复合材料测试专题

本文主要介绍了碳纤维复合材料夹芯板结构的力学实验和测试方法，试验主要采用了广泛接受的军用标准（MIL-STD-401B）测试方法，主要测试内容包括如下几部分：

• 长梁弯曲试验（Long Beam Flexure Test）；
  

• 边压试验（Edgewise Compression Test）；
  

• 平拉试验（Flatwise Tension Test）；
  

• 平压试验（Flatwise Compression Test）；
  

• 短梁剪切试验（Short Beam Shear Test）；
  

• 爬高圆筒剥离试验（Climbing Drum Peel Test）。

该测试有几种可能的失效模式（见图1），一些更典型的失效模式包括皮层拉伸/压缩破坏、局部的面部起皱失效以及局部的面部缺陷。

图1 夹芯板长梁弯曲试验

长梁弯曲试验的典型跨度为20英寸。通过长梁弯曲试验，可以确定夹层抗弯强度和弯曲模量。平均表层应力和模量可通过以下公式确定：

上述计算公式适用于具有薄蒙皮结构的对称夹层板，关于试验和数据的更详细内容可参考MIL-STD-401B第5.2.4节或ASTM C-393。

该试验时典型跨距为4英寸（见图2）。尽管本试验有几种可能的破坏模式，但典型的破坏模式是芯部结构破坏。

图1 夹芯板短梁剪切试验

在短梁弯曲试验中，如果芯部发生破坏，则芯部抗剪强度（平均剪应力）可按下式计算：

该试验方法主要适用于具有薄蒙皮的夹芯板结构。有关试验和数据详细解释和讨论，可以参考MIL-STD-401B第5.2.4节或ASTM C-393。

针对夹芯板平压试验的主要目的是确定夹层板的芯部压缩性能。本试验的典型样本为2×2英寸的面板，如图3所示。

图3 夹芯板平压试验

根据测试过程中完整的荷载-挠度曲线，就可以使用以下方程式确定芯的抗压强度和抗压模量：

该试验目的是用于测定芯材抗拉强度或离面皮-芯粘结强度。该试验在2个2×2英寸的试样上进行，试样粘在重金属负载块之间，然后在试验机中将其拉开（见图4）。

图4 夹芯板平拉试验

夹层平均水平拉伸强度可通过以下公式计算：

05 边压试验

该试验主要为判断夹层板在其面板中的承载能力提供依据，其测试示意图如图5所示。试样典型尺寸至少为2英寸宽，无支撑长度应至少为夹层厚度的8倍。

图5 夹芯板边压试验

该试验有几种可能的失效模式，如柱屈曲、剪切压接、表面凹陷（如图6所示）。由于本试验的性质，应采取额外措施确保试样具有良好的平端，以防止试样端部过早失效。根据ASTM C-364，允许使用适当的模塑材料浇铸端部，这有助于防止端部过早压碎破坏模式。

图6 夹芯板边压试验典型失效方式

在试验过程中，应格外小心，以确保样品笔直且平行于荷载方向，这将有助于防止过早的柱屈曲破坏模式。柱屈曲破坏模式通常代表了柱失稳，而不是表面荷载承载能力的度量。因此，应尽力防止这种失效行为产生。

此外，在试验的早期阶段，应使用应变计监测两个表面蒙皮上的应变。蒙皮两侧的张力应为彼此的10%，这表明由于不同的有效偏心率而产生的结果差异很大。平均边压强度可通过以下公式确定：

该试验方法旨在测定夹层板面板蒙皮和芯之间粘合剂的抗剥离性（见图7），试样长度应至少为10英寸，典型宽度为3英寸

图7 夹芯板爬高圆筒剥离试验

随着测试的进行，将逐渐达到剥离粘合胶所需的平均恒定扭矩水平。但是，该扭矩水平包括滚动裸露皮肤所需的扭矩量，因此该水平应预先确定，然后从实际读数中减去这个数字，就可以得到胶粘剂强度的有效测量值。平均剥离扭矩可通过以下公式计算公式：

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