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聚合物基復(fù)合材料是由各種纖維和聚合物通過不同成型工藝組合而成的新型復(fù)合材料，其既保留了原組成材料的主要特點(diǎn)，又通過復(fù)合效應(yīng)獲得原組成材料不具備的性能。其中纖維主要起增強(qiáng)作用，聚合物樹脂主要起連接纖維和傳遞載荷的作用，而纖維和聚合物樹脂的界面是連接的紐帶，也是載荷傳遞的橋梁，起著非常重要的作用。聚合物基復(fù)合材料的比剛度以及比強(qiáng)度較高，抗疲勞性能和耐腐蝕性能優(yōu)異,且具有可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、成型工藝簡(jiǎn)單、過載時(shí)安全性能好等優(yōu)點(diǎn)。目前聚合物基復(fù)合材料已廣泛應(yīng)用于軍事、航空航天、汽車、船舶、電子、無人機(jī)、機(jī)械、醫(yī)療、建筑以及運(yùn)動(dòng)器材等領(lǐng)域。

 

復(fù)合材料力學(xué)性能測(cè)試是聚合物基復(fù)合材料產(chǎn)品研制與生產(chǎn)的重要組成部分，對(duì)其質(zhì)量保證和產(chǎn)品驗(yàn)證起著重要作用。隨著聚合物基復(fù)合材料的廣泛使用，其力學(xué)性能測(cè)試變得越來越重要。測(cè)試這些各向異性材料的主要挑戰(zhàn)之一是需要開發(fā)各種各樣的夾具，以提供在不同條件下測(cè)試材料的各種方法。

 

單向拉伸試驗(yàn)（定向）（ASTM D638，ISO 527）

 

單軸張力中的應(yīng)力（ζ）根據(jù)以下公式計(jì)算：

 

ζ=材料樣品的荷載/面積…………..（1）

 

應(yīng)變（ε）根據(jù)以下公式計(jì)算：

 

ε=δl（長(zhǎng)度變化）/l（初始長(zhǎng)度）…………..（2）

 

曲線（E）的初始線性部分的斜率是楊氏模量，由下式給出：

 

E=（ζ2-ζ1）/（ε2-ε1）…………..（3）

 

復(fù)合材料的單軸拉伸試驗(yàn)

 

三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)（ASTM D790）

 

通過三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)可以了解復(fù)合材料和熱塑性3d打印材料的彎曲強(qiáng)度、彎曲應(yīng)力和應(yīng)變。試件處于水平位置加載，其橫截面的上部發(fā)生壓應(yīng)力，下部發(fā)生拉應(yīng)力。這是通過使用圓桿或曲面從下方支撐試樣來實(shí)現(xiàn)的。提供具有適當(dāng)半徑的圓棒或支撐，以便與試樣有一個(gè)接觸點(diǎn)或接觸線。

 

載荷由試樣頂面上的圓頭施加。如果試樣的橫截面對(duì)稱，則最大拉伸應(yīng)力和壓縮應(yīng)力相等。該試驗(yàn)夾具和幾何結(jié)構(gòu)提供了加載條件，從而使試樣在拉伸或壓縮時(shí)失效。

 

三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)

 

對(duì)于大多數(shù)復(fù)合材料，抗壓強(qiáng)度低于抗拉強(qiáng)度，試樣將在壓縮表面失效。這種壓縮破壞與單個(gè)纖維的局部屈曲（微屈曲）有關(guān)。

 

四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)（ASTM D6272）

 

四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)

 

這種安排有助于測(cè)試高剛度材料，如陶瓷注入聚合物，其中最大應(yīng)力下缺陷的數(shù)量和嚴(yán)重程度與材料的彎曲強(qiáng)度和裂紋萌生直接相關(guān)。與三點(diǎn)彎曲彎曲試驗(yàn)相比，四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)在兩個(gè)加載銷釘之間的區(qū)域沒有剪切力。

 

泊松比試驗(yàn)（ASTM D3039）

 

泊松比是用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的最重要參數(shù)之一，所有因受力引起的尺寸變化都需要考慮在內(nèi)，特別是對(duì)于3d打印材料。對(duì)于該試驗(yàn)方法，泊松比僅從單軸應(yīng)力產(chǎn)生的應(yīng)變中獲得。

 

復(fù)合材料泊松比試驗(yàn)（貼應(yīng)變片法）

 

參照ASTM D3039標(biāo)準(zhǔn)，通過向試樣施加拉力并測(cè)量試樣在應(yīng)力下的各種性能來進(jìn)行測(cè)試。兩個(gè)應(yīng)變片以0度和90度的角度連接到試樣上，以測(cè)量橫向應(yīng)變和線性應(yīng)變。橫向應(yīng)變和線性應(yīng)變的比值提供了泊松比。

 

平面壓縮試驗(yàn)（ASTM D695）

 

