組合式加載方法測(cè)試樹脂基復(fù)合材料壓縮性能的探究

秦建彬，張 璋，張廣成，史學(xué)濤

(1.西北工業(yè)大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，陜西 西安 710129；2.航空工業(yè)第一飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710089)

纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料以其輕質(zhì)高強(qiáng)、耐疲勞、抗腐蝕等優(yōu)良特性在航空航天等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1-4]。纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料層壓板的各項(xiàng)力學(xué)性能是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造和使用維護(hù)的基本參數(shù)，而其結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)性決定了纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料從材料研發(fā)、工藝驗(yàn)證等基礎(chǔ)研究到工程應(yīng)用，需要開展大量的基本力學(xué)性能(拉伸性能、壓縮性能、彎曲性能、面內(nèi)剪切性能、層間剪切性能等)測(cè)試與評(píng)定工作，從而為新材料研發(fā)、質(zhì)量控制和設(shè)計(jì)計(jì)算提供重要依據(jù)。但是，不同測(cè)試方法往往對(duì)纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料測(cè)試結(jié)果有重要的影響，特別對(duì)于纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的壓縮性能測(cè)試表征，是其中難度和爭(zhēng)議比較大的測(cè)試項(xiàng)目之一[5-6]。影響纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料壓縮載荷下響應(yīng)的因素包括：材料種類、材料制備和敷貼方法、敷層順序、試件制備、試件狀態(tài)調(diào)節(jié)、試驗(yàn)環(huán)境、試驗(yàn)速度、空隙含量和增強(qiáng)體的體積百分比等。因此，研究復(fù)合材料壓縮性能的測(cè)試方法及其影響因素，對(duì)提高纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料壓縮性能測(cè)試的準(zhǔn)確性、可靠性和易操作性具有重要意義，同時(shí)對(duì)材料及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

目前，對(duì)于纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的壓縮性能測(cè)試，已形成了不同的、成熟的標(biāo)準(zhǔn)體系。如國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 3856《單向纖維增強(qiáng)塑料平板壓縮性能試驗(yàn)方法》[7]、GB/T 1448《纖維增強(qiáng)塑料壓縮性能試驗(yàn)方法》[8]、GB/T 5258《纖維增強(qiáng)塑料薄層板壓縮性能試驗(yàn)方法》[9]和HB 5485《碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料薄板壓縮性能試驗(yàn)方法》[10]；國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)：ISO 14126《纖維增強(qiáng)復(fù)合材料-面內(nèi)壓縮性能的測(cè)量》[11]；美國(guó)試驗(yàn)和材料協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)：ASTM D 3410《通過(guò)剪切加載測(cè)量復(fù)合材料壓縮性能的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》[12]和ASTM D 6641《通過(guò)復(fù)合加載壓縮(CLC)測(cè)試夾具確定復(fù)合材料壓縮性能的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》[13]；先進(jìn)材料供應(yīng)商協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)：SACMA SRM 1R《定向纖維-樹脂復(fù)合材料壓縮性能的SACMA推薦試驗(yàn)方法》[14]和SACMA SAR 6《定向正交鋪層纖維-樹脂復(fù)合材料壓縮性能的SACMA推薦試驗(yàn)方法》[15]等。不同的標(biāo)準(zhǔn)體系，其壓縮性能測(cè)試方法有所異同，根據(jù)載荷引入試驗(yàn)件的方式，主要分為3種：① 通過(guò)剪切將載荷引入試驗(yàn)件，如GB/T 3856、ASTM D 3410、ISO 14126和GB/T 5258中的A型夾具剪切加載方式(如圖1(a)所示)[7,9,11-12]；② 通過(guò)端部垂向加壓將載荷引入試驗(yàn)件，如SACMA SAR 1R/6、ISO 14126和GB/T 5258中的C型夾具端部加載方式(如圖1(b)所示)[9,11,14-15]；③ 通過(guò)剪切和端部同時(shí)將載荷引入試驗(yàn)件的方法，如ASTM D 6641和GB/T 5258中的組合式加載方式(如圖2所示)，HB 5485(碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料薄板壓縮性能試驗(yàn)方法)中混合加載試驗(yàn)夾具(如圖3所示)[9-10,13]。

圖1 壓縮性能測(cè)試的測(cè)試夾具

圖2 壓縮性能測(cè)試的組合式加載測(cè)試夾具

圖3 HB5485混合加載壓縮夾具示意圖(單位：mm)[9]

纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料壓縮失穩(wěn)失效導(dǎo)致破壞機(jī)理的復(fù)雜性以及不同標(biāo)準(zhǔn)體系規(guī)定的測(cè)試方法不同[16-17]，即使相同的材料體系，不同測(cè)試方法得出的壓縮性能往往偏差很大。而且，即使采用統(tǒng)一的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，不同測(cè)試人員或者不同測(cè)試單位得出的測(cè)試結(jié)果也會(huì)產(chǎn)生一定偏差。比如針對(duì)同一批次碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層合板，歐洲六家實(shí)驗(yàn)室參照同樣的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法，聯(lián)合完成對(duì)其壓縮性能的試驗(yàn)，壓縮強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果竟然大相徑庭，最大偏差竟然超過(guò)了100%[6]。究其原因，除壓縮性能測(cè)試破壞機(jī)理復(fù)雜外，測(cè)試方法、測(cè)試夾具、試驗(yàn)操作人員等因素對(duì)測(cè)試結(jié)果有不可忽視的影響。對(duì)于纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料壓縮性能的剪切加載測(cè)試方法，兩側(cè)剪切應(yīng)力的大小不同極易導(dǎo)致試驗(yàn)件工作段產(chǎn)生彎矩而過(guò)早失穩(wěn)破壞。而且該測(cè)試方法操作不便，如上部雙夾持塊因重力下滑、側(cè)面對(duì)中難以控制等，易引入操作因素引起的測(cè)試結(jié)果偏差；且該方法只能使用應(yīng)變片(無(wú)法使用引伸計(jì))測(cè)模量等，高溫高濕環(huán)境對(duì)應(yīng)變片粘貼提出了較高要求。但是，端部加載方式測(cè)試壓縮性能時(shí)容易在端部產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，試驗(yàn)件端部需要特殊加工，且容易出現(xiàn)端部破壞，使測(cè)試結(jié)果可靠性下降。通過(guò)組合式加載可以同時(shí)弱化剪切加載兩側(cè)的剪切應(yīng)力不均和端部加載時(shí)的端部應(yīng)力較大的問(wèn)題。對(duì)于單向纖維增強(qiáng)等高強(qiáng)度復(fù)合材料，組合式加載試驗(yàn)方法與剪切加載或端部加載試驗(yàn)方法相當(dāng)；對(duì)于強(qiáng)度稍低的復(fù)合材料，即使不使用加強(qiáng)片，組合式加載試驗(yàn)方法明顯優(yōu)于其他兩種加載方式[16,18]。

近年相關(guān)研究也表明，通過(guò)引入加強(qiáng)片和提高試樣尺寸精度，利用該方法得到的壓縮強(qiáng)度和壓縮模量指標(biāo)均具有較高的可信度[16]。因此，目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的壓縮性能測(cè)試大多推薦采用組合式加載夾具進(jìn)行(包括ASTM D 6641和GB/T 5258中的第3種方法)[16,18]。但是，隨著高強(qiáng)高模碳纖維在樹脂基復(fù)合材料中的工程化應(yīng)用，比如T800級(jí)以上碳纖維，其復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度達(dá)到1.5 GPa以上[16]，從而要求側(cè)面剪切應(yīng)力和端部壓力同等大幅增加，對(duì)組合式加載夾具提出了更嚴(yán)苛的要求。為了進(jìn)一步提高組合加載測(cè)試高強(qiáng)度碳纖維復(fù)合材料壓縮性能的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，首先需要明晰影響該測(cè)試方法穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性的影響因素。

1 組合式加載測(cè)試影響因素分析

組合式加載壓縮夾具測(cè)試聚合物基復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度和剛度性能時(shí)，根據(jù)試樣有無(wú)加強(qiáng)片可分為兩種：方法A，無(wú)加強(qiáng)片；方法B，帶加強(qiáng)片。無(wú)加強(qiáng)片試樣通常適用于低正交各向異性材料，如織物、短切纖維復(fù)合材料和0°層最多為50%或與之等效的層壓板。對(duì)于較高正交各向異性的材料，包括單向復(fù)合材料通常需要帶加強(qiáng)片。無(wú)論采用何種方法，必須確保試驗(yàn)過(guò)程中試樣端部無(wú)壓塌現(xiàn)象。組合式加載測(cè)試夾具如圖3所示，典型試驗(yàn)件的長(zhǎng)度為(140±0.03)mm，寬度為(13±0.06)mm。為避免工作段過(guò)早屈曲，試驗(yàn)件工作段長(zhǎng)度以不超過(guò)13 mm為宜，試樣厚度根據(jù)復(fù)合材料構(gòu)成不同而變化，一般厚度須滿足防止歐拉柱屈曲的發(fā)生[13]。組合式加載方法測(cè)試?yán)w維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料壓縮性能的影響因素具體分析如下。

