组合式加载方法测试树脂基复合材料压缩性能的探究

秦建彬，张 璋，张广成，史学涛

(1.西北工业大学 化学与化工学院，陕西 西安 710129；2.航空工业第一飞机设计研究院，陕西 西安 710089)

纤维增强树脂基复合材料以其轻质高强、耐疲劳、抗腐蚀等优良特性在航空航天等领域得到广泛应用[1-4]。纤维增强树脂基复合材料层压板的各项力学性能是复合材料结构设计、制造和使用维护的基本参数，而其结构可设计性决定了纤维增强树脂基复合材料从材料研发、工艺验证等基础研究到工程应用，需要开展大量的基本力学性能(拉伸性能、压缩性能、弯曲性能、面内剪切性能、层间剪切性能等)测试与评定工作，从而为新材料研发、质量控制和设计计算提供重要依据。但是，不同测试方法往往对纤维增强树脂基复合材料测试结果有重要的影响，特别对于纤维增强树脂基复合材料的压缩性能测试表征，是其中难度和争议比较大的测试项目之一[5-6]。影响纤维增强树脂基复合材料压缩载荷下响应的因素包括：材料种类、材料制备和敷贴方法、敷层顺序、试件制备、试件状态调节、试验环境、试验速度、空隙含量和增强体的体积百分比等。因此，研究复合材料压缩性能的测试方法及其影响因素，对提高纤维增强树脂基复合材料压缩性能测试的准确性、可靠性和易操作性具有重要意义，同时对材料及结构设计人员具有重要的现实意义。

目前，对于纤维增强树脂基复合材料的压缩性能测试，已形成了不同的、成熟的标准体系。如国家标准：GB/T 3856《单向纤维增强塑料平板压缩性能试验方法》[7]、GB/T 1448《纤维增强塑料压缩性能试验方法》[8]、GB/T 5258《纤维增强塑料薄层板压缩性能试验方法》[9]和HB 5485《碳纤维增强树脂基复合材料薄板压缩性能试验方法》[10]；国际标准：ISO 14126《纤维增强复合材料-面内压缩性能的测量》[11]；美国试验和材料协会标准：ASTM D 3410《通过剪切加载测量复合材料压缩性能的标准试验方法》[12]和ASTM D 6641《通过复合加载压缩(CLC)测试夹具确定复合材料压缩性能的标准试验方法》[13]；先进材料供应商协会标准：SACMA SRM 1R《定向纤维-树脂复合材料压缩性能的SACMA推荐试验方法》[14]和SACMA SAR 6《定向正交铺层纤维-树脂复合材料压缩性能的SACMA推荐试验方法》[15]等。不同的标准体系，其压缩性能测试方法有所异同，根据载荷引入试验件的方式，主要分为3种：① 通过剪切将载荷引入试验件，如GB/T 3856、ASTM D 3410、ISO 14126和GB/T 5258中的A型夹具剪切加载方式(如图1(a)所示)[7,9,11-12]；② 通过端部垂向加压将载荷引入试验件，如SACMA SAR 1R/6、ISO 14126和GB/T 5258中的C型夹具端部加载方式(如图1(b)所示)[9,11,14-15]；③ 通过剪切和端部同时将载荷引入试验件的方法，如ASTM D 6641和GB/T 5258中的组合式加载方式(如图2所示)，HB 5485(碳纤维增强树脂基复合材料薄板压缩性能试验方法)中混合加载试验夹具(如图3所示)[9-10,13]。

图1 压缩性能测试的测试夹具

图2 压缩性能测试的组合式加载测试夹具

图3 HB5485混合加载压缩夹具示意图(单位：mm)[9]

纤维增强树脂基复合材料压缩失稳失效导致破坏机理的复杂性以及不同标准体系规定的测试方法不同[16-17]，即使相同的材料体系，不同测试方法得出的压缩性能往往偏差很大。而且，即使采用统一的测试标准，不同测试人员或者不同测试单位得出的测试结果也会产生一定偏差。比如针对同一批次碳纤维增强复合材料层合板，欧洲六家实验室参照同样的标准试验方法，联合完成对其压缩性能的试验，压缩强度试验结果竟然大相径庭，最大偏差竟然超过了100%[6]。究其原因，除压缩性能测试破坏机理复杂外，测试方法、测试夹具、试验操作人员等因素对测试结果有不可忽视的影响。对于纤维增强树脂基复合材料压缩性能的剪切加载测试方法，两侧剪切应力的大小不同极易导致试验件工作段产生弯矩而过早失稳破坏。而且该测试方法操作不便，如上部双夹持块因重力下滑、侧面对中难以控制等，易引入操作因素引起的测试结果偏差；且该方法只能使用应变片(无法使用引伸计)测模量等，高温高湿环境对应变片粘贴提出了较高要求。但是，端部加载方式测试压缩性能时容易在端部产生较大的应力集中，试验件端部需要特殊加工，且容易出现端部破坏，使测试结果可靠性下降。通过组合式加载可以同时弱化剪切加载两侧的剪切应力不均和端部加载时的端部应力较大的问题。对于单向纤维增强等高强度复合材料，组合式加载试验方法与剪切加载或端部加载试验方法相当；对于强度稍低的复合材料，即使不使用加强片，组合式加载试验方法明显优于其他两种加载方式[16,18]。

