復合材料力學性能表征(characterizationofmechanicalpropertiesofcomposites)

力學性能包括拉伸、壓縮、彎曲、剪切、沖擊、硬度、疲憊等，這些數(shù)據(jù)的取

得必需嚴格遵照標準。試驗的標準環(huán)境條件為：溫度23c±2℃,相對濕度

45%?55%,試樣數(shù)量每項試驗不少于5個。

此檢測方法適用于樹脂基復合材料，金屬基復合材料力學性能可參考此方法進

行。

拉伸拉伸試驗是對尺寸符合標準的試樣，在規(guī)定的試驗速度下沿縱軸方向

施加拉伸載荷，直至其破壞。通過拉伸試驗可獲得如下材料的性能指標：

拉伸強度%6=P/協(xié)（MPa）

式中P為最大載荷，N；b,h分別為試樣的寬度和厚度，mmo

斷裂伸長率j€,=7^x100%

乙0

式中△!,為試樣破壞時標距L0內(nèi)的伸長量，mm；L0為拉伸試樣的測量標距，

mmo

拉伸彈性模量Et

式中4P為載荷一形變曲線上初始直線段的載荷增量，N；為與4P相對應

的標距L0內(nèi)的變形增量，mmo

由于夏合材料的各向異性，特殊是用單向預浸帶做的復合材料通常同時測以下

項目：

oL：〃纖維方向的拉伸強度；

oT：，纖維方向的拉伸強度；

EL：〃纖維方向的拉伸模量；

ET：_1_纖維方向的拉伸模量。

應力-應變曲線記錄拉伸過程中應力-應變改變規(guī)律的曲線，用于求取材料的力

學參數(shù)和分析材料拉伸破壞的機制。

壓縮對標準試樣的兩端施加勻稱的、連續(xù)的軸向靜壓加載荷，直至試樣破

壞，以獲得有關壓縮性能的參數(shù)，若壓縮試驗中試樣破壞或達最大載荷時的壓

縮應力為P(N),試樣橫截面積為F(mm2),則壓縮強度。c為：

由壓縮試驗中應力-應變曲線上初始直線段的斜龍，即應力與應變之比，可求出

壓縮彈性模量(MPa)。

由于復合材料的各向異性，特殊是用單向預浸帶做的復合材料通常同時測

oL：〃纖維方向的壓縮強度；

oT：，纖維方向的壓縮強度；

EL：〃纖維方向的壓縮模量；

ET：上纖維方向的壓縮模量。

彎曲復合材料在彎曲試驗中受力狀態(tài)比較困難，拉、壓、剪、擠壓等力同時對

試樣作用，因而對成型工藝配方，試驗條件等因素的敏感性較大。用彎曲試驗

作為篩選試驗是簡潔易行的方法。

復合材料的彎曲試驗一般采納三點加載簡支梁法，即將標準試樣放在兩支點

上，在中間施加載荷，使試樣變形直至破壞。材料的彎曲強度。f為：

式中P為破壞載荷，N(或撓度為1.5倍試樣厚度時的載荷)；1為跨度，nun；

b,h分別為試樣的寬度和厚度,mmo

彎曲彈性模量Ef是指比例極限內(nèi)應力與應變的比值，可按下式計算：

FZ3-AP

l4bh3?df

式中△口為載荷，N(或撓度曲線上使直線段產(chǎn)生彎曲的載荷增量)；△￡為與

對應的試樣跨距中點處的撓度增量。

剪切復合材料的特點之一是層間剪切強度低，并且層問剪切形式困難，因

此剪切試驗對于復合材料的質(zhì)量限制特殊重要。層問剪切強度測試方法有干脆

剪切法和短梁彎曲法等。

(1)干脆剪切法。試樣的形式和尺寸如圖，對試樣的A、C面以肯定的加載速度

施加剪切，直至試樣破壞。試樣破壞時單位面積上所承受的載荷值為層間剪切

強度丁So

式中Pb為破壞載荷，N；b,h分別為受男而的寬度和圖度，mmo

(2)短梁彎曲法。木方法用來測定單向纖維增加樹脂復合材料平板的層間剪切強

度，采納短梁三點彎曲法。試樣厚度h=2?5mni,寬度b=6.0mm±0.5mm,跨度

l=5h,試樣長度L=l+10mni。層間剪切強度Ts。按下式計算：

式中P為試樣破壞時的最大載荷，No

7.5±0.2

且

7±0.2

15±0.2

試樣形狀和尺寸示意圖

(3)縱橫剪切試驗。由層板理論可以導出，用[±45°]s對稱層板進行軸向拉伸

所獲得的應力一應變曲線能夠表達0°鋪層層板的剪切應力一應變曲線。這種

測定00層板剪切性能的方法，稱為縱橫剪切試驗。該法與公認的薄壁圓筒扭

轉(zhuǎn)剪切相比，方法簡潔易行、省時省料，兩者測定結(jié)果一樣性較好，所測得的

剪切強度和剪切模量，可以作為層板設計參量。

式中1■匕為縱橫剪切強度，MPa；Pb為試樣破壞時的最大破壞載荷，N；b為試樣

寬度，mm；h為試樣厚度，mmo

「_AP1

L12/△4一△￡y

式中GLT為縱橫剪切彈性模量，GPa；為載荷一應變曲線直線段上選取的載

荷增量，N；△￡*為與4P相對應的試樣軸向應變增量；為與4P相對應

的試樣軸線垂直方向的應變增量。

沖擊沖擊試驗是用來衡量復合材料在經(jīng)受高速沖擊狀態(tài)下的韌性或抗斷裂

實力的試驗方法，一般用簡支梁擺錘沖擊試驗測定。標準試樣的中部開有V形

缺口，以使試樣受沖擊時產(chǎn)生應力集中而呈現(xiàn)脆性斷裂。若試樣沖斷所耗的功

為A(J),則沖擊韌性aK：

GK=A/bh

式中b為試樣缺口處寬度，m；h為試樣缺口下厚度，m0

除簡支梁沖擊試驗外，沖擊試驗還有懸臂梁沖擊試驗，落球式?jīng)_擊試驗，高速

拉伸沖擊試驗等。

硬度材料的硬度表示反抗其他硬物壓入的實力，通過硬度的測量可間接了

解其他力學性能，如磨耗、拉伸強度等，還可作為估計復合材料中基質(zhì)固化程

度的依據(jù)，硬度測試操作便利、快速、不損壞試樣、可現(xiàn)場進行，所以硬度作

為質(zhì)量檢驗和工藝指標而獲得廣泛應用。

硬度測試有布氏硬度、洛氏硬度、巴氏硬度、邵氏硬度等。在復合材料中應用

最廣的為巴氏硬度。

巴氏硬度是一種壓痕硬度，它以特定壓頭在標準彈簧作用下壓入試樣，以壓痕

深淺來表征試樣的硬度。巴氏