复合材料的机械性能测试详解

内容概述

第 1 章：复合材料和机械测试简介

第 2 章：拉伸试验 （ASTM D3039）

第 3 章：压缩试验 （ASTM D3410）

第 4 章：弯曲和剪切测试

第 5 章：冲击和疲劳测试

第 6 章：环境对机械性能的影响

第 7 章：复合材料的无损检测 （NDT）

第 8 章：数据分析、解释和质量控制

第 9 章：复合材料测试中的高级主题

第 10 章 未来趋势和工业应用

第 1 章：复合材料和机械测试简介

复合材料及其应用概述

复合材料，通常简称为复合材料，是由两种或多种物理或化学特性明显不同的组成材料制成的工程材料。当它们组合在一起时，它们产生的材料具有与单个组件不同的特性。在成品结构中，各个组件保持独立和独特，将复合材料与混合物和固溶体区分开来。

复合材料通常包括：

基体：第一相，它是连续的，围绕着另一相。

增强材料：嵌入在矩阵中的第二相。

常见的复合材料类型包括：

纤维增强聚合物 （FRP）

金属基复合材料 （MMC）

陶瓷基复合材料 （CMC）

由于其独特的特性，复合材料被广泛用于各种应用：

航空航天：飞机结构、航天器部件

汽车：车身面板、底盘零部件

船舶：船体、海上平台

建筑：桥梁、建筑物、钢筋

运动器材：网球拍、自行车架

风能：涡轮机叶片

复合材料机械试验的重要性

复合材料的机械测试至关重要，原因如下：

材料表征：确定复合材料的机械性能，例如强度、刚度和韧性。

质量控制：确保制造的复合材料符合设计规范和行业标准。

设计验证：验证复合结构是否能够承受预期的负载和环境条件。

失效分析：了解复合材料在各种载荷条件下的失效模式和机理。

材料开发：帮助开发新的复合材料和制造工艺。

认证：满足安全关键型应用（如航空航天）的法规要求。

复合行为的基本原理

应力-应变关系

纤维、基体、复合材料的应力-应变

由于复合材料的异质性，它们表现出独特的应力-应变关系：

线弹性：许多复合材料在达到一定应力水平时表现出线弹性行为。

各向异性：机械性能随施加载荷的方向而变化。

纤维-基体相互作用：应力-应变行为受纤维和基体之间的载荷传递的影响。

渐进式失效：复合材料经常逐渐失效，在最终失效之前会出现多种损伤机制。

沿纤维方向加载的单向纤维增强复合材料的典型应力-应变曲线显示：

初始线弹性区域

由于基体塑性或纤维-基体脱键而可能出现的非线性区域

纤维失效时应力突然下降

各向异性

各向异性是许多复合材料的基本特性，尤其是纤维增强复合材料：

定向特性：强度和刚度等机械性能随方向变化很大。

正交各向异性行为：许多复合材料表现出正交各向异性行为，在三个相互垂直的方向上具有不同的特性。

层压板理论：复合材料的各向异性特性需要使用层压板理论进行结构分析和设计。

测试意义：各向异性需要在多个方向上进行测试，以充分表征材料特性。

了解复合材料的各向异性行为对于以下方面至关重要：

正确的材料选择

精确的结构设计

针对特定应用优化纤维取向

复合材料的复杂行为，包括其各向异性性质和独特的应力-应变关系，强调了全面和适当的机械测试的重要性。这些测试提供了必要的数据，用于了解、预测和优化复合结构在各种应用中的性能。

第 2 章：拉伸试验 （ASTM D3039）

纵向 （a） 和横向 （b） 单向纤维的拉伸试样

拉伸试验是复合材料最基本和应用最广泛的机械试验之一。它提供有关材料在单轴载荷条件下的强度、刚度和行为的关键信息。ASTM D3039 标准是对聚合物基复合材料进行拉伸试验的最常用方法。

