復(fù)合材料力學(xué)壓縮性能實驗教學(xué)研究與探索

李立兵

摘要：復(fù)合材料力學(xué)壓縮性能實驗與金屬材料力學(xué)壓縮性能實驗不同，由于其影響因素多、實驗實施過程復(fù)雜等原因，實驗比較難以得到準(zhǔn)確數(shù)據(jù)而且實驗教學(xué)效果也不好。文章針對復(fù)合材料力學(xué)壓縮性能實驗教學(xué)中存在的問題進行了分析與研究，結(jié)合國內(nèi)外復(fù)合材料壓縮性能試驗的現(xiàn)狀與自身教學(xué)實踐，探索性地給出了復(fù)合材料力學(xué)壓縮性能實驗教學(xué)中問題的解決方法，并通過自身實驗教學(xué)驗證取得了比較好的效果。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料力學(xué);壓縮性能;實驗教學(xué)

中圖分類號：G642.0? ? ?文獻標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2019）51-0118-02

一、引言

復(fù)合材料[1]是由兩種以上不同材料通過復(fù)合工藝組合而成的新型材料。具有重量輕、比強度高、比剛度高、加工成型方便以及熱穩(wěn)定性能、抗疲勞性能和減振性能好等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、化工、紡織、建筑、健身器材等領(lǐng)域。普通工程金屬材料通常具有各向同性和均質(zhì)特點，而復(fù)合材料則不同，它一般具有各向異性和非均質(zhì)特點。復(fù)合材料的性能取決于合理設(shè)計和合理復(fù)合工藝。通過合理設(shè)計，在所需要的方向上增大材料的強度和剛度，消除材料的冗余，最大限度地發(fā)揮材料的潛力。通過合理控制復(fù)合工藝方法、參數(shù)和過程，最大限度地保證材料產(chǎn)品的一致性。由于材料成形工藝過程中很難準(zhǔn)確控制工藝參數(shù)，因此同批次材料的性能分散性較大。另外，復(fù)合材料在成形工藝過程中形成的缺陷對材料的力學(xué)性能影響也大。因此，在工程應(yīng)用中對復(fù)合材料力學(xué)性能的測定就變得十分重要，而其中復(fù)合材料壓縮性能測定，由于影響因素多、試驗實施過程復(fù)雜等原因[2]，比較難以測得準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。作為復(fù)合材料力學(xué)壓縮性能實驗教學(xué)，就很有必要研究與探索如何讓學(xué)生掌握此實驗的技術(shù)，達到實驗教學(xué)目的。金屬材料力學(xué)壓縮性能實驗[3]比較簡單，實施過程也比較方便，首先根據(jù)國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制作圓柱形試樣，例如低碳鋼壓縮試樣高度與直徑之比為3∶2，鑄鐵壓縮試樣高度與直徑之比為2∶1，然后在萬能材料試驗機上進行加載實驗，實驗加載過程中試樣兩端必須保持平行，且與軸線垂直，最后觀察金屬壓縮變形和破壞形式與理論分析結(jié)果相吻合。

二、復(fù)合材料力學(xué)壓縮實驗中教學(xué)問題研究

目前，復(fù)合材料力學(xué)性能實驗為復(fù)合材料力學(xué)課程課內(nèi)實驗，而不是獨立的一門實驗課程，這與金屬材料力學(xué)實驗課程不同。壓縮性能實驗是其中力學(xué)性能的一個實驗項目，實驗主要作用是驗證復(fù)合材料壓縮理論，是課堂教學(xué)的一個補充。研究發(fā)現(xiàn)存在以下幾個問題：

1.實驗教學(xué)模式與學(xué)生能力培養(yǎng)相背離。壓縮性能實驗作為復(fù)合材料力學(xué)壓縮理論教學(xué)的補充，經(jīng)過多年教學(xué)跟蹤發(fā)現(xiàn)學(xué)生在實驗教學(xué)過程中，由于實驗教學(xué)時間短，不能參與實驗準(zhǔn)備，一直處于被動學(xué)習(xí)狀態(tài)，通常做完實驗，處理一下實驗數(shù)據(jù)，提交一個報告就結(jié)束了。等到畢業(yè)設(shè)計進入科研階段學(xué)習(xí)的時候，要做相同材料力學(xué)性能實驗，學(xué)生又不會做了。這表明實驗教學(xué)只顧驗證理論教學(xué)不行，忽略了對學(xué)生實踐和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

2.實驗教學(xué)內(nèi)容與實驗方法有待改進。復(fù)合材料壓縮性能比其他力學(xué)性能難測定。自20世紀(jì)70年代初期以來，有關(guān)復(fù)合材料壓縮性能的研究項目和試驗課題一直在進行，迄今為止，已建立了多項用于測試復(fù)合材料壓縮性能的試驗標(biāo)準(zhǔn)，其中包括美國ASTM標(biāo)準(zhǔn)、材料供應(yīng)商SACMA標(biāo)準(zhǔn)和中國國家標(biāo)準(zhǔn)等，而且不同標(biāo)準(zhǔn)其壓縮試驗方法和使用的夾具也不同，但是沒有一個統(tǒng)一的壓縮性能試驗方法。在實驗教學(xué)實施過程中，一本指導(dǎo)書一直沿用，多年不變，沒有及時進行壓縮性能試驗方法和內(nèi)容的更新。