當(dāng)產(chǎn)品在壓縮載荷條件下工作時(shí)，3d打印材料的壓縮性能非常重要。測(cè)試是在與面平面垂直的方向進(jìn)行的，因?yàn)樵嚇訉⒎胖迷诮Y(jié)構(gòu)夾層結(jié)構(gòu)中。與壓縮有關(guān)的測(cè)試程序要求在準(zhǔn)靜態(tài)條件下應(yīng)用變形，消除質(zhì)量和慣性效應(yīng)。

 

復(fù)合材料壓縮試驗(yàn)

 

與壓縮相關(guān)的試驗(yàn)程序要求在準(zhǔn)靜態(tài)條件下施加變形，從而消除質(zhì)量和慣性效應(yīng)的試驗(yàn)條件。

 

根據(jù)波音BSS 7260標(biāo)準(zhǔn)，修改后的ASTM D695和波音BSS 7260作為測(cè)試規(guī)范，可使用加載壓縮測(cè)試夾具確定聚合物基復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度和剛度。該試驗(yàn)程序通過端部加載將壓縮力引入試樣。

 

軸向疲勞試驗(yàn)（ASTM D7791和D3479）

 

ASTM D7791描述了單軸加載條件下塑料動(dòng)態(tài)疲勞性能的測(cè)定。對(duì)剛性或半剛性塑料樣品進(jìn)行強(qiáng)度加載（程序A），對(duì)剛性塑料樣品施加非壓縮加載（程序B），以確定加工、表面條件、應(yīng)力等對(duì)承受大量單軸應(yīng)力的塑料和增強(qiáng)復(fù)合材料的抗疲勞性的影響。該結(jié)果可用于候選材料高承載性能的研究。ASTM建議測(cè)試頻率為5hz或更低。

 

測(cè)試可以在負(fù)載/應(yīng)力或位移/應(yīng)變控制下進(jìn)行。該試驗(yàn)方法允許應(yīng)力或應(yīng)變的產(chǎn)生作為循環(huán)的函數(shù)，疲勞極限的特征是試件的破壞或達(dá)到10E+07循環(huán)。通過R比率定義最大和最小應(yīng)力或應(yīng)變水平。

 

復(fù)合材料的軸向疲勞試驗(yàn)

 

剪切性能測(cè)試（ASTM D2344/和D3518）

 

常用聚合物基復(fù)合材料剪切性能的測(cè)試方法主要有層間剪切測(cè)試、面內(nèi)剪切測(cè)試、搭接剪切測(cè)試、V型缺口梁剪切試驗(yàn)以及V型缺口軌道剪切試驗(yàn)等。

 

層間剪切測(cè)試主要考察復(fù)合材料層與層之間的最大剪切應(yīng)力，被廣泛用于評(píng)價(jià)復(fù)合材料纖維與樹脂之間界面的結(jié)合強(qiáng)度由于加載處存在峰值應(yīng)力，因此該方法并不能反映材料真正的剪切性能，測(cè)試結(jié)果為表觀剪切應(yīng)力，且該測(cè)試方法跨距與厚度比很小，受力遠(yuǎn)大于3點(diǎn)彎曲。

 

面內(nèi)剪切測(cè)試采用纖維方向和載荷呈±45°的拉伸或壓縮性能測(cè)試，且適合剪切變形小于5%的情況，也較多地用于評(píng)價(jià)復(fù)合材料纖維與樹脂之間的界面結(jié)合強(qiáng)度。測(cè)試過程中的橫縱向應(yīng)變測(cè)試普遍采用的是應(yīng)變片，導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確性受人為因素的影響較大。

 

搭接剪切測(cè)試主要用于確定兩層合板之間的黏合剪切強(qiáng)度，測(cè)試結(jié)果為面內(nèi)剪切強(qiáng)度。測(cè)試為雙邊簡(jiǎn)單搭接和溝槽搭接測(cè)試。該類測(cè)試中的制樣過程較復(fù)雜。

 

V型缺口梁剪切試驗(yàn)通過特制夾具實(shí)現(xiàn)壓縮加載的測(cè)試，通常用于高模量纖維或者織物的壓縮剪切測(cè)試，在測(cè)試過程中，纖維應(yīng)該平行或垂直于加載方向，應(yīng)變片黏貼在剪切面45°方向上，因而應(yīng)變片黏貼的方法和位置對(duì)測(cè)試結(jié)果影響較大。

 

V型缺口軌道剪切試驗(yàn)的測(cè)試方法為通過特制夾具以及拉伸加載方式將剪切力傳入試樣，纖維需要平行或者垂直加載方向，應(yīng)變片黏貼在剪切面45°方向上。該方法的夾具安裝過程較復(fù)雜，且應(yīng)變片黏貼的方法和位置對(duì)測(cè)試結(jié)果影響較大。