復(fù)合材料結(jié)構(gòu)材料測試方法是一個(gè)循序漸進(jìn)的過程，可作為設(shè)計(jì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的框架，同時(shí)降低風(fēng)險(xiǎn)和成本。
圖 1. 結(jié)構(gòu)測試的金字塔
在復(fù)合材料測試的背景下，構(gòu)建塊方法是一系列日益復(fù)雜的機(jī)械測試，再加上每一步的分析，作為設(shè)計(jì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的框架。盡管大多數(shù)對復(fù)合材料設(shè)計(jì)的構(gòu)建塊方法的參考都集中在最初開發(fā)的航空業(yè)，但復(fù)合材料行業(yè)服務(wù)的許多其他終端市場也遵循了通用方法。毫不奇怪，復(fù)合材料測試的數(shù)量和類型變化很大，這取決于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的應(yīng)用和復(fù)雜性。
圖 1 中顯示了一個(gè)通用的測試金字塔，說明了所執(zhí)行的測試水平。在構(gòu)建塊方法中，每個(gè)級別或“塊”都有特定的用途，并從底部開始按順序處理?？梢愿鶕?jù)測試物品的復(fù)雜性以及測試結(jié)果的使用來描述與每個(gè)級別相關(guān)聯(lián)的測試。在本專欄中，我將關(guān)注與設(shè)計(jì)過程的初始階段相對應(yīng)的構(gòu)建塊金字塔的最低級別。
測試金字塔的基準(zhǔn)面，稱為試片水平，是執(zhí)行大多數(shù)試片水平測試的地方。這些測試有多種用途，根據(jù)所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)的不同，用途會有很大的不同。測試的第一個(gè)目的是篩選候選復(fù)合材料。如果候選材料還不可用，則進(jìn)行篩選測試以確定其基本剛度和強(qiáng)度特性。
此外，通常的做法是選擇額外類型的篩選測試，以獲得特定應(yīng)用或目的的關(guān)鍵特性。例如，短梁剪切試驗(yàn)（ASTM D 23441）可用于材料選擇，因?yàn)闇y得的短梁強(qiáng)度對復(fù)合材料層壓板內(nèi)的孔隙率、纖維與基體的粘附性和層間強(qiáng)度的問題高度敏感。此外，開孔壓縮試驗(yàn)（ASTM D64842）和沖擊后壓縮試驗(yàn)（ASTMD71373）用于許多航空航天應(yīng)用，因?yàn)閮烧叨加米魅笨诿舾行缘暮Y選試驗(yàn)，前者用于缺口層壓板設(shè)計(jì)容許值，這些容許值通常比壓縮強(qiáng)度更關(guān)鍵。
由于尚未選擇要使用的特定多向?qū)訅喊?，因此這些試驗(yàn)通常使用準(zhǔn)各向同性層壓板（25%0°層、50%±45°層和 25%90°層）。此外，這些篩選測試有時(shí)是在應(yīng)用所需的關(guān)鍵環(huán)境條件下進(jìn)行的，例如在高溫下使用濕度調(diào)節(jié)的樣品。候選復(fù)合材料也可以在進(jìn)行最終選擇之前進(jìn)行制造和修復(fù)試驗(yàn)。
雖然這種測試需要相當(dāng)大的時(shí)間和費(fèi)用，但其目的是減少金字塔上進(jìn)一步的子組件和部件級測試的數(shù)量。請注意，如果選擇了一種現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫的復(fù)合材料，那么這些篩選測試中的相當(dāng)一部分可能會被取消。盡管復(fù)合材料供應(yīng)商通常只為其材料提供有限的一組性能，但公共數(shù)據(jù)庫可用于越來越多的復(fù)合材料。
例如，20 世紀(jì) 90 年代開發(fā)的高級通用航空運(yùn)輸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫4 包括具有機(jī)織物和單向纖維的碳纖維和玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的薄層材料特性。此外，美國國家先進(jìn)材料性能中心（NCAMP-National Center for Advanced Materials Performance）數(shù)據(jù)庫 5 包括各種復(fù)合材料的薄層和層壓板性能數(shù)據(jù)，重點(diǎn)關(guān)注航空航天工業(yè)。最后，在復(fù)合材料手冊（CMH-17- Composite Materials Handbook - 17）6 的第 2 卷中可獲得各種普遍感興趣的復(fù)合材料的機(jī)械性能數(shù)據(jù)。