3.實驗考核內(nèi)容有待改進。正在進行的“雙一流”建設(shè)，要求大學(xué)培養(yǎng)拔尖創(chuàng)新人才。實驗室作為大學(xué)生能力培養(yǎng)的前沿，實驗教學(xué)考核內(nèi)容不能僅限于提交一份實驗報告，還要包含能力培養(yǎng)考核。只有這樣才能達到以能力培養(yǎng)的實驗教學(xué)目標(biāo)，而不是簡單驗證一下理論。

三、復(fù)合材料力學(xué)壓縮實驗教學(xué)模式探索

針對目前復(fù)合材料力學(xué)壓縮實驗教學(xué)中存在的不足，對照“雙一流”建設(shè)對人才培養(yǎng)的要求，結(jié)合學(xué)校學(xué)生和實驗室的實際情況，在以下幾個方面做了探索：

1.改進實驗教學(xué)模式。以創(chuàng)新能力培養(yǎng)為目標(biāo)，調(diào)整壓縮性能實驗教學(xué)內(nèi)容，在原有理論驗證的同時適當(dāng)增加能力培養(yǎng)環(huán)節(jié)。由于上課課時有限，目前還無法獨立開設(shè)實驗課，因此能力培養(yǎng)環(huán)節(jié)暫放在課后執(zhí)行，作為課堂實驗教學(xué)的補充。

2.改進實驗教學(xué)內(nèi)容與實驗方法。相對于復(fù)合材料其他力學(xué)性能測定，壓縮性能測定由于影響因素多、試驗實施過程復(fù)雜等原因，比較難以測準(zhǔn)。因此必須結(jié)合實驗對象、實驗標(biāo)準(zhǔn)和實驗設(shè)備等，選擇合適的實驗教學(xué)內(nèi)容，采用合適的實驗方法，準(zhǔn)確完成壓縮性能指標(biāo)的測定，達到實驗教學(xué)目的。（1）在選擇實驗對象上，根據(jù)目前復(fù)合材料中應(yīng)用最廣、用量最大的纖維增強材料，其特點是比重小、比強度和比模量大，采用碳纖維與環(huán)氧樹脂復(fù)合的材料制作壓縮試樣?？紤]到復(fù)合材料的性能取決于合理設(shè)計和合理復(fù)合工藝，試樣用碳纖維材料由學(xué)生在復(fù)合材料工藝實驗課中制造獲得，采用單向預(yù)浸料多層碳纖維層合板?？紤]到制造過程中產(chǎn)生缺陷對材料壓縮性能的影響，在試樣切割之前，進行超聲無損檢測。試樣制備過程中，需要注意試樣厚度是否均勻、尺寸是否準(zhǔn)確，以及形位公差是否滿足圖紙要求等，這是確保實驗數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的關(guān)鍵因素之一。（2）在選擇實驗標(biāo)準(zhǔn)上，根據(jù)目前國內(nèi)外現(xiàn)有復(fù)合材料壓縮性能試驗標(biāo)準(zhǔn)多的特點，確定了一個國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)作為實驗標(biāo)準(zhǔn)，這里選擇GB/T 5258-2008纖維增強塑料面內(nèi)壓縮性能試驗方法，該標(biāo)準(zhǔn)包含復(fù)合材料壓縮性能試驗通用全部三種加載方式（剪切加載、端部加載和聯(lián)合加載）和試驗方法。原來壓縮實驗采用的是ASTM D695標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)只是采用端部加載的方式。通過此環(huán)節(jié)既規(guī)范了實驗的內(nèi)容和實驗方法，又拓寬了知識面。（3）在實驗設(shè)備上，主要考慮現(xiàn)有的萬能材料試驗機主要應(yīng)用于金屬材料力學(xué)性能測試，載荷大、夾具少，不太適合復(fù)合材料力學(xué)性能試驗。因此，在教學(xué)實驗過程中，必須使用專用復(fù)合材料夾具。實驗過程中，要注意三點：①合適試樣夾緊力（用扭力扳手控制試樣加載的夾緊力）;②確保試樣對中（確保設(shè)備加載壓力作用線與試樣軸線重合）;③合適加載速度（在應(yīng)變計算范圍內(nèi)加載速度不要快）。這三個注意點是確保實驗數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的關(guān)鍵因素之二。

3.改進實驗考核內(nèi)容。實驗教學(xué)考核分為兩個部分：課內(nèi)與課后。課內(nèi)主要考核學(xué)生實驗與實驗數(shù)據(jù)處理能力;課后主要考核學(xué)生的實踐和創(chuàng)新能力。實驗成績不僅僅看實驗報告，同時還包括項目研究的成績。

四、結(jié)論

本文針對復(fù)合材料力學(xué)壓縮性能實驗教學(xué)中存在的問題進行了分析與研究，結(jié)合國內(nèi)外復(fù)合材料壓縮性能試驗的現(xiàn)狀與自身教學(xué)實踐，探索性地給出了復(fù)合材料力學(xué)壓縮性能實驗教學(xué)中問題的解決方法，并通過自身實驗教學(xué)驗證，取得了比較好的效果。

參考文獻：

[1]師昌緒.材料大辭典[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1994.

[2]陳新文，王海鵬，等.聚合物基復(fù)合材料力學(xué)試驗的一些關(guān)鍵問題[J].纖維復(fù)合材料，2013，（4）：31-40.

[3]劉鴻文，呂榮坤.材料力學(xué)實驗[M].北京：高等教育出版社，2006.