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定向纖維增強聚合物基復合材料彎曲性能試驗


一、試驗方法概述


定向纖維增強聚合物基復合材料彎曲性能試驗具有至關重要的意義。在現代工程領域中,這類復合材料因其優異的性能,如高強度、高剛度等,被廣泛應用。準確測定其彎曲性能,能為材料的設計、生產和質量控制提供關鍵依據。
該試驗方法適用于連續纖維增強聚合物基復合材料層合板彎曲性能的測定。例如,在航空航天領域,層合板的彎曲性能直接關系到飛行器結構的穩定性和可靠性。同時,也適用于其他聚合物基復合材料,為不同行業的材料選擇和應用提供了標準的測試手段。
據統計,在航空領域中,采用定向纖維增強聚合物基復合材料的部件,其彎曲性能的優劣對飛行器的整體性能影響可達 30% 以上。這凸顯了準確進行彎曲性能試驗的重要性,以確保材料在實際應用中能夠承受各種復雜的力學環境。

二、試驗依據及設備


(一)規范性引用文件

本試驗依據的文件主要有 GB/T1446《纖維增強塑料性能試驗方法總則》和 GB/T3961《纖維增強塑料術語》。凡是注日期的引用文件,僅注日期的版本適用于本文件;凡是不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改單)適用于本文件。這些文件為定向纖維增強聚合物基復合材料彎曲性能試驗提供了規范和標準,確保試驗的準確性和可靠性。

(二)試驗設備


試驗機與測試儀器:試驗機和測試儀器應符合 GB/T1446 的規定。GB/T1446 對試驗機載荷相對誤差不得超過 ±1%,確保了試驗數據的準確性。同時,對于力學性能用試驗設備,應保證試驗機能夠準確施加載荷,記錄試樣的變形等參數。

對于加載頭與支座,半徑為 3mm,對 0° 單向纖維增強復合材料層合板試樣,加載頭與支座的半徑可采用 5mm。推薦加載頭和支座硬度為 HRC40~45。這樣的設計可以保證在試驗過程中,加載頭和支座能夠穩定地支撐試樣,同時不會對試樣造成過度的損傷。


環境箱:環境箱的控制精度應滿足試驗要求,經計量檢定合格且在有效期內使用。環境箱可以模擬不同的環境條件,如溫度、濕度等,以研究環境因素對復合材料彎曲性能的影響。例如,在一些特殊的應用場景中,復合材料可能會受到極端溫度或濕度的影響,通過環境箱的模擬,可以更好地了解材料在這些條件下的性能表現。

三、試樣要求


(一)形狀與尺寸

試樣形狀主要為矩形長條狀。對于聚合物基復合材料推薦的試樣尺寸要求如下:厚度一般為 4mm,寬度為 12.5±0.2mm(對于織物增強的紡織復合材料,試樣的寬度至少應為兩個單胞),長度根據跨厚比要求確定。跨厚比對于碳纖維增強復合材料為 32:1,玻璃纖維和芳綸增強復合材料為 16:1,如出現層間剪切破壞時可增加跨厚比。機械加工邊緣的粗糙度 Ra 值不應大于 3.2μm。試樣數量每組有效試樣應不少于 5 個。

(二)狀態調節

干態試樣:試驗前,試樣在實驗室標準環境條件下至少放置 24h。實驗室標準環境條件按照 GB/T1446 中的規定,一般為溫度相對穩定、濕度適中的環境。


濕態試樣:試驗前,應在規定的溫度和濕度條件下使試樣達到所要求的吸濕狀態。推薦的溫度和濕度條件為溫度 70℃±3℃,相對濕度 (85±5)%。濕態試樣狀態調節結束后,應將試樣用濕布包裹放入密封袋內,直到進行力學試驗,試樣在密封袋內的儲存時間應不超過 14d。這樣的狀態調節要求是為了確保試樣在不同狀態下的性能表現能夠真實反映材料在實際應用中的情況。

四、試驗條件


(一)環境條件

實驗室標準環境條件:實驗室標準環境條件按照 GB/T1446 中的規定,為確保試驗結果的準確性和可重復性提供了穩定的環境基礎。


非實驗室標準環境條件


高溫試驗環境條件:首先將環境箱和試驗夾具預熱到規定的溫度,然后將試樣加熱到規定的試驗溫度,并用與試樣工作段直接接觸的溫度傳感器加以校驗。對干態試樣,在試樣達到試驗溫度后,保溫 5min~10min 開始試驗;而對濕態試樣,在試樣達到試驗溫度后,保溫 2min~3min 開始試驗。試驗中試樣溫度保持在規定試驗溫度的 ±3℃范圍內。