1.1 試樣尺寸因素

考慮到壓縮試驗(yàn)中復(fù)雜的破壞機(jī)制和特殊的失穩(wěn)破壞模式[17]，要求試樣具有較高的尺寸精度，主要包括試樣軸向平行度、端部面平行度和端面與試樣軸向的垂直度、加強(qiáng)片尺寸、工作段尺寸等。首先本試驗(yàn)方法要求試件端部承受部分載荷，如其他端部加載試驗(yàn)方法要求一致，端部必須加工成平面，且兩端部平面需要較高的平行度。平行度差的試樣在壓縮試驗(yàn)過(guò)程中容易在試樣端部產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致根部過(guò)早被壓碎破壞。如在GB/T 5258中要求平行度應(yīng)不大于0.1%的初始試樣高度[9]；在ASTM D 6641中嚴(yán)格要求試樣兩端面的平行度在0.03 mm以內(nèi)[13]。纖維取向要求與試樣軸向嚴(yán)格平行，并確保與端面垂直。如果端面與試樣軸向垂直度差，加載后期容易產(chǎn)生試樣的附加彎曲或者屈曲，導(dǎo)致試樣過(guò)早破壞而使試驗(yàn)失效。如在GB/T 5258中要求垂直度不大于0.1 %的初始試樣高度，對(duì)單向纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，試樣軸線與纖維方向偏差不能超過(guò)0.5°[9]；在ASTM D 6641中嚴(yán)格要求試樣兩端面與其軸向的垂直度在0.03 mm以內(nèi)[13]。對(duì)于方法B中加強(qiáng)片的粘貼也有嚴(yán)格要求，膠接后必須保證試樣一側(cè)兩片加強(qiáng)片及膠層的厚度一致，特別是膠接過(guò)程中對(duì)膠層厚度及加強(qiáng)片表面粗糙度等的控制。如果試樣一側(cè)加強(qiáng)片厚度不一致，試樣被夾持后容易在其一側(cè)引入附加彎矩，導(dǎo)致試樣過(guò)早失穩(wěn)破壞而使試驗(yàn)失效。另外，相對(duì)于試件工作段長(zhǎng)度不宜太薄，否則將產(chǎn)生歐拉柱狀屈曲，從而導(dǎo)致較大誤差和偏低的壓縮強(qiáng)度[13]。在這種情況下需要增加試件厚度或減小工作段長(zhǎng)度，同時(shí)需要保證足夠的工作段長(zhǎng)度以安裝引伸計(jì)或粘貼應(yīng)變片。實(shí)際壓縮測(cè)試中，需要背對(duì)粘貼雙應(yīng)變片監(jiān)控工作區(qū)的彎曲或屈曲變形。

1.2 試驗(yàn)件安裝操作因素

在組合式加載方法測(cè)試?yán)w維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料壓縮性能的試樣安裝過(guò)程中，試樣的對(duì)中度和垂直度、夾持力大小及均勻性等對(duì)測(cè)試結(jié)果也有重要影響。首先，試樣對(duì)中度不良，可能導(dǎo)致加載力側(cè)向偏移，使工作段產(chǎn)生側(cè)向彎矩，導(dǎo)致試樣過(guò)早破壞而使試驗(yàn)失效。試樣安裝的垂直度等同試樣兩端部平面的平行度對(duì)該測(cè)試結(jié)果的影響，垂直度差時(shí)，試樣上下端加載面不平行，端部局部應(yīng)力集中，導(dǎo)致端部壓碎或壓縮屈服破壞，無(wú)法得到有效試驗(yàn)結(jié)果。另外，垂直度差的試樣在受壓縮載荷時(shí)容易在工作段產(chǎn)生彎矩，進(jìn)而導(dǎo)致試樣過(guò)早破壞而使試驗(yàn)失效。最后，側(cè)向擰緊螺母時(shí)的擰緊力大小也會(huì)對(duì)組合式加載壓縮測(cè)試方法產(chǎn)生影響。側(cè)向夾持力偏小可能導(dǎo)致試樣端部壓縮破壞，夾持力偏大會(huì)引起試樣工作段根部的應(yīng)力集中，兩者都會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果的失效。一般無(wú)加強(qiáng)片試件可能需要更高的夾持力，以防止根部壓碎。另外夾持力不均勻可能造成兩側(cè)面剪切力不均，導(dǎo)致試樣工作段產(chǎn)生彎矩，使試樣過(guò)早破壞而使試驗(yàn)失效。如在ASTM D 6641中嚴(yán)格要求對(duì)夾具的每一端以對(duì)角線的方式逐次擰緊螺栓，螺栓擰緊力矩增量分3次或4次，直至最大力矩為2.5～3.0 N·m[13]。