一旦為特定應(yīng)用選擇了候選復(fù)合材料，并確定了支持設(shè)計(jì)的關(guān)鍵機(jī)械性能，就必須開發(fā)一種穩(wěn)定的測試板制造工藝，該工藝可以繼續(xù)構(gòu)建更復(fù)雜的測試 件，從而形成最終結(jié)構(gòu)。隨著工藝規(guī)范的制定，可以對多個(gè)生產(chǎn)批次的材料進(jìn)行特定應(yīng)用的關(guān)鍵機(jī)械性能測試，并用于確定初步的材料容許值——從測試數(shù)據(jù)中統(tǒng)計(jì)得出的材料性能值。
為此，通常使用多個(gè)生產(chǎn)運(yùn)行中生產(chǎn)的材料進(jìn)行測試。還可以進(jìn)行測試以解決非周圍環(huán)境的影響。對于聚合物基復(fù)合材料（PMC），最常見的關(guān)注環(huán)境是熱/濕條件，在該條件下基體材失去剛度和強(qiáng)度，以及在低溫下基體材料喪失延展性。在設(shè)計(jì)過程中的這一點(diǎn)上進(jìn)行額外的試片水平測試，以獲得明顯更難通過分析產(chǎn)生的材料特性。示例包括缺口敏感性（裸孔和填充孔）測試、軸承測試和損傷容限（沖擊后壓縮）測試。這些測試通常使用特定應(yīng)用感興趣的特定多向復(fù)合材料層壓板進(jìn)行。
為了限制所需的測試量，通常通過限制纖維方向的數(shù)量來減少層壓板的數(shù)量，例如 0°、±45°和 90°的層壓板，并改變層壓板中每組層壓板的百分比。對于航空航天應(yīng)用，常見的層壓板測試包括準(zhǔn)各向同性層壓板（25%0°層、50%±45°層、25%90°層）以及其他“硬”層壓板（40-50%0°層）。“軟”層壓板（8-10%0°層）有時(shí)也會進(jìn)行測試。即使候選層壓板的數(shù)量有限，測試的數(shù)量也會迅速增加。
總之，通常在構(gòu)建塊方法的基本水平上執(zhí)行相對大量的試片水平測試。雖然這種測試需要相當(dāng)大的時(shí)間和費(fèi)用，但其目的是控制材料和工藝的可變性，并減少金字塔上進(jìn)一步的組件和部件級測試的數(shù)量，從而在降低風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)降低總體成本。然而，正如我在一開始所提到的，不同終端市場的構(gòu)建過程以及復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的不同復(fù)雜性存在相當(dāng)大的可變性。關(guān)于構(gòu)建塊方法的大部分內(nèi)容都集中在航空航天，尤其是商業(yè)航空航天。目前，《復(fù)合材料手冊》（CMH-17）7 第 3 卷第 4 章對構(gòu)建塊方法進(jìn)行了最廣泛的介紹。
參考文獻(xiàn)：
1.ASTM D2344/D2344M-16，“聚合物基復(fù)合材料及其層壓板短梁強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法”，ASTM 國際（美國賓夕法尼亞州西康舍霍肯），2016 年（1965 年首次發(fā)布）。
2.ASTM D6484/D684M-20，“聚合物基復(fù)合材料層壓板的開孔抗壓強(qiáng)度”，ASTM 國際（美國賓夕法尼亞州西康舍霍肯）， 2020（1999 年首次發(fā)布）。
3.ASTM D7137/D7137M-17，“受損聚合物基復(fù)合材料板的壓縮殘余強(qiáng)度特性”，ASTM 國際（賓夕法尼亞州西康舍霍肯）， 2017（最初于 2005 年出版）。
4.高 級 通 用 航 空 運(yùn) 輸 實(shí) 驗(yàn) （ AGATE ） 數(shù) 據(jù) 庫 ，www.niar.wichita.edu/AGATE/
5.美國國家先進(jìn)材料性能中心（ NCAMP ） 數(shù)據(jù)庫，www.niar.wichita.edu/coe/NCAMP.asp
6.《復(fù)合材料手冊》-17（CMH-17），第 2 卷：材料特性，SAE 國際，修訂版 H，2018。
7.《復(fù)合材料手冊》-17（CMH-17），第 3 卷：材料使用、設(shè)計(jì)和分析，SAE 國際，2012 年 G 版。
來源：復(fù)合材料體驗(yàn)館
原文見，《 Composites testing as part of a building block approach, Part 1: Coupon-level testing 》2021.7.28
京公網(wǎng)安備11010802046783號
