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復合材料的沖擊測試

2020-03-31 08:29:17·  來源：英斯特朗  
　
昨天復合材料是由兩種或兩種以上材料復合形成的新型材料。最常見的一類是碳纖維增強復合材料，從結構上看它像紡織品的纖維布一層一層疊加復合在一起，利用樹脂進
復合材料是由兩種或兩種以上材料復合形成的新型材料。最常見的一類是碳纖維增強復合材料，從結構上看它像紡織品的纖維布一層一層疊加復合在一起，利用樹脂進行增韌固化。它因為具有重量輕、比強度/比剛度高、抗疲勞性能好、適合一體化設計、各項異性等特點，使其一經(jīng)問世便備受關注。據(jù)報道，我國商用大飛機C919采用了約30%的復合材料，研制中的C929有望復合材料使用占比高達50%。不僅是飛機，可以說任何追求速度和輕量化的行業(yè)都希望能利用這樣一種新材料，如賽車、高速列車、航天器等。眾所周知的法拉利、帕加尼等超跑制造商很早就在車身上使用復合材料。

纖維復合材料板

碳纖復合材料雖然有著極高的強度，但也并非完美無缺。其中一個不可忽視的缺點就是耐沖擊性差。航空復合材料潛在威脅可能是來自制造、使用和維修過程中不可避免的低能量沖擊，如維修期間工具掉落、跑道碎石、冰雹等諸如此類的低能量外來物沖擊。這種沖擊在產品外觀上往往不易察覺，但其內部可能出現(xiàn)分層、基體裂紋和纖維斷裂，材料或零件的強度有可能降至原本的50%甚至更低，所以早在上世紀80年代國外就通過落錘方法對材料進行定量損傷，然后測試其剩余壓縮強度來評估其抗沖擊性能，這就是CAI（Compression after Impact）測試的由來。
   
 
 
 
碳纖維泡沫夾芯材料在不同能量沖擊后的表面狀況（從左到右：5J，10J，15J，20J）

CAI測試在航空復合材料領域已經(jīng)是標準化測試，涉及ASTM D7136/7137、GB/T21239、 空客AITM 1.0010、波音BSS 7260等標準。以ASTM D7136為例，其規(guī)定了使用公制100mmx150mm的矩形樣品，特定的夾具結構和材質。推薦樣品厚度h為4-6mm，使用落錘總質量為5.5±0.25kg和直徑為16±0.1mm、硬度為60~62HRC的半球形光滑沖擊頭，以6.7J/mm×h（樣品厚度）的能量沖擊樣品，為了避免沖頭多次沖擊樣品造成額外損傷，落錘試驗機需具備防二次沖擊功能。最后記錄沖擊表面和背面損傷情況，再使用萬能材料試驗機對樣品進行壓縮測試。

INSTRON CAI沖擊夾具
 
但對于科研或者產品研發(fā)的人們而言，他們研究復合材料抗沖擊性能的方式常常不局限于標準的測試，他們關注過程和失效分析，沖擊后也對樣品進行拉伸或者剪切，往往追求更靈活的測試條件。
 
科研人員在討論復合材料沖擊測試結果

測試軟件界面

人們希望通過INSTRON落錘試驗機可以獲得整個沖擊過程中每個細節(jié)的精確信息。如下面一個典型的CAI沖擊曲線，從位移和載荷的曲線可以看到開始階段樣品的變形屬于彈性彎曲，所以變形量也是隨著沖擊載荷呈單調上升；達到初始破壞載荷后材料開始損傷，曲線出現(xiàn)小的振蕩；緊接著是基體持續(xù)開裂、層間裂紋擴展，出現(xiàn)峰值載荷、載荷下降等一系列過程，這些也都很直觀地反映在測試結果曲線上。從能量和時間的曲線看，可以清楚的看到施加的能量、吸收能和彈性能等信息。這些通過INSTRON的Bluehill Impact軟件都可以輕松獲取。

典型的復合材料CAI曲線
      
 
沖擊后通過水浸超聲和X-Ray無損探傷分析1
[1]圖片源自R. Matadi Boumbimba,M. Coulibaly, A. Khabouchi, G. Kinvi-Dossou,N.Bonfoh, P. Gerard.Glass fibresreinforced acrylic thermoplastic resin-based tri-block copolymers composites:Low velocity impact response at various temperatures. Composite Structures160(2017)939-951
 
除了傳統(tǒng)的CAI沖擊外，現(xiàn)在沖擊的方式和應用范圍也在發(fā)生著變化。隨著很多復合材料被應用到汽車車身，人們開始將汽車用塑料多軸沖擊的方法（ISO 6603、ASTM D3763）應用到復合材料上，也就是將樣品固定后，用一定的速度或者能量直接將樣品沖穿，以獲得能量、載荷、形變的信息。并將虛擬仿真與實際測試進行比較，這些結果都會被用于計算機輔助工程和材料卡生成。

實際沖擊和仿真對比

人們還希望對結構件進行沖擊測試。應用于蘭博基尼超級跑車的Forged Composites®（鍛造復合材料）打開了一個汽車領域尚未涉足的場景，其靈活高效的成型技術讓很多復合材料零部件成為可能。而對這些復雜多變的零部件測試，除了需要穩(wěn)定和可靠的測試結果以外，設備測試空間，傳感器抗側向力，嚴苛的測試環(huán)境場景都會是測試面臨的挑戰(zhàn)。

大型復合材料零部件的在高低溫環(huán)境下進行沖擊測試
 
當材料或者產品在實際使用的過程中，有承受沖擊風險的時候，人們就很容易想起使用落錘沖擊試驗機進行評估材料性能。研究纖維種類、基體樹脂、鋪層方式、零件結構、環(huán)境溫度等等因素對沖擊材料性能的影響，以更好的研發(fā)材料配方和優(yōu)化設計，加速產品的上市。
 
其他復合材料的沖擊案例：
 
類似ISO 179簡支梁的方式?jīng)_擊復合材料
 
纖維增強混凝土沖擊測試
 
       
 
泡沫鋁復合材料板穿透沖擊

INSTRON 9400系列試驗機

9400是INSTRON最新一代落錘沖擊試驗機，在傳承安全、精確、靈活性等優(yōu)點外，它搭載全新Bluehill平臺測試軟件，基于觸控設計的全新操作流程，讓設備使用更加便捷、更智能、更安全，大幅提升客戶體驗。我們堅持以終為始，從設計到制造都積累了豐富的經(jīng)驗，以幫助客戶迎接各類測試挑戰(zhàn)。

新一代9400落錘沖擊試驗機
 
Bluehill Impact測試軟件
 
 
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