1.3 壓縮應(yīng)變測(cè)量方法因素

軸向壓縮應(yīng)變的準(zhǔn)確測(cè)量是計(jì)算表征纖維增強(qiáng)復(fù)合材料壓縮模量的前提，軸向壓縮應(yīng)變測(cè)試方法對(duì)其準(zhǔn)確測(cè)量有一定的影響。纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料應(yīng)變測(cè)試表征一般可采用電阻式應(yīng)變片、引伸計(jì)(包括電子引伸計(jì)和視頻引伸計(jì))、振弦傳感器、光柵傳感器及千分表等，目前主要是采用前兩者。電阻式應(yīng)變片是由敏感柵構(gòu)成的電阻元件，使用時(shí)將其粘貼在試樣工作區(qū)，試樣受力后產(chǎn)生變形，應(yīng)變片敏感柵也隨之變形導(dǎo)致其電阻發(fā)生變化，由動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀將測(cè)得的電阻變化轉(zhuǎn)換成應(yīng)變值[19-20]。電阻應(yīng)變片具有分辨率高、可測(cè)極微小應(yīng)變、設(shè)計(jì)性強(qiáng)、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，在目前復(fù)合材料應(yīng)變測(cè)量中使用最頻繁。但由于應(yīng)變片與試樣需要膠粘劑粘貼，應(yīng)變片的粘貼平行度、膠層厚度、膠接強(qiáng)度等對(duì)測(cè)試結(jié)果穩(wěn)定性有一定影響。且應(yīng)變片只能測(cè)量試樣工作段極小區(qū)域的變形值，因此應(yīng)變片尺寸大小的選擇受試樣表面結(jié)構(gòu)單元尺寸的影響，應(yīng)變片尺寸選擇不合適易導(dǎo)致變形結(jié)果出現(xiàn)較大誤差。特別是經(jīng)濕態(tài)處理后的試樣，表面水分的存在對(duì)應(yīng)變片的膠接提出了較高挑戰(zhàn)。高低溫環(huán)境下，其膠接層與試樣膨脹系數(shù)的匹配性對(duì)變形測(cè)量的準(zhǔn)確性也有一定影響。

電子引伸計(jì)由應(yīng)變片、變形傳遞桿、彈性元器件、鉗口和固定彈簧等組成。工作原理是應(yīng)變片將彈性元器件發(fā)生的形變轉(zhuǎn)換為電阻變化，處理器中放大電路將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)得到變形值。電子引伸計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、裝夾操作方便、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，不受試樣表面狀態(tài)的影響，其測(cè)得的變形是試樣工作段標(biāo)距范圍內(nèi)的平均值，具有一定的代表性，因此在復(fù)合材料力學(xué)性能測(cè)試中使用率也較高。相比引伸計(jì)測(cè)量復(fù)合材料變形的方法，采用應(yīng)變片時(shí)可能會(huì)受測(cè)試精度與膠層厚度的影響，其采集應(yīng)變信號(hào)時(shí)存在延時(shí)效應(yīng)，測(cè)得變形值偏低[19]。

在組合式加載測(cè)試方法中，其要求的試樣工作段區(qū)域較小(<13 mm)，對(duì)應(yīng)變片粘貼及電子引伸計(jì)的裝夾帶來(lái)一定挑戰(zhàn)。對(duì)于采用應(yīng)變片測(cè)量壓縮應(yīng)變的方法中，要求在狹小空間內(nèi)粘貼的應(yīng)變片電阻率無(wú)偏差、與試樣軸線平行、膠層厚度適宜、片底無(wú)氣泡等。對(duì)于采用電子引伸計(jì)測(cè)量壓縮應(yīng)變的方法，面臨的最大問(wèn)題是適用于壓縮試樣較小工作段的小標(biāo)距電子引伸計(jì)。

