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定向纤维增强聚合物基复合材料弯曲性能试验


一、试验方法概述


定向纤维增强聚合物基复合材料弯曲性能试验具有至关重要的意义。在现代工程领域中,这类复合材料因其优异的性能,如高强度、高刚度等,被广泛应用。准确测定其弯曲性能,能为材料的设计、生产和质量控制提供关键依据。
该试验方法适用于连续纤维增强聚合物基复合材料层合板弯曲性能的测定。例如,在航空航天领域,层合板的弯曲性能直接关系到飞行器结构的稳定性和可靠性。同时,也适用于其他聚合物基复合材料,为不同行业的材料选择和应用提供了标准的测试手段。
据统计,在航空领域中,采用定向纤维增强聚合物基复合材料的部件,其弯曲性能的优劣对飞行器的整体性能影响可达 30% 以上。这凸显了准确进行弯曲性能试验的重要性,以确保材料在实际应用中能够承受各种复杂的力学环境。

二、试验依据及设备


(一)规范性引用文件

本试验依据的文件主要有 GB/T1446《纤维增强塑料性能试验方法总则》和 GB/T3961《纤维增强塑料术语》。凡是注日期的引用文件,仅注日期的版本适用于本文件;凡是不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。这些文件为定向纤维增强聚合物基复合材料弯曲性能试验提供了规范和标准,确保试验的准确性和可靠性。

(二)试验设备


试验机与测试仪器:试验机和测试仪器应符合 GB/T1446 的规定。GB/T1446 对试验机载荷相对误差不得超过 ±1%,确保了试验数据的准确性。同时,对于力学性能用试验设备,应保证试验机能够准确施加载荷,记录试样的变形等参数。

对于加载头与支座,半径为 3mm,对 0° 单向纤维增强复合材料层合板试样,加载头与支座的半径可采用 5mm。推荐加载头和支座硬度为 HRC40~45。这样的设计可以保证在试验过程中,加载头和支座能够稳定地支撑试样,同时不会对试样造成过度的损伤。


环境箱:环境箱的控制精度应满足试验要求,经计量检定合格且在有效期内使用。环境箱可以模拟不同的环境条件,如温度、湿度等,以研究环境因素对复合材料弯曲性能的影响。例如,在一些特殊的应用场景中,复合材料可能会受到极端温度或湿度的影响,通过环境箱的模拟,可以更好地了解材料在这些条件下的性能表现。

三、试样要求


(一)形状与尺寸

试样形状主要为矩形长条状。对于聚合物基复合材料推荐的试样尺寸要求如下:厚度一般为 4mm,宽度为 12.5±0.2mm(对于织物增强的纺织复合材料,试样的宽度至少应为两个单胞),长度根据跨厚比要求确定。跨厚比对于碳纤维增强复合材料为 32:1,玻璃纤维和芳纶增强复合材料为 16:1,如出现层间剪切破坏时可增加跨厚比。机械加工边缘的粗糙度 Ra 值不应大于 3.2μm。试样数量每组有效试样应不少于 5 个。

(二)状态调节

干态试样:试验前,试样在实验室标准环境条件下至少放置 24h。实验室标准环境条件按照 GB/T1446 中的规定,一般为温度相对稳定、湿度适中的环境。


湿态试样:试验前,应在规定的温度和湿度条件下使试样达到所要求的吸湿状态。推荐的温度和湿度条件为温度 70℃±3℃,相对湿度 (85±5)%。湿态试样状态调节结束后,应将试样用湿布包裹放入密封袋内,直到进行力学试验,试样在密封袋内的储存时间应不超过 14d。这样的状态调节要求是为了确保试样在不同状态下的性能表现能够真实反映材料在实际应用中的情况。

四、试验条件


(一)环境条件

实验室标准环境条件:实验室标准环境条件按照 GB/T1446 中的规定,为确保试验结果的准确性和可重复性提供了稳定的环境基础。


非实验室标准环境条件


高温试验环境条件:首先将环境箱和试验夹具预热到规定的温度,然后将试样加热到规定的试验温度,并用与试样工作段直接接触的温度传感器加以校验。对干态试样,在试样达到试验温度后,保温 5min~10min 开始试验;而对湿态试样,在试样达到试验温度后,保温 2min~3min 开始试验。试验中试样温度保持在规定试验温度的 ±3℃范围内。


低温试验环境条件:首先将环境箱和试验夹具冷却到规定的温度,然后将试样冷却到规定的试验温度,并用与试样工作段直接接触的温度传感器加以校验。在试样达到试验温度后,保温 5min~10min 开始试验。试验中试样温度保持在规定试验温度的 ±3℃范围内。

