復合材料結構材料測試方法是一個循序漸進的過程，可作為設計復合材料結構的框架，同時降低風險和成本。
圖 1. 結構測試的金字塔
在復合材料測試的背景下，構建塊方法是一系列日益復雜的機械測試，再加上每一步的分析，作為設計復合材料結構的框架。盡管大多數對復合材料設計的構建塊方法的參考都集中在最初開發的航空業，但復合材料行業服務的許多其他終端市場也遵循了通用方法。毫不奇怪，復合材料測試的數量和類型變化很大，這取決于復合材料結構的應用和復雜性。
圖 1 中顯示了一個通用的測試金字塔，說明了所執行的測試水平。在構建塊方法中，每個級別或“塊”都有特定的用途，并從底部開始按順序處理?？梢愿鶕y試物品的復雜性以及測試結果的使用來描述與每個級別相關聯的測試。在本專欄中，我將關注與設計過程的初始階段相對應的構建塊金字塔的最低級別。
測試金字塔的基準面，稱為試片水平，是執行大多數試片水平測試的地方。這些測試有多種用途，根據所設計的結構的不同，用途會有很大的不同。測試的第一個目的是篩選候選復合材料。如果候選材料還不可用，則進行篩選測試以確定其基本剛度和強度特性。
此外，通常的做法是選擇額外類型的篩選測試，以獲得特定應用或目的的關鍵特性。例如，短梁剪切試驗（ASTM D 23441）可用于材料選擇，因為測得的短梁強度對復合材料層壓板內的孔隙率、纖維與基體的粘附性和層間強度的問題高度敏感。此外，開孔壓縮試驗（ASTM D64842）和沖擊后壓縮試驗（ASTMD71373）用于許多航空航天應用，因為兩者都用作缺口敏感性的篩選試驗，前者用于缺口層壓板設計容許值，這些容許值通常比壓縮強度更關鍵。
由于尚未選擇要使用的特定多向層壓板，因此這些試驗通常使用準各向同性層壓板（25%0°層、50%±45°層和 25%90°層）。此外，這些篩選測試有時是在應用所需的關鍵環境條件下進行的，例如在高溫下使用濕度調節的樣品。候選復合材料也可以在進行最終選擇之前進行制造和修復試驗。
雖然這種測試需要相當大的時間和費用，但其目的是減少金字塔上進一步的子組件和部件級測試的數量。請注意，如果選擇了一種現有數據庫的復合材料，那么這些篩選測試中的相當一部分可能會被取消。盡管復合材料供應商通常只為其材料提供有限的一組性能，但公共數據庫可用于越來越多的復合材料。
例如，20 世紀 90 年代開發的高級通用航空運輸實驗數據庫4 包括具有機織物和單向纖維的碳纖維和玻璃纖維增強復合材料的薄層材料特性。此外，美國國家先進材料性能中心（NCAMP-National Center for Advanced Materials Performance）數據庫 5 包括各種復合材料的薄層和層壓板性能數據，重點關注航空航天工業。最后，在復合材料手冊（CMH-17- Composite Materials Handbook - 17）6 的第 2 卷中可獲得各種普遍感興趣的復合材料的機械性能數據。
一旦為特定應用選擇了候選復合材料，并確定了支持設計的關鍵機械性能，就必須開發一種穩定的測試板制造工藝，該工藝可以繼續構建更復雜的測試 件，從而形成最終結構。隨著工藝規范的制定，可以對多個生產批次的材料進行特定應用的關鍵機械性能測試，并用于確定初步的材料容許值——從測試數據中統計得出的材料性能值。
為此，通常使用多個生產運行中生產的材料進行測試。還可以進行測試以解決非周圍環境的影響。對于聚合物基復合材料（PMC），最常見的關注環境是熱/濕條件，在該條件下基體材失去剛度和強度，以及在低溫下基體材料喪失延展性。在設計過程中的這一點上進行額外的試片水平測試，以獲得明顯更難通過分析產生的材料特性。示例包括缺口敏感性（裸孔和填充孔）測試、軸承測試和損傷容限（沖擊后壓縮）測試。這些測試通常使用特定應用感興趣的特定多向復合材料層壓板進行。
為了限制所需的測試量，通常通過限制纖維方向的數量來減少層壓板的數量，例如 0°、±45°和 90°的層壓板，并改變層壓板中每組層壓板的百分比。對于航空航天應用，常見的層壓板測試包括準各向同性層壓板（25%0°層、50%±45°層、25%90°層）以及其他“硬”層壓板（40-50%0°層）。“軟”層壓板（8-10%0°層）有時也會進行測試。即使候選層壓板的數量有限，測試的數量也會迅速增加。
總之，通常在構建塊方法的基本水平上執行相對大量的試片水平測試。雖然這種測試需要相當大的時間和費用，但其目的是控制材料和工藝的可變性，并減少金字塔上進一步的組件和部件級測試的數量，從而在降低風險的同時降低總體成本。然而，正如我在一開始所提到的，不同終端市場的構建過程以及復合材料結構的不同復雜性存在相當大的可變性。關于構建塊方法的大部分內容都集中在航空航天，尤其是商業航空航天。目前，《復合材料手冊》（CMH-17）7 第 3 卷第 4 章對構建塊方法進行了最廣泛的介紹。
參考文獻：
1.ASTM D2344/D2344M-16，“聚合物基復合材料及其層壓板短梁強度的標準試驗方法”，ASTM 國際（美國賓夕法尼亞州西康舍霍肯），2016 年（1965 年首次發布）。
2.ASTM D6484/D684M-20，“聚合物基復合材料層壓板的開孔抗壓強度”，ASTM 國際（美國賓夕法尼亞州西康舍霍肯）， 2020（1999 年首次發布）。
3.ASTM D7137/D7137M-17，“受損聚合物基復合材料板的壓縮殘余強度特性”，ASTM 國際（賓夕法尼亞州西康舍霍肯）， 2017（最初于 2005 年出版）。
4.高 級 通 用 航 空 運 輸 實 驗 （ AGATE ） 數 據 庫 ，www.niar.wichita.edu/AGATE/
5.美國國家先進材料性能中心（ NCAMP ） 數據庫，www.niar.wichita.edu/coe/NCAMP.asp
6.《復合材料手冊》-17（CMH-17），第 2 卷：材料特性，SAE 國際，修訂版 H，2018。
7.《復合材料手冊》-17（CMH-17），第 3 卷：材料使用、設計和分析，SAE 國際，2012 年 G 版。
來源：復合材料體驗館
原文見，《 Composites testing as part of a building block approach, Part 1: Coupon-level testing 》2021.7.28
