不同试验标准对复合材料压缩强度的影响

李淑萍,薛继佳,马少华,佟 刚，张利国

(1.沈阳航空航天大学 辽宁通用航空重点实验室;2.沈阳航空航天大学 机电工程学院3.辽宁通用航空研究院)

材料工程

不同试验标准对复合材料压缩强度的影响

李淑萍1,3,薛继佳1,3,马少华2,佟 刚1,3，张利国1,3

(1.沈阳航空航天大学 辽宁通用航空重点实验室;2.沈阳航空航天大学 机电工程学院3.辽宁通用航空研究院)

为了研究应力与应变的关系问题，采用ASTM D3410对一系列复合材料进行压缩试验。研究结果表明对于低性能复合材料，应力应变呈线性关系，而对于高性能复合材料，应力应变不再呈线性关系，出现了失稳破坏，降低了压缩强度值。针对USN46200的压缩试验出现失稳破坏，分别采取增加厚度和改变试验标准进行试验，结果表明增加试验件厚度不能解决此问题，改变试验标准有效地解决了该问题。对于高性能的复合材料压缩试验建议采用ASTM D6641试验方法。

复合材料；压缩性能；试验标准

复合材料由于高的比强度，材料的可设计性使其在飞机上的应用越来越广泛。对于工程师来说，复合材料的基本力学性能非常重要。如果这些值过低，分散性过大，工程师就不得不采用过高的安全系数，这样就会使结构过重，失去了先进复合材料取得广泛应用的机会。很多学者进行了这方面的研究。赵丽滨、张志民、沈真对复合材料力学基本参数进行了研究[1-3]。汪源龙[4]对国产CCF300/双马树脂层合板高温拉伸与压缩性能试验研究，采用的标准为ASTM D3410。沈薇[5]对ASTM等系列标准进行了研究，并设计和制造出了具有自主知识产权的试验夹具,指出ASTM系列压缩标准就有4个，我们应该根据我们的国情进行选择。张国腾[6]对T700碳纤维/环氧复合材料采用GB/T3856-2005进行了压缩力学性能试验。彭超义[7]对单向带/平纹布混杂铺层层合板采用GB/T3856-83进行了压缩力学性能试验。该标准的夹具对试验件的厚度要求苛刻，目前已经很少采用。华盛顿航空研究室对不同实验方法进行了研究[8]。大多数人一般只关心压缩强度，很少关心试验过程中的应力应变关系问题。本文作者在这方面进行了相关研究，发现并不是所有复合材料的应力应变都呈线性关系，并对此现象分别采用增加厚度和改变试验方法进行解决，结果表明改变试验方法可有效解决该问题。

1 试 验

1.1 试验件宏观特性介绍

试验件的基本材料为A、B、C、D、E五类，分别为碳纤维单向预浸料、碳纤维双向编织预浸料、碳纤维编织布/环氧及玻璃纤维编织布/环氧，单向拉挤板。A、E两类为高性能碳纤维复合材料，压缩强度在700 MPA以上B、C、D三类低性能碳纤维复合材料，压缩强度在400 MPA以下。其中碳纤维单向预浸料、碳纤维双向编织预浸料的牌号分别为USN46200及KWC 800，两种预浸料固化温度曲线见图1，升温速率为2 ℃/min，随炉冷却。碳纤维编织布/环氧和玻璃纤维编织布/环氧的牌号为J4112L3及SW110C-90a。其固化工艺为模具中常温25 ℃预固化24小时，脱模后置于固化炉中，以每小时5 ℃的升温速率进行升温后固化，后固化温度周期如下：由常温升温至40 ℃固化3小时，再升温至60 ℃固化4小时，然后升温至80 ℃固化6小时，之后随炉自然冷却。单向拉挤板牌号为T700SL-12K为成品，不需再加工。采用ASTM_D3410进行压缩试验，试验件尺寸按照标准制作。

表1 试验件的铺层

1.2 加载与测量设备

采用SHIMADZU(岛津)AG-IC电子拉力材料试验机进行加载试验。采用东华DH-3820应变仪进行应变采集。

1.3 所用标准

我们采用ASTM_D3410/D3410M-03[9]标准进行压缩试验。该标准为复合材料压缩试验方法。通过接触面将剪力传递给试验件。所用夹具如图1所示。该夹具为自行研制，具有自主知识产权。

图1 所用夹具

2 试验结果及分析

2.1 应力应变关系曲线

有效的破坏模式的应力应变关系呈线性关系。发生失稳破坏的应力应变关系不再呈线性关系，典型情况如图2所示。

图2 发生失稳破坏的应力应变关系

A类材料0度铺层共进行了21个试验件的测试，其中10个发生了失稳破坏，占总数的47.6%。A类材料90度铺层共进行了21个试验件的测试，其中1个发生了失稳破坏，占总数的4.76%。B、C、D类材料分别各进行了21个试验件的测试，没有发生失稳破坏。E类材料共进行了21个试验件的测试，其中15个发生了失稳破坏，占总数的71.4%。