近年相关研究也表明，通过引入加强片和提高试样尺寸精度，利用该方法得到的压缩强度和压缩模量指标均具有较高的可信度[16]。因此，目前国内外针对碳纤维增强树脂基复合材料的压缩性能测试大多推荐采用组合式加载夹具进行(包括ASTM D 6641和GB/T 5258中的第3种方法)[16,18]。但是，随着高强高模碳纤维在树脂基复合材料中的工程化应用，比如T800级以上碳纤维，其复合材料的压缩强度达到1.5 GPa以上[16]，从而要求侧面剪切应力和端部压力同等大幅增加，对组合式加载夹具提出了更严苛的要求。为了进一步提高组合加载测试高强度碳纤维复合材料压缩性能的稳定性和准确性，首先需要明晰影响该测试方法稳定性和准确性的影响因素。

1 组合式加载测试影响因素分析

组合式加载压缩夹具测试聚合物基复合材料的压缩强度和刚度性能时，根据试样有无加强片可分为两种：方法A，无加强片；方法B，带加强片。无加强片试样通常适用于低正交各向异性材料，如织物、短切纤维复合材料和0°层最多为50%或与之等效的层压板。对于较高正交各向异性的材料，包括单向复合材料通常需要带加强片。无论采用何种方法，必须确保试验过程中试样端部无压塌现象。组合式加载测试夹具如图3所示，典型试验件的长度为(140±0.03)mm，宽度为(13±0.06)mm。为避免工作段过早屈曲，试验件工作段长度以不超过13 mm为宜，试样厚度根据复合材料构成不同而变化，一般厚度须满足防止欧拉柱屈曲的发生[13]。组合式加载方法测试纤维增强聚合物基复合材料压缩性能的影响因素具体分析如下。

1.1 试样尺寸因素

考虑到压缩试验中复杂的破坏机制和特殊的失稳破坏模式[17]，要求试样具有较高的尺寸精度，主要包括试样轴向平行度、端部面平行度和端面与试样轴向的垂直度、加强片尺寸、工作段尺寸等。首先本试验方法要求试件端部承受部分载荷，如其他端部加载试验方法要求一致，端部必须加工成平面，且两端部平面需要较高的平行度。平行度差的试样在压缩试验过程中容易在试样端部产生应力集中，导致根部过早被压碎破坏。如在GB/T 5258中要求平行度应不大于0.1%的初始试样高度[9]；在ASTM D 6641中严格要求试样两端面的平行度在0.03 mm以内[13]。纤维取向要求与试样轴向严格平行，并确保与端面垂直。如果端面与试样轴向垂直度差，加载后期容易产生试样的附加弯曲或者屈曲，导致试样过早破坏而使试验失效。如在GB/T 5258中要求垂直度不大于0.1 %的初始试样高度，对单向纤维增强复合材料，试样轴线与纤维方向偏差不能超过0.5°[9]；在ASTM D 6641中严格要求试样两端面与其轴向的垂直度在0.03 mm以内[13]。对于方法B中加强片的粘贴也有严格要求，胶接后必须保证试样一侧两片加强片及胶层的厚度一致，特别是胶接过程中对胶层厚度及加强片表面粗糙度等的控制。如果试样一侧加强片厚度不一致，试样被夹持后容易在其一侧引入附加弯矩，导致试样过早失稳破坏而使试验失效。另外，相对于试件工作段长度不宜太薄，否则将产生欧拉柱状屈曲，从而导致较大误差和偏低的压缩强度[13]。在这种情况下需要增加试件厚度或减小工作段长度，同时需要保证足够的工作段长度以安装引伸计或粘贴应变片。实际压缩测试中，需要背对粘贴双应变片监控工作区的弯曲或屈曲变形。

1.2 试验件安装操作因素

在组合式加载方法测试纤维增强聚合物基复合材料压缩性能的试样安装过程中，试样的对中度和垂直度、夹持力大小及均匀性等对测试结果也有重要影响。首先，试样对中度不良，可能导致加载力侧向偏移，使工作段产生侧向弯矩，导致试样过早破坏而使试验失效。试样安装的垂直度等同试样两端部平面的平行度对该测试结果的影响，垂直度差时，试样上下端加载面不平行，端部局部应力集中，导致端部压碎或压缩屈服破坏，无法得到有效试验结果。另外，垂直度差的试样在受压缩载荷时容易在工作段产生弯矩，进而导致试样过早破坏而使试验失效。最后，侧向拧紧螺母时的拧紧力大小也会对组合式加载压缩测试方法产生影响。侧向夹持力偏小可能导致试样端部压缩破坏，夹持力偏大会引起试样工作段根部的应力集中，两者都会导致试验结果的失效。一般无加强片试件可能需要更高的夹持力，以防止根部压碎。另外夹持力不均匀可能造成两侧面剪切力不均，导致试样工作段产生弯矩，使试样过早破坏而使试验失效。如在ASTM D 6641中严格要求对夹具的每一端以对角线的方式逐次拧紧螺栓，螺栓拧紧力矩增量分3次或4次，直至最大力矩为2.5～3.0 N·m[13]。

