先進(jìn)復(fù)合材料力學(xué)性能表征與測試技術(shù)研究

饒義波　楊潔　王星　衡東梅　郭靜

摘要：飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的發(fā)展需要促進(jìn)了航空材料的發(fā)展。根據(jù)美國空軍對(duì)2025年航空技術(shù)發(fā)展的預(yù)測和分析，先進(jìn)材料在43個(gè)領(lǐng)域中排名第二。先進(jìn)材料是美國國防部開發(fā)的最好的技術(shù)項(xiàng)目之一。同時(shí)，航空發(fā)動(dòng)機(jī)在提高飛機(jī)性能方面發(fā)揮著重要作用今后，新材料的貢獻(xiàn)將為50%至70 %，而制造材料和技術(shù)對(duì)減少發(fā)動(dòng)機(jī)重量的貢獻(xiàn)將為70%至80 %。因此，航空材料技術(shù)在航空設(shè)備的發(fā)展中發(fā)揮著根本的、甚至是戰(zhàn)略性的作用，并且一直是國家和國際航空研究的中心。本文討論了聚合物、陶瓷和復(fù)合材料復(fù)合材料的復(fù)合材料力學(xué)性能試驗(yàn)方法，以支持復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和開發(fā)。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料;性能表征;低速?zèng)_擊;測試技術(shù)

前言

復(fù)合材料是由兩種或多種金屬、無機(jī)金屬和有機(jī)聚合物組成的多相材料，采用不同的處理方法。復(fù)合材質(zhì)組保持相對(duì)獨(dú)立性，同時(shí)充分利用不同材質(zhì)的優(yōu)勢并克服單個(gè)材質(zhì)的缺陷。選擇不同的增強(qiáng)材料，如碳纖維、硼酸鹽纖維、氧化鋁纖維、陶瓷顆粒等。并正確設(shè)計(jì)金屬、陶瓷、聚合物等基本材料，利用特殊工藝組合，可以提高原單質(zhì)材料中所不具備的性能和使用性能，如優(yōu)良的機(jī)械性能、抗老化性能、化學(xué)性能等。復(fù)合材料由于其強(qiáng)度高、重量輕、易處理、耐化學(xué)腐蝕和耐熱性強(qiáng)，已逐漸取代木材和金屬合金，并廣泛用于航空、汽車、電子和電氣領(lǐng)域現(xiàn)代材料科學(xué)的發(fā)展在很大程度上取決于對(duì)材料特性、其他成分結(jié)構(gòu)和微觀經(jīng)濟(jì)關(guān)系的理解。

一、先進(jìn)復(fù)合材料概述

（1）高溫復(fù)合材料：近年來，各國對(duì)發(fā)展先進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)和武器系統(tǒng)越來越感興趣，這往往阻礙技術(shù)發(fā)展。C/C、陶瓷基板、金屬基板等新材料，廣泛用于先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)和現(xiàn)代超高速飛機(jī)的研制，以提高使用溫度（1200 c以上）。對(duì)于這些新材料的力學(xué)性能數(shù)據(jù)，我們不能借鑒國外先進(jìn)的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，迫切需要為工程應(yīng)用建立復(fù)合材料高溫力學(xué)性能表征和試驗(yàn)技術(shù)體系。

（2）新材料：隨著聚合物復(fù)合材料的發(fā)展，正在開發(fā)許多新材料。發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體熱保護(hù)系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)熱端組件具有梯度功能材料;具有大型綜合復(fù)雜結(jié)構(gòu)的額外材料制造材料;具有自我診斷、自我修復(fù)和自適應(yīng)能力的智能材料或集成傳感器以及驅(qū)動(dòng)元件，用于修改空氣動(dòng)力學(xué)剖面;有結(jié)構(gòu)吸波材料結(jié)合了吸波和吸波。其中一些新材料仍遠(yuǎn)未進(jìn)入技術(shù)應(yīng)用階段。因此，作為一個(gè)研究材料機(jī)械特性的機(jī)構(gòu)，可以進(jìn)行許多適合于開發(fā)新材料的前期技術(shù)研究，例如開發(fā)合理可行的試驗(yàn)方法和特性鑒定系統(tǒng)。

二、復(fù)合材料試驗(yàn)技術(shù)

1.0°壓縮試驗(yàn)方法

聚合物基復(fù)合材料復(fù)鍍板有幾種壓縮試驗(yàn)方法?，F(xiàn)有復(fù)疊板壓縮試驗(yàn)方法可分為三類：（1）將載荷引入剪切試驗(yàn)的工作部分（astmd 3410）;（2）通過荷載與端部剪切相結(jié)合，將荷載引入試驗(yàn)運(yùn)行部分（astmd 6641）;（3）將負(fù)載引入端載試驗(yàn)的工作部分（SRM-1R-94、SRM-6-94、ASTMD695）。復(fù)合層壓板的壓縮試驗(yàn)對(duì)試驗(yàn)方法較為敏感，即在不同試驗(yàn)方法下測量單個(gè)材料的壓縮強(qiáng)度不同，這可能是由于材料、幾何特性、中性和法蘭的影響本文通過對(duì)T300、t7700和T800碳纖維復(fù)合材料使用ASTMD6641和SRM-1R-94分析了試樣的破壞形式、應(yīng)變曲線和0°壓縮強(qiáng)度。0°。