2.2 压缩破坏强度

表2为试验结果，其中剔除了发生失稳破坏等无效数据。

表2 压缩强度值

从上表可以看出当压缩强度达到700 MPa左右时，失稳问题明显增加。当压缩强度在400 MPa以下时，失稳现象不会发生。

2.3 压缩破坏形式

图3为压缩失稳破坏形式。

图3 失稳破坏形式

从破坏形式上看，失稳破坏有的表现为断裂，有的则没有断裂。与压缩破坏没有明显区别。

3 增加厚度和改变试验方法防止失稳

发生失稳问题，可能是由于厚度选的比较小或者是试验标准的问题。因此我们选择了A类0°材料分别进行增加厚度和改变试验方法的研究。

3.1 试验件和标准

对于USN46200材料0°铺层，我们采用增加厚度和改变试验标准两种方法进行试验。第一种方法是将铺层厚度增加到3.5mm，见下表3。试验标准还是和原来的一样。第二种方法是厚度还是和原来的一样，将标准改为ASTM D6641M-09[10]。ASTM D6641M-09采用端部和剪切混合加载的方式，夹具如下图4所示。上述试验件各做了10个。

表3 试验件和标准

图4 ASTMD6641夹具

3.2 结果和分析

试验结果如下表4。

表4 压缩强度值

3.2.1 厚度的影响

从表4可以看出，改变厚度对于预防失稳没有效果。表4中的值为平均值，10个试验件中有9个存在失稳问题。造成这样结果的一个原因可能是ASTM D3410M-2005公式(1)有些误差，即使厚度按照该公式选取，还是发生了失稳问题。另外一个原因可能是加载方式的问题，由于是剪切加载，可能是两侧的力不能完全一致，导致失稳问题的发生。

3.2.2 试验标准的影响

改变试验标准对改善失稳情况显著。10个试验件中没有发生失稳问题，并且得到的强度值也大得多。这可能与加载方式有关，ASTM D6641M-09采用端部和剪切混合加载的方式，有效地防止了失稳的发生，得到的强度值也高。

4 结 论

(1)对于高性能的复合材料，ASTM3410试验标准易失稳，得到的破坏强度值也低，增加厚度的效果不明显。

(2)对于高性能的复合材料，ASTM6641试验标准不易失稳，得到的破坏强度值更高，比较适合采用。

[1]赵丽滨，秦田亮，李嘉玺.复合材料结构三维有限元分析的材料参数[J].北京航空航天大学学报 ,2010,36(7):789-793.

[2]张志民.复合材料结构力学[M].北京：北京航空航天大学出版社,1993:30-32.

[3]沈真，杨胜春.飞机结构用复合材料的力学性能要求[J].材料工程，2007(增刊 1)：248-252.

[4]汪源龙，程小全，范舟.国产CCF300/双马树脂层合板高温拉伸与压缩性能试验研究[J].复合材料学报,2011,28(3):180-184.

[5]沈薇，杨胜春，沈真.复合材料力学性能表征标准化研究新进展[J].航空制造技术,2009(S1):25-29.

[6]张国腾，陈蔚岗，杨波.T700碳纤维/环氧复合材料力学性能试验研究纤维[J].复合材料,2009,49(2):49-52.

[7]DOT/FAA/AR-00/26 Office of Aviation Research Washington,D.C.20591 Verificationof the CombinedLoadCompression(CLC)TestMethod August,2000.http://www.pactl.com/down/oad/FAA.pdf

[8]彭超义，肖加余，曾竟成.单向带/平纹布混杂铺层层合板极限强度研究[J].航空动力学报,2008,23(3).

[9]ASTM Standard D3410-03(2008),“Compressive Properties of Polymer Matrix Composite Materials with Unsupported Gage Section by Shear Loading,” ASTM International(W.Conshohocken,Pa.),2008(first issued in 1975).

[10]ASTM Standard D6641-09,“Compressive Properties of Polymer Matrix Composite Materials Using a Combined Loading Compression(CLC)Test Fixture,” ASTM International(W.Conshohocken,Pa.),2009(first issued in 2001).

(责任编辑：吴萍 英文审校：刘红江)

Theeffectsofdifferentteststandardsonthecompressivestrengthofcompositematerials

LI Shu-ping1,3,XUE Ji-jia1,3,MA Shao-hua2,TONG Gang1,3,ZHANG Li-guo1,3

(1.Liaoning Key Laboratory of General Aviation,Shenyang Aerospace University; 2.College of Electromechanical Engineering,Shenyang Aerospace University;3.Liaoning General Aviation Academy,Shenyang 110136)

In order to studythestress-strainrelationship,ASTM 3410 is applied forthecompressive tests ofa series ofcomposite materials.The results show that inlow performance composites,there is a linear relationship betweenstress and strain,but inhigh performance composites,the stress-strain relationship is not linear,leading to unstable failure and lowervalues of compressive strength.The results of the experiments toprevent the unstable failureof CompositeUSN46200 show that addingthe thickness of the materials is invalidbutthat changing the test standardis effective.ASTM D6641 is proposedforcompressive testsofhigh performance composites.

composite material;compressive properties;test standard

2014-05-03

辽宁省科学技术厅工业攻关及成果产业化项目(项目编号：2012220013)

李淑萍(1968-)，女，河北河间人，副教授，主要研究方向：飞行器设计，E-mail:lsp@sau.edu.cn。

2095-1248(2014)04-0055-04

TB121

A

10.3969/j.issn.2095-1248.2014.04.011