复合材料压缩性能试验方法多年来一直受到国内外广泛关注,同时也因为其加载方式的多样性是复材测试中相对复杂,具有分歧的方法。由于压缩试验对屈曲,弯曲,试样在夹具中不对中,试样纤维方向偏差,试样和加强片厚度偏差等因素特别敏感,正确,可靠,可重复的复合材料压缩试验是很困难的。目前已经存在各种类型的压缩试验方法,这些方法对应各自不同的试验工装,这些试验工装已经经过四十多年的发展。
复材压缩性能试验方法分类:通过端面加载将载荷引入试样工作段;通过剪切将载荷引入试样工作段;通过端面和剪切联合加载将载荷引入试样工作段
复材压缩试样失效模式
根据复合材料基体和纤维的强度和韧性,以及纤维和基体界面结合程度等性能,复合材料在压缩载荷作用下会产生不同的失效模式,其中不在试样标距段发生的失效模式在标准中被认定是无效的。
端面加载压缩试验(标准ASTM D 695, ISO 14126方法2,SACMA SRM 1R, EN 2850 B型)
这种试验方法的加载方式最为简单,所以试验工装也相对简单。不过由于载荷直接作用于试样两端,对于试验端面的机械加工精度也很高。这种试验方法可以得到可靠的压缩模量,但是可能会发生早期失效,导致极限压缩强度测量结果偏低。所以建议分别测量,测量压缩模量是采用无加强片矩形试样,测量极限压缩强度时采用带加强片矩形试样。
使用此工装进行试验时,试样应变可通过应变片和引伸计测量。
最早的ASTM D 695工装只适用于塑料压缩,而非复材。波音公司修订后的工装可用于复材测试,试验过程中两个具有纵向槽,比试样稍微短一些的I形防屈曲支撑板轻轻夹持住试样表面,来自支撑板的力与端面施加载荷相比可以忽略不计。这种夹具可以很好地垂直夹持试样,保证试样对中。ASTM D 695方法的局限性在于狗骨形试样不适用于高模量复合材料。此外,此方法没有规定夹紧力的大小,只规定用手拧紧,所以试验结果的重复性和准确性会受到一定影响。
剪切加载压缩试验(ASTM D 3410, ISO 14126 方法1, EN 2850 A型)
剪切载荷加载试验方法非常适用于较高强度的材料。由于载荷不是通过端面直接加到试样上,所以端面机加工精度没有特殊要求。并且相对端面加载来说,这种通过对试样表面加载的方法产生的应变分布也更加均匀。但是,其试验工装更加复杂,而且夹持试样时更容易产生不对中。
塞拉尼斯(Celanese)压缩试验夹具为早期版本,其结构为圆锥楔形夹块。然而,这个夹具对试样厚度有一定限制,并且可能在压缩过程中由于夹面的移动而产生扭转。
还有一种为ZwickRoell研发生产出的HCCF(hydraulic composites compression fixture)试验工装,这种工装在设计与操作上做出了显著的改进:平行液压夹持原理使得在测试过程中夹面没有移动,同时试样夹持更加快速可靠,大大地提高了测试效率。HCCF的适用范围也更加广泛,在较小载荷情况下(<40kN)适用于剪切加载,在较大载荷情况下(<200kN)适用于混合剪切和端面加载。并且,测试过程中夹面不会有移动,可以很好的避免试样不对中的问题。如下图所示,与传统的Celanese工装相比,使用HCCF工装得到的试验结果离散性更小。除了ASTM标准外,HCCF还满足空客公司(Airbus)的AITM 1.0008标准,并可以用于开孔试样和填空试样的压缩试验。使用HCCF工装时,可以搭配应变片或者数字式夹持式引伸计来测量应变。
剪切和端面混合加载压缩试验(ASTM D 6641, ISO 14126 方法2)
混合加载模式的适用范围更广。载荷一部分从试样端面,一部分从试样表面传递到试样上。这种加载方式相对于端面加载来说应变分布更加均匀。这种试验方法不止可以用于层合板中,还可以用于绝大部分纤维增强结构中。试样的大小厚度范围更广,并且绝大多数的高分子基纤维增强复合材料,包括热固性和热塑性基体,都适用。但是,这种方法对于试样端面的机加工精密程度要求也很高,并且对加强片和胶水厚度差异也很敏感,所以制样时需要额外注意。
除了之前提到过的HCCF工装,以下工装也应用于混合加载压缩试验:
使用这个工装的时候,夹紧力的大小可以通过螺栓扭矩来控制。高刚度的圆柱连接杆确保了试样的轴向对中度。但是同时这个工装也存在上样不便、耗时等的操作问题。