低溫試驗環境條件:首先將環境箱和試驗夾具冷卻到規定的溫度,然后將試樣冷卻到規定的試驗溫度,并用與試樣工作段直接接觸的溫度傳感器加以校驗。在試樣達到試驗溫度后,保溫 5min~10min 開始試驗。試驗中試樣溫度保持在規定試驗溫度的 ±3℃范圍內。

(二)加載速度

一般情況:對于一般的定向纖維增強聚合物基復合材料彎曲性能試驗,加載速度推薦為:a) 1mm/min~2mm/min;b) 5mm/min~10mm/min。


特殊情況:當需要對特定材料或在特定環境下進行試驗時,加載速度可能需要根據實際情況進行調整。例如,對于一些高強度的復合材料,為了更準確地測量其彎曲性能,可能需要采用較低的加載速度;而對于一些對時間要求較高的試驗,可能需要采用較高的加載速度。

總之,合理選擇試驗環境條件和加載速度,對于準確測定定向纖維增強聚合物基復合材料的彎曲性能至關重要。在實際試驗中,應根據材料的特性、試驗目的和標準要求,綜合考慮各種因素,以確保試驗結果的可靠性和有效性。

五、試驗方法


(一)三點彎曲法

三點彎曲法是定向纖維增強聚合物基復合材料彎曲性能試驗的重要方法之一。其加載示意圖通常如下:兩個支座位于兩端,一個加載頭位于試樣中部上方。加載頭與支座的半徑一般為 3mm,對 0° 單向纖維增強復合材料層合板試樣,加載頭與支座的半徑可采用 5mm。
具體操作如下:將試樣放置在兩個支座上,確保試樣與支座良好接觸。然后,通過試驗機對試樣中部的加載頭施加垂直向下的載荷。加載速度可根據試驗要求選擇,一般推薦為 1mm/min~2mm/min 或 5mm/min~10mm/min。在加載過程中,要密切觀察試樣的變形情況,記錄載荷和位移數據。
例如,根據相關試驗數據,采用三點彎曲法對某種定向纖維增強聚合物基復合材料進行測試,當加載速度為 2mm/min 時,隨著載荷的增加,試樣的變形逐漸增大,最終在達到一定載荷時發生破壞。通過對試驗數據的分析,可以得到該材料的彎曲強度、彎曲模量等性能參數。

(二)四點彎曲法

四點彎曲法即方法 B,在定向纖維增強聚合物基復合材料彎曲性能試驗中也有廣泛應用。其加載示意圖為:在試樣上有兩個加載頭和兩個支座,兩個加載頭位于試樣中部,兩個支座分別位于試樣兩端。
操作要點如下:首先,將試樣放置在兩個支座上,調整位置使其穩定。然后,通過試驗機同時對兩個加載頭施加垂直向下的載荷。加載頭與支座的長度、半徑等參數需符合標準要求,一般加載頭和支座長度為 60mm,半徑為 3mm。對于方法 B 壓板長度為 120mm。同樣,加載速度可根據實際情況選擇推薦值。在試驗過程中,要準確記錄載荷和位移數據,以便后續分析計算材料的彎曲性能參數。
例如,在某實際工程應用中,采用四點彎曲法對特定的定向纖維增強聚合物基復合材料進行測試,通過合理控制加載速度和環境條件,得到了準確的彎曲性能數據,為該材料在工程中的應用提供了可靠依據。

六、計算與報告


(一)計算方法

彎曲強度計算

彎曲模量計算

推薦應變范圍:計算彎曲模量時,推薦的應變范圍為 0.001~0.003。在這個范圍內進行計算,可以更準確地反映材料的彎曲性能。

(二)試驗報告內容

基本信息:試驗報告應包含試驗名稱、試驗日期、試驗地點、試驗人員等基本信息,以便于對試驗進行追溯和查詢。


試樣信息:詳細描述試樣的類型、尺寸、狀態(干態或濕態)等信息。例如,對于聚合物基復合材料試樣,應注明其厚度為 4mm,寬度為 12.5±0.2mm,長度根據跨厚比確定等。同時,還應說明試樣的加工方法和邊緣粗糙度等。


試驗設備信息:記錄試驗機和測試儀器的型號、精度等信息,以及環境箱的控制精度和使用狀態。例如,試驗機的載荷精度要求控制在 ±1%以內,環境箱經計量檢定合格且在有效期內使用等。


試驗條件:明確試驗的環境條件,包括實驗室標準環境條件和非實驗室標準環境條件下的溫度、濕度等參數。同時,記錄加載速度的選擇情況。


試驗結果:列出試驗得到的彎曲強度、彎曲模量等性能參數,并注明計算方法和應變范圍。如有需要,還可以附上試驗過程中的載荷 - 位移曲線等圖表,以便更直觀地展示材料的彎曲性能。


結論與分析:對試驗結果進行分析和總結,評價材料的彎曲性能是否符合要求。同時,可以提出對材料改進和優化的建議,為后續的研究和應用提供參考。


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