测试设置和试样制备

试样几何形状

基于纤维取向的物种几何形状

ASTM D3039 标准规定了试样几何形状的几个关键方面：

形状：通常为扁平条或矩形横截面

尺寸：根据钢筋类型及其方向而变化

长度：通常为 250 毫米（10 英寸），用于单向和织物复合材料

宽度：0° 单向通常为 25 毫米（1 英寸），90° 单向通常为 25 毫米（1 英寸），织物复合材料为 25 毫米（1 英寸）

厚度：通常为 2-3 毫米（0.08-0.12 英寸），但可能会有所不同

试样制备

切割：应小心切割标本，以避免分层或其他损坏。通常使用水射流切割或使用金刚石涂层刀片进行精密锯切。

凸耳粘合：对于某些试样类型，尤其是纤维取向为 0° 的试样类型，端部凸片被粘合以防止夹具引起的失效。极耳通常由玻璃纤维/环氧树脂复合材料或铝制成。

表面处理：如果要直接在试样上测量应变，则应为试样表面的应变片应用做好准备。

测试设置

试验机：一种能够保持恒定横梁速度和精确测量负载的万能试验机。

夹具：液压或机械夹具，可以牢固地夹持试样而不会造成损坏或打滑。

应变测量：直接粘接到试样上的应变片或连接到测厚截面的引伸计。

数据采集系统：记录整个测试过程中的载荷、位移和应变数据。

纵向和横向测试

复合材料，尤其是那些具有单向增强的复合材料，表现出高度各向异性的行为。因此，纵向（0°，平行于纤维）和横向（90°，垂直于纤维）方向的检测对于完整表征至关重要。

纵向测试 （0°）

提供有关纤维主导特性的信息

通常会产生更高的强度和刚度值

失效通常是由于纤维断裂而发生的

横向测试 （90°）

提供有关矩阵主导属性的信息

通常会导致较低的强度和刚度值

失效通常是由于基体开裂或纤维基体脱粘而发生的

这两个方向之间的明显性能差异凸显了复合材料的各向异性以及在多个方向上进行测试的重要性。

数据分析和解释

关键参数

极限拉伸强度 （UTS）：材料在失效前可以承受的最大应力。

杨氏模量 （E）：线性弹性区域中应力-应变曲线的斜率，表示材料的刚度。

泊松比 （ν）：线弹性区域中横向应变与轴向应变的负比。

失效应变 （εf）：材料在失效前承受的最大应变。

应力-应变曲线分析

线性区域：确定应力-应变曲线的线性部分以计算杨氏模量。

屈服点：对于某些复合材料，尤其是那些具有延展性基体的复合材料，可能会观察到屈服点。

Failure Point：失效时的极限抗拉强度和相应应变的点。

统计分析

鉴于复合材料固有的可变性，测试结果的统计分析至关重要：

平均值：计算强度、模量和其他参数的平均值。

标准差：确定数据的分布。

变异系数：评估数据的相对变异性。

故障模式分析

检查拉伸试样的失效模式可提供有价值的见解：

纤维主导的失效：通常见于 0° 试样，以纤维断裂为特征。

基体主导的失效：常见于 90° 试样，通常表现为基体开裂或纤维-基体脱粘。

分层：复合层分离，这可能表明制造缺陷或不适当的测试设置。

了解和正确解释拉伸试验数据对于以下方面至关重要：

材料选择和鉴定

结构设计和分析

制造过程中的质量控制

拉伸测试虽然看似简单，但需要仔细注意试样制备、测试执行和数据分析，以获得可靠且有意义的复合材料结果。

第 3 章：压缩试验 （ASTM D3410）

压缩试验试样的几何形状

压缩试验是表征复合材料的一个关键方面，特别是对于压缩载荷较大的应用，例如航空航天结构。ASTM D3410 标准提供了一种确定由高模量纤维增强的聚合物基复合材料的面内压缩性能的方法。