2 組合式加載測(cè)試夾具改進(jìn)與評(píng)估

2.1 夾具改進(jìn)方案

通過(guò)以上對(duì)組合式加載測(cè)試聚合物基復(fù)合材料壓縮性能方法影響因素的分析可以看出，除試樣加工影響其最終測(cè)試結(jié)果以外，試驗(yàn)人員操作誤差和變形測(cè)量方法也是對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生重要影響的關(guān)鍵因素。因此，對(duì)組合式加載測(cè)試夾具進(jìn)行一定改進(jìn)，一方面期望提高其精度和操作簡(jiǎn)便性，從而提高試驗(yàn)人員操作的精確度，削弱人為操作產(chǎn)生的結(jié)果誤差。另一方面期望使其適用引伸計(jì)測(cè)量軸向壓縮變形，提高變形測(cè)試的準(zhǔn)確性和環(huán)境適應(yīng)性。

在長(zhǎng)期測(cè)試試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以國(guó)標(biāo)GB/T 5258和美標(biāo)ASTM D 6641中規(guī)定的夾具結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，對(duì)組合式加載壓縮測(cè)試夾具進(jìn)行了如下改進(jìn)，具體如圖4所示。

圖4 組合式加載夾具的優(yōu)化與改進(jìn)

① 導(dǎo)向桿的改進(jìn)：使用滾珠絲杠作導(dǎo)向桿取代原圓柱金屬導(dǎo)桿，減小滾珠絲杠與夾塊的摩擦力和間隙，確保加載過(guò)程中上下夾塊的垂直度，從而確保加載的精度及載荷與試樣軸向的一致性。

② 試樣安裝定位銷：組合式加載夾具夾持面上下設(shè)置定位銷，試樣安裝時(shí)緊靠定位銷即可保證試樣的垂直度和對(duì)中度，簡(jiǎn)化了試樣安裝過(guò)程，提高了試樣安裝的精度，極大地降低了試驗(yàn)操作誤差。

③ 倒齒型夾持面：目前隨碳纖維生產(chǎn)工藝的不斷改進(jìn)，碳纖維強(qiáng)度不斷提升，使其復(fù)合材料的力學(xué)性能也得到極大提高，如T800級(jí)碳纖維復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度可達(dá)1.50 GPa左右[16]。對(duì)于組合式加載壓縮夾具，試樣的壓縮強(qiáng)度較高時(shí)夾塊可能出現(xiàn)滑移，容易在試樣端部產(chǎn)生應(yīng)力集中；而緊固螺栓過(guò)大的緊固力矩可能導(dǎo)致試樣工作段根部的應(yīng)力集中，都會(huì)造成試樣非正常破壞使試驗(yàn)結(jié)果失效。在夾塊夾持面加工出細(xì)倒齒，緊固螺栓無(wú)需過(guò)分?jǐn)Q緊，即可有效提高試驗(yàn)過(guò)程中試樣兩側(cè)面的剪切力，防止加載過(guò)程中試樣打滑，增加試樣側(cè)面剪切力的均勻性，避免試樣工作段根部的應(yīng)力集中，特別是避免試樣端部的應(yīng)力集中。

④ 設(shè)計(jì)引伸計(jì)安裝窗口：首先設(shè)計(jì)小標(biāo)距高低溫引伸計(jì)(標(biāo)距10 mm)，在原有組合式加載夾具上開設(shè)引伸計(jì)安裝窗口，如圖4所示。將引伸計(jì)測(cè)量應(yīng)變的方法引入組合式加載測(cè)試復(fù)合材料壓縮性能的方法中，在原有電阻式應(yīng)變片測(cè)試方法基礎(chǔ)上，豐富了壓縮模量測(cè)試的手段。特別對(duì)于不適于應(yīng)變片粘貼的高溫濕態(tài)處理試樣壓縮模量的測(cè)量以及其他應(yīng)變片不適用的情況，使用引伸計(jì)引測(cè)量試樣的壓縮變形，精確度更高、更方便快捷。

