先進復合材料力學性能表征與測試技術研究

饒義波　楊潔　王星　衡東梅　郭靜

摘要：飛機結構設計的發展需要促進了航空材料的發展。根據美國空軍對2025年航空技術發展的預測和分析，先進材料在43個領域中排名第二。先進材料是美國國防部開發的最好的技術項目之一。同時，航空發動機在提高飛機性能方面發揮著重要作用今后，新材料的貢獻將為50%至70 %，而制造材料和技術對減少發動機重量的貢獻將為70%至80 %。因此，航空材料技術在航空設備的發展中發揮著根本的、甚至是戰略性的作用，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、陶瓷和復合材料復合材料的復合材料力學性能試驗方法，以支持復合材料的結構設計和開發。

關鍵詞：復合材料;性能表征;低速沖擊;測試技術

前言

復合材料是由兩種或多種金屬、無機金屬和有機聚合物組成的多相材料，采用不同的處理方法。復合材質組保持相對獨立性，同時充分利用不同材質的優勢并克服單個材質的缺陷。選擇不同的增強材料，如碳纖維、硼酸鹽纖維、氧化鋁纖維、陶瓷顆粒等。并正確設計金屬、陶瓷、聚合物等基本材料，利用特殊工藝組合，可以提高原單質材料中所不具備的性能和使用性能，如優良的機械性能、抗老化性能、化學性能等。復合材料由于其強度高、重量輕、易處理、耐化學腐蝕和耐熱性強，已逐漸取代木材和金屬合金，并廣泛用于航空、汽車、電子和電氣領域現代材料科學的發展在很大程度上取決于對材料特性、其他成分結構和微觀經濟關系的理解。

一、先進復合材料概述

（1）高溫復合材料：近年來，各國對發展先進的發動機和武器系統越來越感興趣，這往往阻礙技術發展。C/C、陶瓷基板、金屬基板等新材料，廣泛用于先進航空發動機和現代超高速飛機的研制，以提高使用溫度（1200 c以上）。對于這些新材料的力學性能數據，我們不能借鑒國外先進的技術和經驗，迫切需要為工程應用建立復合材料高溫力學性能表征和試驗技術體系。

（2）新材料：隨著聚合物復合材料的發展，正在開發許多新材料。發動機機體熱保護系統和發動機熱端組件具有梯度功能材料;具有大型綜合復雜結構的額外材料制造材料;具有自我診斷、自我修復和自適應能力的智能材料或集成傳感器以及驅動元件，用于修改空氣動力學剖面;有結構吸波材料結合了吸波和吸波。其中一些新材料仍遠未進入技術應用階段。因此，作為一個研究材料機械特性的機構，可以進行許多適合于開發新材料的前期技術研究，例如開發合理可行的試驗方法和特性鑒定系統。

二、復合材料試驗技術

1.0°壓縮試驗方法

聚合物基復合材料復鍍板有幾種壓縮試驗方法?，F有復疊板壓縮試驗方法可分為三類：（1）將載荷引入剪切試驗的工作部分（astmd 3410）;（2）通過荷載與端部剪切相結合，將荷載引入試驗運行部分（astmd 6641）;（3）將負載引入端載試驗的工作部分（SRM-1R-94、SRM-6-94、ASTMD695）。復合層壓板的壓縮試驗對試驗方法較為敏感，即在不同試驗方法下測量單個材料的壓縮強度不同，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T300、t7700和T800碳纖維復合材料使用ASTMD6641和SRM-1R-94分析了試樣的破壞形式、應變曲線和0°壓縮強度。0°。

2.沖擊后壓縮試驗方法

T800碳纖維復合材料的BVID沖擊試驗發現，沖擊能量遠遠超過T300碳纖維復合材料1毫米彈坑深度的沖擊能量，因為T800類碳纖維在BVID孔深度產生的沖擊能量大約是BVID復合材料的兩倍 T800級復合材料的內部損傷往往太大，損傷寬度通常超過試樣寬度的三分之一（34毫米），嚴重影響復合材料殘馀襯套的壓縮破壞變形。BVID壓縮和破壞變形相當于T300級碳纖維復合材料。

3.復合材料高溫測試技術

對于陶瓷復合材料高溫力學性能測試技術，主要存在幾個技術問題：溫度應用技術、應變測量技術和溫度測量方法。當試驗溫度超過500℃時，使用機械夾緊板加載試驗時存在兩個問題：第一，必須保證足夠的夾緊力，以防止試驗滑動和失效，同時確保試驗的夾緊部分其次，所有法蘭和連接器在高溫下必須具有足夠的強度和剛度。對于應變測量而言，非接觸應變測量方法是連續跟蹤應變直至樣品銷毀的最實用方法，因為材料在高溫下呈非線性趨勢。

多年來研制開發了陶瓷復合材料的高溫力學性能試驗技術，通過冷水循環系統冷卻試驗機盤對高溫爐內1200 c以下的高溫試驗能力進行了試驗，并在試驗中應用。關于陶瓷復合材料力學性能表征技術，通過吸收相關的國內試驗標準，為陶瓷復合材料設計壓縮、彎曲和剪切試驗裝置，促進了陶瓷復合材料高溫試驗技術的發展。

4.復合材料膠接結構性能表征與測試技術

隨著膠合、共凝固、縫合等復合材料膠合技術的逐漸成熟。復合材料結構的集成設計和制造可以通過使用復合材料的強大設計能力對復雜零件進行聯合凝固/粘貼來實現。取代傳統機械組件的硬/粘接組件可顯著減少元件數量和結構重量。但是，在結構設計方面出現了新的挑戰，即需要確定共粘/硬界面特性的表征方法和粘結結構失效分析方法。到目前為止，還沒有測試復合膠合界面拉伸強度的標準方法，但金屬膠合界面拉伸強度測試是根據GB/T6329標準進行的。本文將角切割和弧切割用于實驗研究，并設計了具有不同切割角度和不同切割弧半徑的試驗，用于面外拉伸試驗。試驗結果表明，切割弧形試樣可以減少應力集中的影響。

結束語

綜上所述可以知道，經過多年的發展，現階段我國在復合材料力學性能測試和表征方面形成了一個比較全面的技術體系。但是，隨著復合材料的設計和制造的改進以及新材料和結構的出現，復合材料力學性能的表征和試驗技術需要不斷發展和創新，才能跟上技術發展的腳步。

參考文獻：

[1]沈真.復合材料飛機結構耐久性/損傷容限設計指南[M].航空工業出版社，1995.

[2]張立同，成來飛，徐永東.新型碳化硅陶瓷基復合材料的研究進展[J].航空制造技術，2003，（1）：24-32.