测试方法和夹具

复合材料的压缩试验比拉伸试验更具挑战性，因为很难在不引起屈曲或其他不良失效模式的情况下引入纯压缩载荷。已经开发了几种测试方法和夹具来应对这些挑战：

1. ASTM D3410（程序 B）- IITRI 测试方法

伊利诺伊理工学院研究所 （IITRI） 夹具是 ASTM D3410 中规定的最常用的方法：

夹具设计：由两个楔形夹持块组成，它们通过夹持端的剪切力将压缩载荷施加到试样上。

载荷引入：压缩力通过锥形楔形夹具施加，该夹具将载荷均匀地分布在试样宽度上。

对齐：夹具设计有助于保持正确对齐，降低因屈曲而过早失效的风险。

2. ASTM D695 - 针对复合材料进行改性

虽然该方法主要设计用于未增强塑料，但该方法也适用于复合材料：

夹具：使用简单的支撑夹具来防止薄试样屈曲。

试样：通常需要较厚的试样或端部片，以防止端部破碎失效。

3. ASTM D6641 - 组合载荷压缩 （CLC） 测试

该方法结合了端部载荷和剪切载荷：

夹具：使用紧凑的夹具，对试样施加端部载荷和剪切载荷。

优点：与 ASTM D3410 相比，降低了端部破碎失效的风险，并且可以容纳较短的试样。

试样几何形状注意事项

正确的试样几何形状对于获得有效的压缩测试结果至关重要：

1. 长厚比

典型比率：架空长度应为试样厚度的 4-6 倍，以防止整体屈曲。

ASTM D3410 建议：大多数聚合物复合材料的标距长度为 12-25 毫米（0.5-1.0 英寸）。

2. 宽度

标准宽度：对于单向复合材料，通常为 6.4-12.7 毫米（0.25-0.50 英寸）。

考虑：宽度应足以代表材料，但又不能太宽以引起柱屈曲。

3. 厚度

典型范围：1-6 毫米（0.040-0.24 英寸），具体取决于材料和测试夹具。

考虑因素：较厚的试样可降低屈曲的风险，但可能无法代表实际结构中使用的薄层压板。

4. 结束选项卡

目的：分配抓取力并防止端部破碎失效。

材料：通常由玻璃纤维/环氧树脂复合材料或铝制成。

几何形状：通常以 30-60 度斜面提供平滑的负载过渡。

复合材料压缩试验的挑战

复合材料的压缩试验面临几个独特的挑战：

1. 防止屈曲

问题：复合材料试样，尤其是薄层压板，在压缩载荷下容易屈曲。

解决方案：仔细的夹具设计、适当的试样几何形状和可能的防屈曲导轨。

2. 结束效果

问题：载荷端的应力集中会导致过早失效。

解决方案：使用设计合理的端片并仔细制备试样。

3. 对齐

问题：未对中会引入弯矩，从而导致过早或无效的失效。

解决方案：精确加工试样和夹具，并仔细设置测试设备。

4. 应变测量

问题：短标距长度的应变片或引伸计的空间有限。

解决方案：使用小型应变片或非接触式应变测量技术，如数字图像相关 （DIC）。

5. 故障模式识别

问题：区分有效的压缩失效和无效模式，如端部破碎或屈曲。

解决方案：仔细检查失败的样本，并在测试过程中可能使用高速成像。

6. 环境影响

问题：复合材料对温度和湿度敏感，这会显著影响压缩性能。

解决方案：受控的测试环境并在测试前对试样进行适当的调节。

7. 材料各向异性

问题：复合材料的高度定向特性需要在多个方向上进行测试。

解决方案：对具有不同纤维取向（0°、90°和可能的离轴）的试样进行测试。

复合材料的压缩测试虽然具有挑战性，但为材料表征和结构设计提供了关键数据。了解这些挑战并实施适当的解决方案是获得可靠和有意义的复合材料压缩测试结果的关键。

第 4 章：弯曲和剪切测试

弯曲和剪切测试对于表征复合材料在弯曲和剪切载荷下的机械性能至关重要。这些测试为了解材料在弯曲和剪切应力较大的应用中的性能提供了宝贵的见解。

弯曲试验 （ASTM D7264）：三点弯曲和四点弯曲

（b） 四点弯曲试验

弯曲测试确定材料在弯曲载荷下的行为。ASTM D7264 标准描述了三点和四点弯曲试验的程序。

三点弯曲

测试设置：

试样在两个点处得到支撑，并在中点加载。

垂直于试样的长轴施加载荷。

关键参数：

支撑跨度

装载鼻直径

十字头速度

计算：

弯曲强度：σf = 3PL / （2bh²）

弯曲模量：Ef = L³m / （4bh³）其中：P = 载荷，L = 支座跨度，b = 宽度，h = 厚度，m = 载荷-挠度曲线的斜率

优点：

设置简单

中点最大应力

限制：

支座附近的高剪切应力

装载点可能造成局部损坏

四点弯曲

测试设置：

试样在两个外部点受到支撑，并在两个内部点加载。

载荷分布在试样的较大区域上。

关键参数：

支撑跨度

加载跨度（内部加载点之间的距离）

装载鼻直径

十字头速度

计算：

弯曲强度：σf = 3PL / （4bh²）

弯曲模量：Ef = 0.21L³m / （bh³）其中：P = 载荷，L = 支座跨度，b = 宽度，h = 厚度，m = 载荷-挠度曲线的斜率

优点：

加载点之间的弯矩均匀

降低剪切失效的风险

限制：

更复杂的设置

装载点可能造成局部损坏

样本注意事项：

典型尺寸：100-200 mm 长，13-25 mm 宽

跨厚比：三点弯曲通常为 16：1，四点弯曲通常为 32：1

表面质量对于防止过早失效至关重要

面内剪切试验 （ASTM D3518）

面内剪切试验的试样表示

ASTM D3518 测试方法确定了由高模量纤维增强的聚合物基复合材料的面内剪切性能。

测试原理：

在 ±45° 层压板上进行拉伸试验，以产生面内剪切。

该测试基本上是“拉伸”±45° 纤维，在材料中产生剪切状态。

标本制备：

平衡对称的 ±45° 层压板

典型尺寸与拉伸试样相似 （ASTM D3039）

测试程序：

作为标准拉伸试验进行

在纵向和横向测量的应变

计算：

剪切应力： τ12 = P / （2A）

剪切应变：γ12 = εx - εy

剪切模量： G12 = Δτ12 / Δγ12 其中： P = 施加的载荷，A = 横截面积，εx = 纵向应变，εy = 横向应变

优点：

使用标准拉伸试验设备

提供完整的剪切应力-应变曲线

限制：

仅限于面内剪切特性

可能不代表所有载荷条件

层间剪切强度测试 （ASTM D2344）

层间剪切试验示意图

ASTM D2344 标准，也称为短梁强度 （SBS） 测试，用于确定复合材料的层间剪切强度。

测试原理：

短梁承受三点弯曲

短跨度导致层间剪切破坏

标本制备：

典型的单向层压板

长度 = 6 ×厚度

宽度 = 2 ×厚度

测试设置：

三点弯曲配置

跨度长度 = 4 ×厚度

计算：

层间剪切强度：ILSS = 0.75 × P / （b × h） 其中：P = 最大载荷，b = 试样宽度，h = 试样厚度

优点：

简单快速的测试

需要小样本

限制：

可能不会产生纯粹的层间剪切破坏

结果会受到加载点应力集中的影响

故障模式：

层间剪切 （所需模式）

非弹性变形

柔性

非弹性变形和层间剪切

解释故障模式对于验证测试结果至关重要。

弯曲和剪切测试为了解复合材料在复杂载荷条件下的行为提供了必要的数据。这些测试与拉伸和压缩测试相结合，可以全面表征复合材料的机械性能，这对于各种应用中的设计和分析至关重要。

