复材结构测试金字塔

        复合材料结构材料测试方法是一个循 序渐进的过程，可作为设计复合材料 结构的框架，同时降低风险和成本。

图 1.     结构测试的金字塔。

        在复合材料测试的背景下，构建块方法是一系列 日益复杂的机械测试， 再加上每一步的分析， 作为设 计复合材料结构的框架。尽管大多数对复合材料设计的构建块方法的参考都集中在最初开发的航空业，但复合材料行业服务的许多其他终端市场也遵循了通用 方法。毫不奇怪，复合材料测试的数量和类型变化很大，这取决于复合材料结构的应用和复杂性。

        图 1 中显示了一个通用的测试金字塔，说明了所执行的测试水平。在构建块方法中，每个级别或“ 块 ”都有特定的用途，并从底部开始按顺序处理。 可以根据测试物品的复杂性以及测试结果的使用来描 述与每个级别相关联的测试。在本专栏中，  我将关注 与设计过程的初始阶段相对应的构建块金字塔的最低级别。

        测试金字塔的基准面， 称为试片水平，是执行大多  数试片水平测试的地方。这些测试有多种用途，根据所  设计的结构的不同，用途会有很大的不同。测试的第 一  个目的是筛选候选复合材料。如果候选材料还不可用，

则进行筛选测试以确定其基本刚度和强度特性。

        此外， 通常的做法是选择额外类型的筛选测试， 以 获得特定应用或目的的关键特性。例如，  短梁剪切试验 （ASTM D 23441）可用于材料选择，因为测得的短梁强 度对复合材料层压板内的孔隙率、纤维与基体的粘附性 和层间强度的问题高度敏感。此外，开孔压缩试验（ASTM D64842）和冲击后压缩试验（ASTMD71373）用于许多航空航天应用，因为两者都用作缺口敏感性的  筛选试验，前者用于缺口层压板设计容许值，这些容许  值通常比压缩强度更关键。由于尚未选择要使用的特定  多向层压板，因此这些试验通常使用准各向同性层压板  （25%0°层、50%±45°层和 25%90°层）。此外，这些  筛选测试有时是在应用所需的关键环境条件下进行的， 例如在高温下使用湿度调节的样品。候选复合材料也可以在进行最终选择之前进行制造和修复试验。

        虽然这种测试需要相当大的时间和费用，但其目的  是减少金字塔上进一步的子组件和部件级测试的数量。 请注意，如果选择了一种现有数据库的复合材料， 那么  这些筛选测试中的相当一部分可能会被取消。尽管复合  材料供应商通常只为其材料提供有限的一组性能， 但公  共数据库可用于越来越多的复合材料。例如，20 世纪 90  年代开发的高级通用航空运输实验数据库 4 包括具有机  织物和单向纤维的碳纤维和玻璃纤维增强复合材料的  薄层材料特性。此外，美国国家先进材料性能中心  （NCAMP-National Center for Advanced Materials Performance ）数  据库 5 包括各种复合材料的薄层和层压板性能数据， 重  点关注航空航天工业。最后， 在复合材料手册（CMH-17-   Composite Materials Handbook- 17）6 的第 2 卷中可获得各种普遍感兴趣的复合材料的机械性能数据。

        一旦为特定应用选择了候选复合材料，并确定了 支持设计的关键机械性能，就必须开发一种稳定的测试板制造工艺，该工艺可以继续构建更复杂的测试件，从而形成最终结构。随着工艺规范的制定，可以   对多个生产批次的材料进行特定应用的关键机械性能   测试，并用于确定初步的材料容许值—— 从测试数据   中统计得出的材料性能值。为此， 通常使用多个生产   运行中生产的材料进行测试。还可以进行测试以解决   非周围环境的影响。对于聚合物基复合材料（PMC）， 最常见的关注环境是热/湿条件，  在该条件下基体材失去刚度和强度，以及在低温下基体材料丧失延展性。在设计过程中的这一点上进行额外的试片水平测试， 以获得明显更难通过分析产生的材料特性。示例包括 缺口敏感性（裸孔和填充孔）测试、轴承测试和损伤 容限（冲击后压缩）   测试。这些测试通常使用特定应 用感兴趣的特定多向复合材料层压板进行。为了限制 所需的测试量，通常通过限制纤维方向的数量来减少 层压板的数量，例如 0° 、 ±45° 和 90°的层压板，  并改变层压板中每组层压板的百分比。对于航空航天

应用，常见的层压板测试包括准各向同性层压板（25%0°层、 50%±45° 层、 25%90° 层）以及其他“硬 ”层压板（40-50%0° 层）。 “ 软”层压板（8-10%0° 层） 有时也会进行测试。即使候选层压板的数量有限，  测试的数量也会迅速增加。

        总之， 通常在构建块方法的基本水平上执行相对大  量的试片水平测试。虽然这种测试需要相当大的时间和  费用， 但其目的是控制材料和工艺的可变性，并减少金  字塔上进一步的组件和部件级测试的数量，  从而在降低  风险的同时降低总体成本。然而，正如我在一开始所提  到的， 不同终端市场的构建过程以及复合材料结构的不  同复杂性存在相当大的可变性。关于构建块方法的大部  分内容都集中在航空航天， 尤其是商业航空航天。目前， 《复合材料手册》（CMH-17） 7 第 3 卷第 4 章对构建块方法进行了最广泛的介绍。

        参考文献

1． ASTM D2344/D2344M-16， “ 聚合物基复合材料及其层压 板短梁强度的标准试验方法 ”，ASTM 国际（美 国宾夕法尼亚 州西康舍霍肯）， 2016 年（1965 年首次发布）。

2．ASTM D6484/D684M-20，“ 聚合物基复合材料层压板的开孔  抗压强度 ”，ASTM  国际（美国宾夕法尼亚州西康舍霍肯）， 2020（1999 年首次发布）。

3．ASTM D7137/D7137M-17，“ 受损聚合物基复合材料板的压 缩残余强度特性 ”，ASTM 国际（宾夕法尼亚州西康舍霍肯）， 2017 （最初于 2005 年出版）。

4 ．  高  级  通  用 航  空  运 输  实 验 （AGATE  ） 数 据 库 ， www.niar.wichita.edu/AGATE/

5 ． 美 国 国 家 先 进 材 料 性 能  中 心 （NCAMP ） 数 据 库 ，

www.niar.wichita.edu/coe/NCAMP.asp

6．《复合材料手册》 -17（CMH-17）， 第 2 卷： 材料特性，  SAE   国际，修订版 H，2018。

7．《复合材料手册》  -17（CMH-17），第  3  卷：材料使用、设计和分析，  SAE  国际， 2012 年 G 版。

------  完  ------

                                                                 注：原文见， 《 Composites testing as part of a building block

 approach, Part 1: Coupon-level testing  》2021.7.28

杨超凡        2023.12.8