(二)加载速度

一般情况:对于一般的定向纤维增强聚合物基复合材料弯曲性能试验,加载速度推荐为:a) 1mm/min~2mm/min;b) 5mm/min~10mm/min。


特殊情况:当需要对特定材料或在特定环境下进行试验时,加载速度可能需要根据实际情况进行调整。例如,对于一些高强度的复合材料,为了更准确地测量其弯曲性能,可能需要采用较低的加载速度;而对于一些对时间要求较高的试验,可能需要采用较高的加载速度。

总之,合理选择试验环境条件和加载速度,对于准确测定定向纤维增强聚合物基复合材料的弯曲性能至关重要。在实际试验中,应根据材料的特性、试验目的和标准要求,综合考虑各种因素,以确保试验结果的可靠性和有效性。

五、试验方法


(一)三点弯曲法

三点弯曲法是定向纤维增强聚合物基复合材料弯曲性能试验的重要方法之一。其加载示意图通常如下:两个支座位于两端,一个加载头位于试样中部上方。加载头与支座的半径一般为 3mm,对 0° 单向纤维增强复合材料层合板试样,加载头与支座的半径可采用 5mm。
具体操作如下:将试样放置在两个支座上,确保试样与支座良好接触。然后,通过试验机对试样中部的加载头施加垂直向下的载荷。加载速度可根据试验要求选择,一般推荐为 1mm/min~2mm/min 或 5mm/min~10mm/min。在加载过程中,要密切观察试样的变形情况,记录载荷和位移数据。
例如,根据相关试验数据,采用三点弯曲法对某种定向纤维增强聚合物基复合材料进行测试,当加载速度为 2mm/min 时,随着载荷的增加,试样的变形逐渐增大,最终在达到一定载荷时发生破坏。通过对试验数据的分析,可以得到该材料的弯曲强度、弯曲模量等性能参数。

(二)四点弯曲法

四点弯曲法即方法 B,在定向纤维增强聚合物基复合材料弯曲性能试验中也有广泛应用。其加载示意图为:在试样上有两个加载头和两个支座,两个加载头位于试样中部,两个支座分别位于试样两端。
操作要点如下:首先,将试样放置在两个支座上,调整位置使其稳定。然后,通过试验机同时对两个加载头施加垂直向下的载荷。加载头与支座的长度、半径等参数需符合标准要求,一般加载头和支座长度为 60mm,半径为 3mm。对于方法 B 压板长度为 120mm。同样,加载速度可根据实际情况选择推荐值。在试验过程中,要准确记录载荷和位移数据,以便后续分析计算材料的弯曲性能参数。
例如,在某实际工程应用中,采用四点弯曲法对特定的定向纤维增强聚合物基复合材料进行测试,通过合理控制加载速度和环境条件,得到了准确的弯曲性能数据,为该材料在工程中的应用提供了可靠依据。

六、计算与报告


(一)计算方法

弯曲强度计算

弯曲模量计算

推荐应变范围:计算弯曲模量时,推荐的应变范围为 0.001~0.003。在这个范围内进行计算,可以更准确地反映材料的弯曲性能。

(二)试验报告内容

基本信息:试验报告应包含试验名称、试验日期、试验地点、试验人员等基本信息,以便于对试验进行追溯和查询。


试样信息:详细描述试样的类型、尺寸、状态(干态或湿态)等信息。例如,对于聚合物基复合材料试样,应注明其厚度为 4mm,宽度为 12.5±0.2mm,长度根据跨厚比确定等。同时,还应说明试样的加工方法和边缘粗糙度等。


试验设备信息:记录试验机和测试仪器的型号、精度等信息,以及环境箱的控制精度和使用状态。例如,试验机的载荷精度要求控制在 ±1%以内,环境箱经计量检定合格且在有效期内使用等。


试验条件:明确试验的环境条件,包括实验室标准环境条件和非实验室标准环境条件下的温度、湿度等参数。同时,记录加载速度的选择情况。


试验结果:列出试验得到的弯曲强度、弯曲模量等性能参数,并注明计算方法和应变范围。如有需要,还可以附上试验过程中的载荷 - 位移曲线等图表,以便更直观地展示材料的弯曲性能。


结论与分析:对试验结果进行分析和总结,评价材料的弯曲性能是否符合要求。同时,可以提出对材料改进和优化的建议,为后续的研究和应用提供参考。