第 5 章：冲击和疲劳测试

拉伸 拉伸 疲劳试验试样

冲击和疲劳测试对于了解复合材料在突然载荷和循环载荷条件下的行为至关重要。这些测试为了解材料的韧性、能量吸收能力和重复载荷下的长期性能提供了宝贵的见解。

冲击试验：简支梁和悬臂梁试验

冲击试验测量材料在断裂过程中吸收能量的能力。对于复合材料，这些测试在评估损伤容限和能量吸收能力方面尤为重要。

简支梁冲击试验

测试原理：

带缺口的试样作为水平梁支撑

摆锤撞击与缺口相对的一侧的试样

测量骨折期间吸收的能量

标本制备：

复合材料通常为 55 mm x 10 mm x 10 mm

试样中心的 V 型缺口或 U 型缺口

测试程序：

将试样放置在测试夹具中，使缺口背对撞击边缘

钟摆从已知高度释放

吸收的能量是根据冲击前后摆锤高度的差异计算的

计算：

冲击能量 = mgh₁ - mgh₂ 其中：m = 摆锤的质量，g = 重力加速度，h₁ = 初始高度，h₂ = 最终高度

优点：

简单且应用广泛的测试

适合比较不同的材料

限制：

结果可能受试样尺寸和缺口几何形状的影响

可能无法准确表示实际应用程序中的冲击行为

悬臂梁冲击试验

测试原理：

与简支梁试验类似，但试样是垂直夹持的

摆锤在与缺口相同的一侧撞击试样

标本制备：

复合材料通常为 64 mm x 12.7 mm x 3.2 mm

试样一端的 V 形缺口

测试程序：

垂直夹持试样，使缺口朝向冲击边缘

钟摆从已知高度释放

吸收的能量的计算方式与简支梁测试相同

优点：

适用于测试薄片材料

可用于测试不同方向的各向异性材料

限制：

夹紧会引入应力集中

结果会受到复合材料中纤维取向的影响

复合材料的注意事项：

纤维取向相对于冲击方向会显著影响结果

复合材料中的失效模式（纤维断裂、基体开裂、分层）可能很复杂

可能需要具有不同取向的多个样品才能进行完整表征

疲劳试验 （ASTM D3479）：拉伸-拉伸和压缩-压缩

疲劳测试评估材料在循环载荷条件下的性能。对于复合材料，疲劳行为至关重要，因为它们用于风力涡轮机叶片或飞机结构等长期循环载荷应用。

疲劳试验的一般原则

测试目标：

确定不同应力水平下失效的循环次数

生成 S-N 曲线（应力与循环次数）

关键参数：

最大应力

应力比 （R = 最小应力 / 最大应力）

加载频率

环境条件（温度、湿度）

失败标准：

完全骨折

刚度降低（例如，模量降低 10%）

特定数量的损伤或分层

拉伸-拉伸疲劳 （ASTM D3479）

测试设置：

与静态拉伸试验装置类似

试样通常类似于拉伸试验中使用的试样 （ASTM D3039）

测试程序：

施加在最小值和最大值之间变化的正弦拉伸载荷

典型的应力比 （R） 范围为 0.1 至 0.8

频率通常为 1-10 Hz，具体取决于材料和测试目标

数据分析：

绘制 S-N 曲线（应力幅值与失效循环次数）

确定疲劳极限或耐久极限（如果适用）

复合材料的注意事项：

损伤累积可能很复杂（基体开裂、纤维断裂、分层）

疲劳行为在很大程度上取决于纤维取向和铺层顺序

压缩 - 压缩疲劳

测试设置：

与静态压缩测试设置类似

对于薄试样，可能需要防屈曲导轨

测试程序：

施加正弦压缩载荷

典型应力比 （R） > 1（例如，R = 10）

与张力-张力相比，通常使用较低的频率（以避免加热）

挑战：

避免屈曲，尤其是在高循环次数时

处理管端破碎故障

复合材料的注意事项：

对于某些复合材料，压缩疲劳通常比拉伸疲劳更重要

基体特性在压缩疲劳行为中起着重要作用

复合材料疲劳试验的一般注意事项

环境影响：

温度和湿度会显著影响疲劳寿命

考虑在相关条件下使用环境室进行测试

频率效果：

较高的频率会导致内部加热，尤其是在热塑性基复合材料中

在测试持续时间和避免热效应之间取得平衡

损害监测：

非破坏性技术（例如声发射、热成像）可用于监测损伤进展

在整个测试过程中通常会监测刚度退化

可变性：

复合材料的疲劳数据通常显示高散射

统计分析和多重测试对于可靠的表征至关重要

失效模式分析：

不合格试样的试验后检查对于了解失效机制至关重要

不同的失效模式可能在不同的应力水平或循环次数中占主导地位

冲击和疲劳测试提供有关复合材料在动态和循环载荷条件下性能的关键信息。这些测试对于预测复合材料结构在从航空航天到风能等各种应用中的长期行为和可靠性至关重要。

第 6 章：环境对机械性能的影响

环境因素会显著影响复合材料的机械性能。了解这些影响对于预测长期性能和确保各种应用的可靠性至关重要。本章重点介绍吸湿性、温度影响以及环境和机械组合测试。

吸湿性测试

吸湿性会显著影响聚合物基复合材料的机械性能，尤其是那些具有环氧树脂等吸湿性基体的复合材料。

测试方法

ASTM D5229：聚合物基复合材料吸湿性能和平衡调节的标准测试方法a）试样制备：

通常为扁平的矩形试样

尺寸：长度 25-100 毫米，宽度 25-100 毫米，制造厚度

b）测试程序：

将试样干燥至恒重

浸入水中或暴露在受控湿度下

定期称量试样，直到达到平衡

c）计算方法：

水分含量：M = [（W - W0） / W0] × 100% 其中：W = 湿重， W0 = 干重

ASTM D570：塑料吸水率的标准测试方法

类似的程序，通常用于纯树脂样品

关键考虑因素

扩散动力学：

绘制水分含量与时间平方根的关系图

确定扩散系数

边缘效果：

密封样品边缘以模拟厚层压板中的一维扩散

温度影响：

较高的温度通常会加速水分吸收

光纤/矩阵接口：

水分会降解纤维/基体界面，影响机械性能

可逆性：

干燥后性能恢复试验

温度影响

温度会显著影响复合材料的机械性能，尤其是基体主导的性能。

测试方法

ASTM D3045：塑料空载热老化的标准实践

ASTM D5229：包括高温调节程序

关键考虑因素

玻璃化转变温度 （Tg））：

使用动态机械分析 （DMA） 或差示扫描量热法 （DSC） 测定 Tg

Tg 附近发生重大性质变化

热膨胀系数 （CTE）：

使用膨胀计或应变计进行测量

对于预测多材料系统中的热应力非常重要

高温测试：

