岛津试验机丨夹具世界系列之复合材料测试
导读
随着科技发展的日新月异，汽车、航天、航空等工业对材料性能的要求越来越高，单一材料如金属、陶瓷、高分子材料几乎都难以胜任。若将不同性能特点的单一材料复合起来，取长补短，则能满足现代高新技术的需求。复合材料既能保持组成材料各自的优异特性，又具有组合后的新特性，如比强度和比模量高、抗疲劳和破断安全性良好、高温性能优良等。
以汽车工业为例，在车身及主要零部件、汽车结构件、电动汽车高压电池组件等应用中，复合材料可减轻重量实现汽车轻量化，同时减少碳排放。在飞机工业中，以波音777为例，其机体结构中复合材料仅占到约11%，而且主要用于飞机辅件；但到波音787时，复合材料的使用出现了质的飞跃，不仅数量激增，而且开始用于飞机的主要受力件，如今，波音787的复合材料用量已占到结构重量的约50% 。因此对于复合材料的研究，根据不同需求测试评估各种复合材料的力学性能，就显得尤为重要。
今天，我们一起来看看岛津试验机在复合材料力学测试方面的夹具与应用。
ASTM D6641组合载荷压缩测试
复合材料不同于以往的均质材料，具有各向异性，在承受载荷的应力主轴方向呈现出拉伸、压缩、弯曲、向内剪切、向外剪切或兼有上述动向的复杂受力情况。为了提高对所设计产品的性能预测精度，需要采集各种数据，因此，在进行复合材料试验时，对于分别测量各断裂现象的试验方法的要求越来越高。例如根据标准ASTM D6641的组合载荷压缩（CLC）试验（如下图）是一种具有剪切和端面载荷组合的试验方法，提供了实现强度评估的同时进行弹性模量的测量。
ASTM D6641使用组合载荷压缩（CLC）试验夹具测定聚合物基复合材料压缩强度试验
ASTM-D6484 开孔压缩强度测试
碳纤维增强塑料（CFRP）以其强度高、重量轻等优点，在航空航天领域得到了广泛的应用。碳纤维具有优良的强度特性和高刚度特性，但在开孔时会损失很大的强度。复合材料零部件实际使用中，常需要开孔与别的部件连接。因此，飞机上使用的复合材料，必须对中心切出一个孔的试样的试验进行评估。我们根据ASTM-D6484对碳纤维塑料进行了开孔压缩试验。
ASTM D6484 聚合物基复合材料层压板开孔压缩强度试验
ASTM-D7078 V型切口剪切测试
为了减少试制次数，降低新产品开发的成本，计算机辅助工程（CAE）分析被广泛应用。为了提高对所设计产品的性能预测精度，需要采集各种数据，因此，在进行 CFRP 试验时，对于分别测量各断裂现象的试验方法的要求越来越高。评价复合材料的试验方法有多种。其中，作为面内剪切试验方法，以纤维强化复合材料的纤维方向或织物层压材料为目标，在设有缺口的样片上取非对称的 4 个点加载弯曲负荷的Iosipescu法（ASTM D5379），以及在±45?的层压材料上加载拉伸负荷的方法（ISO 14129）最为普及。本次试验使用 V-Notched Rail Shear 法（ASTM D7078），能够稳定进行面内剪切试验。另外，因样片的测量部位较大，可同时适用于无孔样片及短纤维系列 CFRP 层压材料的测量。
ASTM D7078 V型缺口轨道剪切法测定复合材料剪切强度试验
其他复合材料测试夹具展示
| 标准 |
ASTM D3039/3039M 聚合物基复合材料拉伸性能标准试验方法 |
|---|---|
| 实验目的 | 拉伸强度、 拉伸模量 、泊松比 |
| 试样 |
非连续或连续性纤维增强复合材料（高模量） 带或不带加强片试样均可 试样层压板相对于测试方向是平衡和对称 |
| 夹具 | 楔形拉伸夹具 |
| 备注 | 可配合使用应变片/引伸计 |
| 标准 |
ASTM D1781 滚筒剥离胶粘剂标准试验方法 |
|---|---|
| 实验目的 | 粘合强度 |
| 试样 |