2.2 改進(jìn)效果評(píng)估

分別使用原組合式壓縮測(cè)試夾具和改進(jìn)后組合式壓縮測(cè)試夾具進(jìn)行不同批次碳纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料層壓板的壓縮性能測(cè)試，通過(guò)對(duì)比不同夾具測(cè)試后試樣破壞模式，初步對(duì)組合式壓縮測(cè)試夾具改進(jìn)效果進(jìn)行評(píng)估。兩種壓縮夾具測(cè)試環(huán)氧固化碳纖維復(fù)合材料的破壞模式分別如圖5、圖6所示。圖5(a)的破壞模式可能由于側(cè)面夾持力不足，導(dǎo)致試樣側(cè)面剪切力不足，端部承載過(guò)大，導(dǎo)致端部非正常破壞，屬于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的不可接受破壞模式(如圖7所示)。圖5(b)的試樣工作段破壞模式以根部剪切破壞為主，可能由于試樣安裝垂直度稍差，或上下夾塊加載時(shí)垂直度稍差，或夾持力過(guò)大導(dǎo)致根部應(yīng)力集中，雖屬可接受破壞模式，但非理想破壞模式。圖6中使用改進(jìn)組合式壓縮測(cè)試夾具測(cè)試一個(gè)批次試樣的破壞均為工作段中斷爆炸式破壞，未出現(xiàn)試樣端部破壞現(xiàn)象，屬于比較理想、有效的破壞模式。

圖5 原組合式加載夾具室溫干態(tài)壓縮性能測(cè)試碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料兩類破壞試樣

圖6 改進(jìn)組合式加載夾具室溫干態(tài)壓縮性能測(cè)試碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料破壞試樣

圖7 復(fù)合材料壓縮測(cè)試常見(jiàn)試樣破壞模式示意圖[8]

另外，對(duì)于不同兩批次碳纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料層壓板的壓縮性能測(cè)試得到的載荷-位移曲線和應(yīng)力-應(yīng)變曲線分別如圖8和圖9所示。

圖8 原組合式加載夾具室溫干態(tài)壓縮性能測(cè)試碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料的載荷-位移曲線及應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖9 改進(jìn)組合式加載夾具室溫干態(tài)壓縮性能測(cè)試碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料的載荷-位移曲線及應(yīng)力-應(yīng)變曲線

對(duì)于原組合式加載夾具，不同試樣加載過(guò)程中載荷離散較大(如圖8(a)紅色虛線圈中載荷-位移曲線)，導(dǎo)致最終強(qiáng)度離散偏大；不同試樣的初始段應(yīng)力-應(yīng)變曲線線性段存在波動(dòng)(如圖8(b)紅色虛線圈中應(yīng)力-應(yīng)變曲線)，導(dǎo)致不同試樣的初始線性段斜率存在偏差，增加了壓縮模量值的離散系數(shù)。

使用改進(jìn)組合式夾具加載時(shí)，不同試樣加載過(guò)程中載荷波動(dòng)較小(如圖9(a)紅色虛線圈中載荷-位移曲線)，最終壓縮強(qiáng)度離散系數(shù)較低；且初始段應(yīng)力-應(yīng)變曲線線性良好(如圖9(b)紅色虛線圈中應(yīng)力-應(yīng)變曲線)，不同試樣壓縮模量離散系數(shù)很小。

基于此，可以初步判斷組合式壓縮測(cè)試夾具改進(jìn)是有效的，后續(xù)仍需大量試驗(yàn)繼續(xù)驗(yàn)證，特別其對(duì)不同材料、不同環(huán)境條件等的適應(yīng)性，比如試樣加工尺寸精度差導(dǎo)致的偏載問(wèn)題、低溫環(huán)境試樣表面結(jié)冰可能導(dǎo)致的引伸計(jì)滑移問(wèn)題等，尚需深入開展相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證。

3 結(jié)束語(yǔ)

纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料壓縮失穩(wěn)失效導(dǎo)致破壞機(jī)理的復(fù)雜性以及不同標(biāo)準(zhǔn)體系規(guī)定測(cè)試方法的不同，造成不同測(cè)試方法得出的壓縮性能可能存在較大偏差。提高測(cè)試夾具的可操作性和精確度是減少試驗(yàn)操作的人為誤差、提高測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確度的有效途徑。對(duì)組合式加載壓縮測(cè)試夾具進(jìn)行改進(jìn)，以滾珠絲杠作導(dǎo)向桿，設(shè)計(jì)試樣安裝定位銷、倒齒型夾持面和引伸計(jì)安裝窗口，提高試樣安裝的精度和操作簡(jiǎn)便性，從而有效提高組合式加載壓縮測(cè)試?yán)w維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料壓縮性能的準(zhǔn)確性和簡(jiǎn)便性，擴(kuò)大了該測(cè)試方法的適用范圍。