在高温下进行机械测试

使用环境箱和拉伸/压缩试验机

低温测试：

对于航空航天应用尤为重要

使用低温室进行极端低温测试

热循环：

模拟真实世界的温度波动

监测微裂纹或分层

环境和机械测试相结合

实际应用通常涉及同时暴露于环境条件和机械负载下。组合测试提供更真实的性能数据。

测试方法

ASTM D2584：固化增强树脂烧失量的标准测试方法

与机械测试结合使用，将性能变化与基体降解相关联

ASTM E1640：通过动态机械分析分配玻璃化转变温度的标准测试方法

可在各种环境条件下进行

关键考虑因素

湿热老化：

结合潮湿和温度暴露

监测机械性能随时间的变化

压力环境暴露：

在环境调节期间施加恒定负载

评估环境暴露下的蠕变行为

恶劣环境下的疲劳：

在环境室中进行疲劳测试

评估循环载荷和环境因素的协同效应

紫外线照射：

使用风化室模拟户外暴露

对于外部应用中使用的复合材料尤为重要

耐化学性：

将标本暴露于相关化学品（例如燃料、液压油）中

暴露后进行机械测试

测试矩阵示例

RT：室温

数据分析和解释

物业保留：

计算环境暴露后关键性能（强度、模量）的保留百分比

时间-温度-应力叠加：

开发模型以预测高温下短期测试的长期行为

失效模式分析：

检查环境因素如何影响失效机制

统计分析：

使用实验设计 （DOE） 高效探索多种环境因素

开发各种条件下属性变化的预测模型

微观结构分析：

使用 SEM 或 micro-CT 等技术将环境影响与微观结构变化相关联

了解环境对机械性能的影响对于以下方面至关重要：

复合材料结构的准确寿命预测

针对特定环境条件的材料选择

制定保护措施（例如涂料、密封剂）

在设计中建立适当的安全系数

通过在各种环境条件下全面测试复合材料，工程师可以确保复合材料结构在具有挑战性的实际应用中的长期可靠性和性能。

第 7 章：复合材料的无损检测 （NDT）

无损检测 （NDT） 对于评估复合材料和结构的完整性而不造成损坏至关重要。这些技术对于制造、在役检测和损坏评估过程中的质量控制至关重要。本章重点介绍复合材料的关键无损检测方法：超声检测、热成像和 X 射线计算机断层扫描。

超声波检测

超声检测是复合材料使用最广泛的无损检测方法之一，因为它在检测内部缺陷方面具有多功能性和有效性。

原则

高频声波（通常为 1-50 MHz）通过材料传输

分析来自缺陷或界面的反射

方法

脉冲回波

单个传感器既充当发射器又充当接收器

通过返回到传感器的反射检测到缺陷

直通式

在材料相对的两侧分离发射器和接收器

通过衰减或飞行时间变化检测到的缺陷

相控阵

多晶传感器

允许光束控制和聚焦，以改善检测和成像

应用

分层检测

孔隙度评估

厚度测量

异物检测

优势

对内部缺陷高度敏感

可以检查较厚的层压板

能够提供深度信息

局限性

需要偶联介质（通常为水或凝胶）

难以处理高衰减性或异质性材料

复杂的几何形状可能具有挑战性

热成像技术

热成像技术使用红外相机检测材料表面的温差，从而指示近表面缺陷。

原则

缺陷会影响材料中的热流

表面的温差表明地下异常

方法

被动热成像

观察自然温差

适用于在役检测（例如，检测热点）

主动热成像

施加外部热源（例如，闪光灯、热风枪）

观察热响应随时间的变化

锁相热成像

定期加热

分析热波的相位和振幅

应用

撞击损害评估

分层检测

进水检测

粘接质量评估

优势

快速、大面积检测

非接触式方式

对近表面缺陷有效

局限性

深度穿透有限

对表面条件敏感

需要仔细解释热图像

X 射线计算机断层扫描 （CT）

X 射线 CT 提供复合材料内部结构的详细 3D 图像，从而可以进行全面的缺陷分析。

原则

X 射线穿过材料，并因各种特征而以不同的方式衰减

将多个 2D X 射线图像重建为一个 3D 体积

方法

工业 CT

用于大型或致密部件的高功率 X 射线源

高分辨率，便于详细分析

显微 CT

对于小样品具有极高的分辨率

可用于微观结构分析

原位 CT

将 CT 扫描与机械测试相结合

实时观察伤害进展

应用

纤维取向分析

空隙含量测量

撞击损害评估

复杂零件的质量控制

优势

提供详细的 3D 信息

可以检测多种类型的缺陷

非破坏性横截面

局限性

样品量有限（尤其是高分辨率扫描）

采集和重建时间长

昂贵的设备

辐射安全问题

复合材料的其他无损检测方法

声发射

检测由生长缺陷释放的应力波

有助于在加载过程中进行实时监控

剪切图

使用激光干涉测量法检测表面变形

有效发现脱粘和分层

放射线照相术

使用 X 射线或伽马射线进行 2D 成像

适用于检测密度变化和异物

涡流检测

仅限于导电复合材料（例如碳纤维）

适用于表面和近表面缺陷

激光超声

非接触式超声波法

适用于复杂几何形状和高温应用

选择合适的 NDT 方法

需要考虑的因素：

要检测的缺陷类型

材料特性（例如，纤维类型、叠层）

组件几何形状和尺寸

所需的分辨率和灵敏度

检测速度和成本

可访问性（在役与制造）

无损检测 （NDT） 集成到复合材料制造和服务中

进程内监控

嵌入传感器（例如光纤）用于实时固化监测

用于自动化制造过程的在线热成像

质量管理

大型部件的自动超声扫描

关键或复杂部件的 CT 扫描

在役检查

用于现场检测的便携式无损检测设备

用于持续监测的结构健康监测 （SHM） 系统

数据集成和分析

用于自动缺陷检测的机器学习

整合 NDT 数据进行生命周期管理的数字孪生

挑战和未来趋势

自动化和机器人技术

用于复杂几何形状的自动扫描系统

基于无人机的大型结构检查

数据融合

结合多种无损检测技术进行全面评估

将 NDT 数据与结构分析和预测相结合

高级信号处理

用于缺陷检测和分类的 AI 和深度学习

通过高级算法提高分辨率和灵敏度

新技术

非导电复合材料的太赫兹成像

量子传感，提高灵敏度

无损检测是确保复合材料和结构的质量和可靠性的关键方面。通过采用无损检测方法并紧跟技术进步，工程师和检测员可以有效地检测和表征缺陷，确保复合材料部件在其整个生命周期内的安全和性能。