W76.2 × L305(mm) |
| 夹具 | 滚筒剥离试验夹具 |
| 标准 |
ASTM D695 硬质塑料压缩性能的标准试验方法 |
|---|---|
| 实验目的 | 抗压强度、抗压屈服点、模量 |
| 试样 |
未增强和增强塑料的直圆柱体或棱柱体 长度是其主宽度或直径的两倍，薄试样使用右图支撑夹具 |
| 夹具 | 球座上压盘、ASTMD695夹具（如图）、刚性下压盘 |
| 备注 | 可配合使用应变片/引伸计 |
| 标准 |
ASTM D3410 剪切荷载法测定无支撑标准截面的聚合物基复合材料压缩性能的标准试验方法 |
|---|---|
| 实验目的 | 测定高模量纤维增强聚合物基复合材料平面内压缩性能 |
| 试样 |
仅限于连续纤维或非连续纤维增强复合材料，其弹性特性相对于试验方向具有正交各向异性 |
| 夹具 |
球座上压盘、ASTMD695夹具（如图）、刚性下压盘 通过试验夹具的楔形作用，压缩力通过剪切试样而产生。 |
| 备注 | 可配合使用应变片/引伸计 |
| 标准 |
ASTM D7137/7137M 受损聚合物复合材料层压板的压缩剩余强度性能试验 |
|---|---|
| 实验目的 | 压缩残余强度 |
| 试样 |
冲击试验被破坏后的试样（ASTM D7136标准） |
| 夹具 | 波音压缩冲击后试验夹具（如图）、刚性上压盘 |
| 备注 | 可配合使用应变测量装置 |
| 标准 |
ASTM D5379 用V型切口梁法测定复合材料剪切强度的标准试验方法 |
|---|---|
| 实验目的 | 复合材料的面内剪切强度、面内剪切破坏应变和面内剪切弹性模量 |
| 试样 |
W:19to20mm L:76mm T：4mm 缺口：深度4mm，角度90° |
| 夹具 |
组合加载压缩剪切试验夹具（如图） 刚性上压盘 |
| 备注 | 配合使用应变测量装置 |
| 标准 |
ASTM D4255 轨道剪切法研究聚合物基复合材料的面内剪切强度标准方法 |
|---|---|
| 实验目的 | 在2/3轨道试验中将层压板试样夹在荷载之间测定承受剪切载荷 |
| 试样 |
W: 76mm L: 152mm T: 1.27to3.17mm |
| 夹具 | 剪切试验夹具（如图：两轨道） |
| 标准 |
ASTM D6671 单向纤维增强聚合物基复合材料的混合I型II型层间断裂韧性的标准试验方法 |
|---|---|
| 实验目的 | 层间断裂强度和层间断裂韧性 |
| 试样 |
W:20 to 25 mm L:120 to 185 mm T:3 to 5 mm |
| 夹具 | MMB测试夹具 |
| 标准 |
ASTM D5528 单向纤维增强聚合物基复合材料的I型层间断裂韧性的标准试验方法 |
|---|---|
| 实验目的 | 断裂强度、层间断裂韧性 |
| 试样 |
W:20 to 25 mm L:120 to 185 mm T:3 to 5 mm |
| 夹具 | DC测试夹具 |
| 标准 |
JIS K7074 碳纤维增强塑料弯曲性能试验方法 |
|---|---|
| 实验目的 | 弯曲强度、弯曲模量 |
| 试样 |
L:100 mm±1 mm W:15 mm±0.2 mm T:2 mm±0.4 mm |
| 夹具 | 加载半径:5 mm，支撑半径:2 mm |
结语
岛津标准试验机，试验载荷从 1 N到600KN不等，可适应各种样品，如橡胶、塑料、复合材料、金属、木材、玻璃陶瓷等材料的板、棒、线、绳等样品。本文介绍了岛津试验机在复合材料测试中主要夹具。另外，岛津夹具设计团队还可以根据特殊需求和标准，设计、定制夹具，以满足复合材料行业客户需求，提高复合材料的研究深度和应用广度，同时助推产业结构优化升级，实现绿色发展。