹具,并在离试件冲击点较远位置的左右、前后贴应变片以观察试件压缩过程中的对中性和破坏过程的特点。
图1 实验流程图Fig.1 T est flo w char t2 实验结果及讨论 图2示出了冲击力在冲击过程中的响应,同时比较了在不同冲击能量下的响应峰值,随着冲击能量的增加,冲头的冲击力峰值呈有规律的增加,且随着冲击能量的增加,冲击时间亦增大。
另外,从响应曲线的形状可见,在达到峰值前,不同能量下的冲击力上升的斜率基本不变,并缓和的达到峰值,达到峰值后,载荷不是陡峭的急剧下降。
波形曲线有一定的宽度,这是与传统的交叉铺层层合板不一样的地方。
图2 冲击力的响应过程(冲击能量分别为6.847J,10.976J,15.055J)F ig .2 Respo nse pro cess o f impact for ce(Impact Energ y : 6.847J ,10.976J ,15.055J ) 此外,对不同冲击能量下冲击力的最大值进行观察,基本符合二次关系式。
根据拟合得:F m ax =- 1.7411+ 1.38X -0.04465X 2(X 为冲击能量值,单位为J),由此可求得能量为8.3912J 的F max 为6.70kN 。
在同一冲击过程中,正面受压,背面受拉,从图3中的正背面的应变值的大小可以看出,背面的应变的绝对值比正面要大得多,这也验证了为什么冲击损伤的区域背面要比正面大得多。
图4显示了距离冲击点不同位置的应变的不同,离中心点较远位置所受到的应力要比近端小得多。
图3 正背面比较F ig .3 Strains o f fro nt andback图4 距冲击点不同距离的冲击响应比较 Fig.4 Compar ison w ith r espo nse o fdiffer ent distance fr om im pact point34 航 空 材 料 学 报 第22卷 图5比较了不同冲击能量下,损伤面积的变化,损伤面积按幂指数规律变化。
随着冲击能量的增加,损伤面积增大趋于平缓。
这说明了编织型复合材料能有效的阻止损伤的扩展,使其具有较大的剩余强度。
在图5中需要注意的是将损伤面积与冲击能量的曲线外延以后,得到损伤面积为0时的冲击能量为1J 左右即为该试件的冲击能量阀值,结果与文献[5]相吻合。
图5 不同冲击能量下的损伤面积F ig .5 Damag e area w it h differ ent impact energ y 图6显示了不同冲击能量下,压缩破坏值的变化,冲击能量越大,对冲击后压缩造成的影响越大。
能量为8.3912J 的破坏试验因破坏发生在根部的夹持部位,所以未在图中示出。
图7记录了在压缩过程中,前后两个表面的同一位置的应变值,可以看出当试件快断裂时,才出现两个部位应变的不同,有效证明了试验中加载是平衡的压缩载荷。
图8记录了冲击损伤区周围的三个位置的应变值(分别为左,中,右)从图可以看出,左右对称的位置上,应变基本相同,但中间稍小一些。
这是由加载方向与损伤区的基本对称的形态决定的。
从图7和图8的试验结果,可有效的证明本试验结果是有效和可靠的。
图6 不同能量下的压缩破坏值Fig .6 Str eng th o f CA I w it h differ ent impact energy图7 正背面应变与压缩力关系 Fig.7 F ro nt and back str ainV S compressio n force图8 左右中应变与压缩力的关系 Fig.8 L eft,centr e and r ig ht strainV S compressio n for ce 为了比较编织型复合材料与单向带复合材料冲击后的压缩强度。
Kim JK [6]研究了相同尺寸的编织型复合材料层合板与普通角铺层层合板的冲击后剩余强度。
图9,图10显示了单向层合板与 图9 层合板与编织复合材料板剩余强度与冲击能量关系图 Fig.9 T he co mpar iso n o f CAI bet weenw ov en co mpo site and cr oss-plies35第3期 编织型复合材料的冲击及冲击后压缩强度的试验研究 图10 层合板与编织复合材料板剩余强度冲击损伤面积的关系图 F ig.10 T he com par ison o f CAI betw eenw ov en co mpo site and cr oss -plies编织复合材料板剩余强度与冲击能量及冲击损伤面积的关系图(图中的剩余强度是正则化的剩余强度)。
纤维编织复合材料板受冲击后的压缩剩余强度大于或等于单向带复合材料板受冲击后的压缩剩余强度。
3 试件的损伤情况 图11示出试件在不同能量冲击下,用X 射线探伤得出的损伤情况。
冲击能量从左到右分别为6.8473J,10.976J,15.055J 。
在图11所示的照片中,深色部位表示损伤严重,稍浅的部位损伤较轻。
因损伤部位明显的地方,有纤维断裂和基体的损伤,因此X 射线渗透液进入得完全,相应的就显得较黑。
根据试验观察按冲击能量的大小,损伤在不同的冲击能量下有如下几种情况: (1)当能量小于某一阀值时,外来物冲击不会造成任何损伤,即存在损伤阀值。
(2)当能量超过一定的阀值,在本试验中,在4J 的冲击能量下,虽然层合板两表面均观察不到损伤,但试件内部已经有分层。
(3)能量进一步增大后,冲击表面会产生目视可检损伤,冲头接触部位出现一定深度的凹坑,还可观察到纤维断裂。
背面的裂纹往往更加严重,损伤面积内部分层更加严重,用X 射线探伤的结果显示:内部损伤面积大于表面的损伤。
上述损伤情况与文献[7]试验结果相符合,且损伤面积的变化趋势如图7。
图11 冲击损伤区域X 射线探伤照片F ig.11 P ho to s o f impact da mage ar ea by X -r ay4 结论 本文提出的试验研究方法对全面了解冲击和冲击后的压缩的应变分布和破坏载荷是可行和有效的。
试验给出了8H 编织复合材料在低速冲击下,冲击阀值为1J 左右。
在同一冲击能量下,编织型复合材料板冲击后的压缩剩余强度比角铺层层合板要大,但是编织型复合材料在加载过程中损伤的扩展要小,使编织结构有效阻止了损伤的扩展,具有更大的剩余强度。
参考文献:[1]沈真、章怡宁、黎观生,等.复合材料结构设计手册[M ].北京:航空工业出版社,2001.11.[2]张子龙,程小全、益小苏,等。