第 8 章：数据分析、解释和质量控制

适当的数据分析、解释和质量控制对于从复合材料的机械测试中提取有意义的信息至关重要。本章介绍复合属性的统计分析技术、失效模式识别、属性预测和建模、相关标准和数据库。

测试结果的统计分析

统计分析对于了解复合材料固有的可变性和对其特性进行可靠预测至关重要。

基本统计度量

均值 （Average）

计算方法是所有值之和除以观测值个数

提供数据的集中趋势

标准差

测量数据围绕平均值的分布

计算为方差的平方根

变异系数 （CV）

标准差与平均值的比率，以百分比表示

可用于比较不同属性或材料之间的差异

高级统计技术

方差分析 （ANOVA）

用于确定不同组的均值之间是否存在统计学显著差异

有助于评估各种因素（例如纤维取向、制造工艺）对性能的影响

Weibull 分析

通常用于复合材料的强度数据

提供有关不同应力水平下失效概率的信息

实验设计 （DOE）

确定影响过程的因素与该过程的输出之间关系的系统方法

有助于优化材料成分或加工参数

处理异常值

鉴定

使用统计检验（例如，Grubbs 检验、Dixon Q 检验）来识别潜在的异常值

治疗

调查异常值的原因（例如，制造缺陷、测试错误）

包含或排除的决定应基于工程判断并记录在案

报告结果

报告均值和标准差

包括测试的样本数量

在适当的情况下提供置信区间

根据测量精度使用适当的有效数字

故障模式识别

了解失效模式对于改进材料设计和预测长期性能至关重要。

复合材料中的常见失效模式

纤维断裂

通常发生在拉伸载荷下

其特征是垂直于纤维方向的干净断开

基体开裂

通常是首先发生的损害

如果不阻止，可能会导致其他故障模式

分层

相邻层的分离

通常由层间应力或冲击引起

光纤拉出

纤维从基质中拉出

表示光纤矩阵接口较弱

屈曲

常见于压缩测试

可以是整体（整个样本）或局部（单根纤维）

鉴定技术

目视检查

故障模式的初步评估

可以通过放大进行增强

显微术

用于表面分析的光学显微镜

扫描电子显微镜 （SEM） 用于详细检查断裂表面

X 射线 CT 扫描

内部损伤的无损 3D 可视化

声发射

在测试期间实时监控损坏进展

与测试数据的关联

将观察到的失效模式与应力-应变曲线中的特征联系起来

使用失效模式信息来验证或优化分析模型

属性预测和建模

预测建模对于复合材料结构的设计和优化至关重要。

微机械模型

混合物规则

用于预测纵向特性的简单模型

E1 = Ef * Vf + Em * （1-Vf），其中 E 是模量，V 是体积分数，f 是纤维，m 是基体

Halpin-Tsai 方程

更精确地实现横向和剪切特性

考虑纤维几何形状和保压

层压板理论

经典层压板理论 （CLT）

预测多向层压板的行为

基于单个层属性和堆垛顺序

第一层失效理论

最大应力、最大应变、Tsai-Wu、Tsai-Hill 准则

预测层压板的损坏开始

有限元分析 （FEA）

线性分析

预测应力分布和变形

适用于初始设计阶段

渐进式故障分析

模拟损伤累积和传播

需要高级材料模型和失效准则

机器学习方法

神经网络

可以根据成分和加工参数预测特性

需要大型数据集进行训练

高斯过程回归

提供概率预测

可用于不确定性量化

ASTM、ISO 和其他相关标准概述

标准可确保不同实验室和组织之间测试结果的一致性和可比性。

ASTM 标准

ASTM D3039：聚合物基复合材料的拉伸性能

ASTM D3410：聚合物基复合材料的压缩性能

ASTM D3518：聚合物基复合材料的面内剪切响应

ASTM D7264：聚合物基复合材料的弯曲性能

ASTM D2344：聚合物基复合材料的短梁强度

ISO 标准

ISO 527：拉伸性能的测定

ISO 14126：面内方向压缩性能的测定

ISO 14129：面内剪切应力/剪切应变响应的测定

ISO 14125：弯曲性能的测定

其他相关标准

SACMA（先进复合材料供应商协会）推荐方法

EN （European Norm） 标准

JIS（日本工业标准）

标准的关键方面

试样几何形状和制备

测试设置和过程

数据分析和报告要求

质量控制措施

复合材料机械性能数据库

数据库是材料选择、设计和研究的宝贵资源。

数据库类型

公共数据库

NIST Composites Data （英文）

CMH-17 （复合材料手册）

ESDU （工程科学数据单元）

专有数据库

由材料供应商或大型 OEM 维护

通常需要许可或合作协议

研究数据库

由大学或研究机构编制

可能侧重于特定类型的复合材料或特性

通常包含的信息

材料成分（纤维类型、基质、纤维体积分数）

加工方法

机械性能（强度、模量、泊松比）

物理特性（密度、热膨胀系数）

环境数据（吸湿性、温度影响）

统计信息（平均值、标准差、标本数量）

数据库的利用率

材料选择

比较特定应用的不同材料的特性

设计允许

根据数据库条目的统计分析确定设计值

模型验证

使用数据库值验证预测模型

识别研究差距

确定需要更多数据的区域

挑战和注意事项

确保数据质量和可追溯性

标准化数据格式以实现互操作性

使用新材料和测试方法使数据库保持最新状态

平衡开放获取与专有信息

有效的数据分析、解释和质量控制对于最大限度地提高复合材料机械测试的价值至关重要。通过采用严格的统计技术、了解失效模式、利用预测模型、遵守既定标准以及利用全面的数据库，工程师和研究人员可以在复合材料的设计、制造和应用方面做出明智的决策。