2.沖擊后壓縮試驗(yàn)方法

T800碳纖維復(fù)合材料的BVID沖擊試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，沖擊能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過T300碳纖維復(fù)合材料1毫米彈坑深度的沖擊能量，因?yàn)門800類碳纖維在BVID孔深度產(chǎn)生的沖擊能量大約是BVID復(fù)合材料的兩倍 T800級(jí)復(fù)合材料的內(nèi)部損傷往往太大，損傷寬度通常超過試樣寬度的三分之一（34毫米），嚴(yán)重影響復(fù)合材料殘馀襯套的壓縮破壞變形。BVID壓縮和破壞變形相當(dāng)于T300級(jí)碳纖維復(fù)合材料。

3.復(fù)合材料高溫測試技術(shù)

對(duì)于陶瓷復(fù)合材料高溫力學(xué)性能測試技術(shù)，主要存在幾個(gè)技術(shù)問題：溫度應(yīng)用技術(shù)、應(yīng)變測量技術(shù)和溫度測量方法。當(dāng)試驗(yàn)溫度超過500℃時(shí)，使用機(jī)械夾緊板加載試驗(yàn)時(shí)存在兩個(gè)問題：第一，必須保證足夠的夾緊力，以防止試驗(yàn)滑動(dòng)和失效，同時(shí)確保試驗(yàn)的夾緊部分其次，所有法蘭和連接器在高溫下必須具有足夠的強(qiáng)度和剛度。對(duì)于應(yīng)變測量而言，非接觸應(yīng)變測量方法是連續(xù)跟蹤應(yīng)變直至樣品銷毀的最實(shí)用方法，因?yàn)椴牧显诟邷叵鲁史蔷€性趨勢。

多年來研制開發(fā)了陶瓷復(fù)合材料的高溫力學(xué)性能試驗(yàn)技術(shù)，通過冷水循環(huán)系統(tǒng)冷卻試驗(yàn)機(jī)盤對(duì)高溫爐內(nèi)1200 c以下的高溫試驗(yàn)?zāi)芰M(jìn)行了試驗(yàn)，并在試驗(yàn)中應(yīng)用。關(guān)于陶瓷復(fù)合材料力學(xué)性能表征技術(shù)，通過吸收相關(guān)的國內(nèi)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，為陶瓷復(fù)合材料設(shè)計(jì)壓縮、彎曲和剪切試驗(yàn)裝置，促進(jìn)了陶瓷復(fù)合材料高溫試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展。

4.復(fù)合材料膠接結(jié)構(gòu)性能表征與測試技術(shù)

隨著膠合、共凝固、縫合等復(fù)合材料膠合技術(shù)的逐漸成熟。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的集成設(shè)計(jì)和制造可以通過使用復(fù)合材料的強(qiáng)大設(shè)計(jì)能力對(duì)復(fù)雜零件進(jìn)行聯(lián)合凝固/粘貼來實(shí)現(xiàn)。取代傳統(tǒng)機(jī)械組件的硬/粘接組件可顯著減少元件數(shù)量和結(jié)構(gòu)重量。但是，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面出現(xiàn)了新的挑戰(zhàn)，即需要確定共粘/硬界面特性的表征方法和粘結(jié)結(jié)構(gòu)失效分析方法。到目前為止，還沒有測試復(fù)合膠合界面拉伸強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)方法，但金屬膠合界面拉伸強(qiáng)度測試是根據(jù)GB/T6329標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的。本文將角切割和弧切割用于實(shí)驗(yàn)研究，并設(shè)計(jì)了具有不同切割角度和不同切割弧半徑的試驗(yàn)，用于面外拉伸試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，切割弧形試樣可以減少應(yīng)力集中的影響。

結(jié)束語

綜上所述可以知道，經(jīng)過多年的發(fā)展，現(xiàn)階段我國在復(fù)合材料力學(xué)性能測試和表征方面形成了一個(gè)比較全面的技術(shù)體系。但是，隨著復(fù)合材料的設(shè)計(jì)和制造的改進(jìn)以及新材料和結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，復(fù)合材料力學(xué)性能的表征和試驗(yàn)技術(shù)需要不斷發(fā)展和創(chuàng)新，才能跟上技術(shù)發(fā)展的腳步。

參考文獻(xiàn)：

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