热点关注·材料等效性测试

为响应传统专有聚合物基复合材料 （PMC）资格认证，NCAMP 继续努 力使材料属性数据库公开。

与铝和钢等金属相比，聚合物基复合材料（PMCs）   的刚度和强度性能有着广泛的应用。对于金属，这些力  学性能是各向同性的，因此假定与材料取向无关。因此， 只有两个独立的刚度特性（拉伸模量和剪切模量）和两  个独立的强度特性（拉伸强度和剪切强度）。

相比之下，PMC 的刚度和强度特性与方向相关，因此必须在三个垂直方向上进行测量， 以充分表征材料。 更复杂的是，在拉伸和压缩载荷下， 强度特性可能显著  不同， 因此需要进行拉伸和压缩试验。最后一个复杂的  问题是一些机械性能对环境条件的依赖性， 包括温度和  湿度。因此，除了在室温/环境条件下进行试验外，PMC  通常在预期使用的极端环境条件下进行试验。对于飞机  应用，这涉及在-54ºC（冷）以及 71ºC 和 121ºC 之间进  行湿度调节（热/湿）后的测试。所有这些考虑导致大型  和昂贵的机械测试计划，以充分体现 PMC 在航空航天  应用中的特点。

传统上， 这些测试项目由大型航空航天项目资助， 测试结果仍归拥有该项目的公司所有（如波音、空客、 诺斯罗普 ·格鲁曼、洛克希德 ·马丁）。材料生产商通常  为其产品提供的试验数据集要小得多， 重点是室温/环  境条件下的有限刚度和强度特性，以及航空航天应用所  需的最恶劣环境条件。因此，  直到最近， 私营军事公司  材料属性数据库的公共可用性还非常有限。

与航空航天行业相比，用于许多非航空航天  PMC  应用的设计和分析过程可能不需要生成大量的测试结  果集。其他市场对复合材料结构设计和分析所需的机械  性能取决于许多因素， 包括结构的复杂性、分析与测试  的作用以及安全考虑和管理法规。然而，对于任何应用，使用数值分析（如有限元分析（FEA）） 通常需要一整套 材料刚度特性以及各种强度特性来预测结构中复合材 料的各种失效模式。因此，使用复合材料的许多行业都 对综合材料数据集感兴趣。

目前，NCAMP 数据库中包括 25 个以上的 PMC， 重点是航空航天工业中使用的材料。

25 多年来，一直在努力为私营军事公司建立一个公  开的材料属性数据库。先进的通用航空运输实验（玛瑙） 计划，始于  1995  年，重点是在通用航空工业中使用的  PMCs 的材料特性。玛瑙之后，在 2005 年的国家先进材  料性能中心（NCAMP）， 这是作为美国联邦航空局资助  的计划内的国家航空研究所（NIAR）在威奇托州立大学  （堪萨斯州，美国）。NCAMP 已成为一个自我维持的国  家中心，与 FAA 、 CMH-17 和行业合作，为 PMCs 建立  一个可公开获取的数据库。 NCAMP 数据库中的每个材  料系统都包含层板级刚度和强度特性，以及来自无缺口  拉伸和压缩测试、裸孔和填充孔拉伸和压缩测试以及冲  击后压缩测试的有限层板级材料特性。其他物理测试结  果包括密度、固化层厚度、纤维和树脂体积分数以及玻  璃化转变温度（Tg）。目前，NCAMP 数据库 1 中包含了  25 多个 PMC ，重点是用于航空航天行业的材料。

数据库包含 PMC 与金属测试要求之间的最终差异：成品 PMC 材料特性因所用制造工艺而异。与金属不同，   PMC 通过进一步加工输入材料（如干纤维增强体和液态  树脂或未固化复合预浸料） 而达到最终状态。因此，   最  终机械性能取决于铺层方法、成型技术和制造过程中使  用的固化工艺。可能影响机械性能的相对较小的制造变  化示例包括纤维或基体材料、其体积分数或其制造工艺  的微小变化， 以及铺层、成型或固化工艺的微小差异。

这种材料特性对加工的依赖性不同于通常对金属    的依赖性。例如， 市售铝合金的机械性能很容易获得，   预计不会受到从采购材料库存中制造组件的影响。因此， 对于许多航空航天应用， 需要进行一个附加步骤，称为    材料等效性试验， 以确定制造商制造方法产生的  PMC    零件的特性是否与开发数据集的特性等效。

材料等效性测试的目的是执行有限测试并评估选 定的材料特性，以证明零件制造商创建的层压板将具有 与用于结构分析的材料特性数据集相同的特性。根据其 检测纤维和基体材料、预浸料制造工艺、铺层方法和固 化工艺变化的能力，选择了用于评估材料等效性的材料 性能。表 1 列出了 NCAMP 用于证明材料等效性的材料 特性和相关试验方法。参考文献  2  和  3  中提供了有关 NCAMP 等效性测试过程的附加信息。

最后，请注意，上面讨论的所有测试都与我在 2021年 8 月专栏和 2021 年 12 月专栏中讨论的位于构建块金    字塔底部的级别测试片相关。此试片级等效测试允许使    用 NCAMP 数据集对使用材料制造的零件进行结构分析。 但是， 请注意，在试件测试级别证明材料等效性并不意    味着在构建块金字塔的较高元素和子组件级别 与    NCAMP 材料等效。因此，为了证实这些更高构建块级    别的认证结构，可能还需要在元件和子组件级别使用更    复杂的测试件进行附加测试。

原文见，《 Material equivalence testing in shared composites databases  》   2022.10.21.

杨超凡    2024.7.14

杨超凡简介：飞机制造高级专家，近年专攻民机复合材料。原航空工业部首批研究员级高级工程师，享受国务院特殊津贴。