第 9 章：复合材料测试中的高级主题

随着复合材料和制造技术的发展，表征这些先进材料所需的测试方法也在不断发展。本章重点介绍夹层结构、3D 编织复合材料和连续纤维 3D 打印复合材料的测试方法。

夹层结构测试

夹层结构由两块薄而坚硬的面板组成，粘合到一个轻质芯上，由于其高刚度重量比而广泛用于航空航天、船舶和风能应用。

主要测试方法

弯曲测试

ASTM C393：梁弯曲法测定夹层结构核心剪切性能的标准测试方法

确定端面弯曲强度、型芯剪切强度和面板弯曲刚度

平面拉伸试验

ASTM C297：夹层结构平面拉伸强度的标准测试方法

评估面板和芯材之间的粘合强度

Edgewise 压缩测试

ASTM C364：夹层结构边缘抗压强度的标准测试方法

评估整个夹层结构的抗压强度

型芯剪切测试

ASTM C273：夹芯材料剪切性能的标准测试方法

确定芯材的剪切强度和模量

冲击测试

ASTM D7766：夹层结构抗损伤测试的标准实践

评估夹层结构对冲击事件的抗损伤性

特别注意事项

尺寸影响：由于夹层结构的异质性，试样尺寸会显著影响结果

失效模式：可能会出现多种失效模式（例如，面板失效、型芯剪切、压痕），需要仔细解释

环境影响：湿度和温度会极大地影响核心特性，因此需要进行环境测试

3D 编织复合材料的测试

与传统的层压复合材料相比，3D 机织复合材料具有更好的全厚度性能和损伤容限。

主要测试方法

拉伸测试

修改后的 ASTM D3039 程序

由于 3D 加固的规模，需要更大的试样

压缩测试

适用 ASTM D6641（组合载荷压缩）

特别注意复杂光纤结构引起的末端效应

层间剪切强度

改良短梁剪切试验 （ASTM D2344）

3D 光纤架构使解释复杂化

Fracture Toughness

模式 I：双悬臂梁 （DCB） 测试 （ASTM D5528）

模式 II：端部切口弯曲 （ENF） 测试

需要仔细考虑裂纹在 3D 结构中的扩展

冲击测试

低速冲击 （ASTM D7136）

冲击后压缩 （CAI） 测试 （ASTM D7137）

特别注意事项

光纤结构表征：Micro-CT 扫描以验证 3D 光纤排列

缩放效果：代表性体积元素可能比传统复合体大

各向异性：由于复杂的光纤结构，特性在不同方向上可能会发生显著变化

失效模式分析：复杂的失效模式需要先进的成像技术进行解释

连续纤维 3D 打印复合材料的测试

连续纤维 3D 打印是一项新兴技术，可在部件内实现复杂、定制的纤维取向。

主要测试方法

拉伸测试

适用 ASTM D3039

特别考虑打印方向和纤维取向

弯曲测试

修改后的 ASTM D7264

注意层接口和光纤连续性

层间剪切强度

短梁剪切试验 （ASTM D2344）

评估层粘合质量的关键

压缩测试

适用 ASTM D6641

对于评估纤维排列和基质特性非常重要

疲劳测试

修改后的 ASTM D3479

对于了解打印部件的长期性能至关重要

特别注意事项

各向异性：特性可能会因打印方向和纤维放置策略而有很大差异

空隙含量：与传统制造方法相比，3D 打印工艺可能会引入更多的空隙

纤维-矩阵接口：打印过程中的浸渍质量会影响机械性能

残余应力：打印过程中的热梯度会引入残余应力

表面光洁度：可能影响测试结果，尤其是在疲劳测试中

新兴的测试方法

原位测试

在打印过程中实时监控机械性能

利用嵌入式传感器或无损检测技术

多材料测试

表征多材料打印件中不同材料之间的界面

需要制定新的测试标准

功能分级材料测试

评估成分或纤维取向不断变化的零件的性能

需要新的数据分析和解释方法

高级复合材料检测的常见挑战

试样制备

复杂的几何形状和加固结构会使试样制备变得具有挑战性

确保样本的一致性和代表性至关重要

数据解释

高级复合材料通常表现出复杂的失效模式

需要复杂的分析技术和通常的多尺度建模

标准化

许多高级复合材料形式缺乏既定的测试标准

研究人员通常需要调整现有标准或开发新方法

属性可变性

先进的制造技术可以引入新的可变性来源

需要稳健的统计分析和可能更大的样本量

缩放效果

在小型试样上测得的特性可能无法准确反映全尺寸组件的行为

需要仔细考虑缩放规则并通过组件级测试进行验证

高级复合材料检测的未来趋势

数字孪生集成

将物理测试与实时仿真相结合，以改进预测和优化

机器学习应用程序

使用 AI 预测属性、优化测试计划和解释复杂数据集

高通量测试

开发快速测试方法以跟上加快的材料开发周期

多尺度测试

整合纳米、微观和宏尺度测试，全面了解材料行为

原位和在线监测

开发在制造和使用过程中进行实时特性测量的技术

先进的复合材料检测带来了独特的挑战，但也带来了创新的机会。随着材料和制造技术的不断发展，测试方法必须进行调整，以便为这些先进材料的设计、质量控制和认证提供准确、可靠的数据。

