先进复合材料力学性能表征与测试技术研究

饶义波　杨洁　王星　衡东梅　郭静

摘要：飞机结构设计的发展需要促进了航空材料的发展。根据美国空军对2025年航空技术发展的预测和分析，先进材料在43个领域中排名第二。先进材料是美国国防部开发的最好的技术项目之一。同时，航空发动机在提高飞机性能方面发挥着重要作用今后，新材料的贡献将为50%至70 %，而制造材料和技术对减少发动机重量的贡献将为70%至80 %。因此，航空材料技术在航空设备的发展中发挥着根本的、甚至是战略性的作用，并且一直是国家和国际航空研究的中心。本文讨论了聚合物、陶瓷和复合材料复合材料的复合材料力学性能试验方法，以支持复合材料的结构设计和开发。

关键词：复合材料;性能表征;低速冲击;测试技术

前言

复合材料是由两种或多种金属、无机金属和有机聚合物组成的多相材料，采用不同的处理方法。复合材质组保持相对独立性，同时充分利用不同材质的优势并克服单个材质的缺陷。选择不同的增强材料，如碳纤维、硼酸盐纤维、氧化铝纤维、陶瓷颗粒等。并正确设计金属、陶瓷、聚合物等基本材料，利用特殊工艺组合，可以提高原单质材料中所不具备的性能和使用性能，如优良的机械性能、抗老化性能、化学性能等。复合材料由于其强度高、重量轻、易处理、耐化学腐蚀和耐热性强，已逐渐取代木材和金属合金，并广泛用于航空、汽車、电子和电气领域现代材料科学的发展在很大程度上取决于对材料特性、其他成分结构和微观经济关系的理解。

一、先进复合材料概述

（1）高温复合材料：近年来，各国对发展先进的发动机和武器系统越来越感兴趣，这往往阻碍技术发展。C/C、陶瓷基板、金属基板等新材料，广泛用于先进航空发动机和现代超高速飞机的研制，以提高使用温度（1200 c以上）。对于这些新材料的力学性能数据，我们不能借鉴国外先进的技术和经验，迫切需要为工程应用建立复合材料高温力学性能表征和试验技术体系。

（2）新材料：随着聚合物复合材料的发展，正在开发许多新材料。发动机机体热保护系统和发动机热端组件具有梯度功能材料;具有大型综合复杂结构的额外材料制造材料;具有自我诊断、自我修复和自适应能力的智能材料或集成传感器以及驱动元件，用于修改空气动力学剖面;有结构吸波材料结合了吸波和吸波。其中一些新材料仍远未进入技术应用阶段。因此，作为一个研究材料机械特性的机构，可以进行许多适合于开发新材料的前期技术研究，例如开发合理可行的试验方法和特性鉴定系统。

二、复合材料试验技术

1.0°压缩试验方法

聚合物基复合材料复镀板有几种压缩试验方法。现有复叠板压缩试验方法可分为三类：（1）将载荷引入剪切试验的工作部分（astmd 3410）;（2）通过荷载与端部剪切相结合，将荷载引入试验运行部分（astmd 6641）;（3）将负载引入端载试验的工作部分（SRM-1R-94、SRM-6-94、ASTMD695）。复合层压板的压缩试验对试验方法较为敏感，即在不同试验方法下测量单个材料的压缩强度不同，这可能是由于材料、几何特性、中性和法兰的影响本文通过对T300、t7700和T800碳纤维复合材料使用ASTMD6641和SRM-1R-94分析了试样的破坏形式、应变曲线和0°压缩强度。0°。

2.冲击后压缩试验方法

T800碳纤维复合材料的BVID冲击试验发现，冲击能量远远超过T300碳纤维复合材料1毫米弹坑深度的冲击能量，因为T800类碳纤维在BVID孔深度产生的冲击能量大约是BVID复合材料的两倍 T800级复合材料的内部损伤往往太大，损伤宽度通常超过试样宽度的三分之一（34毫米），严重影响复合材料残馀衬套的压缩破坏变形。BVID压缩和破坏变形相当于T300级碳纤维复合材料。

3.复合材料高温测试技术

对于陶瓷复合材料高温力学性能测试技术，主要存在几个技术问题：温度应用技术、应变测量技术和温度测量方法。当试验温度超过500℃时，使用机械夹紧板加载试验时存在两个问题：第一，必须保证足够的夹紧力，以防止试验滑动和失效，同时确保试验的夹紧部分其次，所有法兰和连接器在高温下必须具有足够的强度和刚度。对于应变测量而言，非接触应变测量方法是连续跟踪应变直至样品销毁的最实用方法，因为材料在高温下呈非线性趋势。

多年来研制开发了陶瓷复合材料的高温力学性能试验技术，通过冷水循环系统冷却试验机盘对高温炉内1200 c以下的高温试验能力进行了试验，并在试验中应用。关于陶瓷复合材料力学性能表征技术，通过吸收相关的国内试验标准，为陶瓷复合材料设计压缩、弯曲和剪切试验装置，促进了陶瓷复合材料高温试验技术的发展。

4.复合材料胶接结构性能表征与测试技术

随着胶合、共凝固、缝合等复合材料胶合技术的逐渐成熟。复合材料结构的集成设计和制造可以通过使用复合材料的强大设计能力对复杂零件进行联合凝固/粘贴来实现。取代传统机械组件的硬/粘接组件可显着减少元件数量和结构重量。但是，在结构设计方面出现了新的挑战，即需要确定共粘/硬界面特性的表征方法和粘结结构失效分析方法。到目前为止，还没有测试复合胶合界面拉伸强度的标准方法，但金属胶合界面拉伸强度测试是根据GB/T6329标准进行的。本文将角切割和弧切割用于实验研究，并设计了具有不同切割角度和不同切割弧半径的试验，用于面外拉伸试验。试验结果表明，切割弧形试样可以减少应力集中的影响。

结束语

综上所述可以知道，经过多年的发展，现阶段我国在复合材料力学性能测试和表征方面形成了一个比较全面的技术体系。但是，随着复合材料的设计和制造的改进以及新材料和结构的出现，复合材料力学性能的表征和试验技术需要不断发展和创新，才能跟上技术发展的脚步。

参考文献：

[1]沈真.复合材料飞机结构耐久性/损伤容限设计指南[M].航空工业出版社，1995.

[2]张立同，成来飞，徐永东.新型碳化硅陶瓷基复合材料的研究进展[J].航空制造技术，2003，（1）：24-32.

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