第 10 章 未来趋势和工业应用

随着复合材料的不断发展和新的应用，测试和分析这些材料的方法也在不断进步。本章探讨了复合材料测试的未来趋势，重点关注自动化和人工智能，并研究了关键工业领域的案例研究。

测试自动化

自动化正在彻底改变复合材料测试，提高效率、可重复性和数据质量。

自动化的关键领域

试样制备

自动切割和加工系统

机器人处理和定位试样

测试执行

测试机器的自动装卸

用于无损检测的机器人系统（例如，自动超声扫描）

数据采集

高速数据采集系统

集成多种传感器类型（负载、应变、声发射等）

环境控制

自动调节室

测试过程中精确控制温度和湿度

新兴技术

机器人测试单元

适用于多种试样类型的全自动测试执行

将各种测试方法集成到单个单元中

原位过程监测

实时监控制造过程

生产过程中的自动化质量控制

数字主线实施

从制造到测试和分析的样本跟踪

确保数据完整性和可追溯性

物联网 （IoT） 集成

用于远程监测和控制的互联测试设备

实时数据共享和分析

优势和挑战

好处：

提高吞吐量和效率

提高可重复性并减少人为错误

增强的数据质量和一致性

挑战：

初期投资成本高

需要专门的维护和校准

测试程序可能失去灵活性

数据分析中的机器学习和 AI

人工智能 （AI） 和机器学习 （ML） 正在改变复合测试数据的分析和解释方式。

AI/ML 在复合材料测试中的应用

自动缺陷检测

用于识别无损检测图像中缺陷的机器学习算法

制造过程中的实时质量评估

属性预测

用于根据成分和加工参数预测机械性能的神经网络

减少对大量物理测试的需求

故障模式分类

用于故障模式分类的 AI 驱动的图像分析

断裂表面的自动测试后分析

测试参数优化

用于优化测试条件和样本量的机器学习算法

基于实时数据分析的自适应测试程序

数据挖掘和模式识别

从历史测试结果的大型数据集中提取见解

识别制造参数和材料特性之间的相关性

高级 AI/ML 技术

深度学习

卷积神经网络 （CNN） 用于基于图像的缺陷检测

用于疲劳测试中时间序列数据分析的递归神经网络 （RNN）

生成对抗网络 （GAN）

生成综合测试数据以增强有限的物理测试结果

创建复合结构的数字孪生

强化学习

优化测试程序和制造流程

自动化测试系统的自适应控制

自然语言处理 （NLP）

测试报告和研究论文的自动分析

从非结构化数据源中提取知识

挑战和注意事项

数据质量和数量：ML 模型需要大型、高质量的数据集进行训练

可解释性：确保可以解释和验证 AI/ML 决策

与现有系统集成：与当前数据管理和分析工具兼容

道德考虑：解决数据集和算法中的偏见

工业应用案例研究

研究高级复合材料检测在关键行业的实际应用，可以深入了解当前的实践和未来的方向。

航空航天工业

案例研究：下一代飞机机翼

挑战：开发和认证一种性能更高、重量更轻的复合材料机翼结构

测试方法：

从试样到全尺寸组件的多尺度测试

使用机器人系统对大型部件进行自动无损检测

用于预测长期疲劳表现的 AI 驱动的数据分析

成果：

与上一代产品相比，重量减轻 20%

提高损伤容忍度和疲劳寿命

通过虚拟测试和 AI 辅助数据解释缩短认证时间

汽车工业

案例研究：电动汽车电池外壳

挑战：为电动汽车设计轻质、防撞的复合电池外壳

测试方法：

使用自动化测试单元进行高通量冲击测试

用于优化纤维取向的机器学习算法

对制造过程进行现场监控，以确保质量始终如一

成果：

与金属替代品相比，重量减轻 30%

改善碰撞能量吸收

通过 AI 辅助设计优化缩短开发时间

风能行业

案例研究：下一代风力涡轮机叶片

挑战：为海上应用开发更长、更耐用的风力涡轮机叶片

测试方法：

叶片截面的自动全尺寸疲劳测试

AI 驱动的结构健康监测系统

用于预测维护需求的数字孪生集成

成果：

刀片长度增加 25%，重量不成比例增加

提高疲劳寿命并降低维护要求

通过对运营数据进行 AI 分析，增强预测性维护功能

未来展望

复合材料测试的未来可能会看到：

提高物理和虚拟测试的集成度

将物理测试与实时仿真相结合的混合测试方法

通过经过验证的虚拟模型减少对大量物理测试的依赖

高级传感器和无损评估

开发用于实时监测复合材料结构的嵌入式传感器

用于评估复杂 3D 打印或编织复合材料的新型无损检测技术

可持续发展重点

回收和生物基复合材料的测试方法

将生命周期评估集成到材料测试和选择流程中

多功能复合材料

具有集成传感、自愈或能量收集功能的复合材料测试协议

评估非传统复合材料性能的新标准

人工智能的进步

能够自主规划和执行测试的 AI 系统

持续学习算法，每次执行测试都会得到改进

复合材料测试的未来特点是自动化程度的提高、智能数据分析以及材料表征和结构性能的整体方法。随着复合材料不断突破材料性能的界限，测试方法将不断发展以应对这些新挑战，从而能够在各个行业开发更安全、更高效、更可持续的复合材料结构。