1.3 压缩应变测量方法因素

轴向压缩应变的准确测量是计算表征纤维增强复合材料压缩模量的前提，轴向压缩应变测试方法对其准确测量有一定的影响。纤维增强聚合物基复合材料应变测试表征一般可采用电阻式应变片、引伸计(包括电子引伸计和视频引伸计)、振弦传感器、光栅传感器及千分表等，目前主要是采用前两者。电阻式应变片是由敏感栅构成的电阻元件，使用时将其粘贴在试样工作区，试样受力后产生变形，应变片敏感栅也随之变形导致其电阻发生变化，由动态电阻应变仪将测得的电阻变化转换成应变值[19-20]。电阻应变片具有分辨率高、可测极微小应变、设计性强、价格低廉等优点，在目前复合材料应变测量中使用最频繁。但由于应变片与试样需要胶粘剂粘贴，应变片的粘贴平行度、胶层厚度、胶接强度等对测试结果稳定性有一定影响。且应变片只能测量试样工作段极小区域的变形值，因此应变片尺寸大小的选择受试样表面结构单元尺寸的影响，应变片尺寸选择不合适易导致变形结果出现较大误差。特别是经湿态处理后的试样，表面水分的存在对应变片的胶接提出了较高挑战。高低温环境下，其胶接层与试样膨胀系数的匹配性对变形测量的准确性也有一定影响。

电子引伸计由应变片、变形传递杆、弹性元器件、钳口和固定弹簧等组成。工作原理是应变片将弹性元器件发生的形变转换为电阻变化，处理器中放大电路将电信号转换成电压信号得到变形值。电子引伸计结构简单、装夹操作方便、可设计性强，不受试样表面状态的影响，其测得的变形是试样工作段标距范围内的平均值，具有一定的代表性，因此在复合材料力学性能测试中使用率也较高。相比引伸计测量复合材料变形的方法，采用应变片时可能会受测试精度与胶层厚度的影响，其采集应变信号时存在延时效应，测得变形值偏低[19]。

在组合式加载测试方法中，其要求的试样工作段区域较小(<13 mm)，对应变片粘贴及电子引伸计的装夹带来一定挑战。对于采用应变片测量压缩应变的方法中，要求在狭小空间内粘贴的应变片电阻率无偏差、与试样轴线平行、胶层厚度适宜、片底无气泡等。对于采用电子引伸计测量压缩应变的方法，面临的最大问题是适用于压缩试样较小工作段的小标距电子引伸计。

2 组合式加载测试夹具改进与评估

2.1 夹具改进方案

通过以上对组合式加载测试聚合物基复合材料压缩性能方法影响因素的分析可以看出，除试样加工影响其最终测试结果以外，试验人员操作误差和变形测量方法也是对测试结果产生重要影响的关键因素。因此，对组合式加载测试夹具进行一定改进，一方面期望提高其精度和操作简便性，从而提高试验人员操作的精确度，削弱人为操作产生的结果误差。另一方面期望使其适用引伸计测量轴向压缩变形，提高变形测试的准确性和环境适应性。

在长期测试试验的基础上，以国标GB/T 5258和美标ASTM D 6641中规定的夹具结构为基础，对组合式加载压缩测试夹具进行了如下改进，具体如图4所示。

图4 组合式加载夹具的优化与改进

① 导向杆的改进：使用滚珠丝杠作导向杆取代原圆柱金属导杆，减小滚珠丝杠与夹块的摩擦力和间隙，确保加载过程中上下夹块的垂直度，从而确保加载的精度及载荷与试样轴向的一致性。

② 试样安装定位销：组合式加载夹具夹持面上下设置定位销，试样安装时紧靠定位销即可保证试样的垂直度和对中度，简化了试样安装过程，提高了试样安装的精度，极大地降低了试验操作误差。

③ 倒齿型夹持面：目前随碳纤维生产工艺的不断改进，碳纤维强度不断提升，使其复合材料的力学性能也得到极大提高，如T800级碳纤维复合材料的压缩强度可达1.50 GPa左右[16]。对于组合式加载压缩夹具，试样的压缩强度较高时夹块可能出现滑移，容易在试样端部产生应力集中；而紧固螺栓过大的紧固力矩可能导致试样工作段根部的应力集中，都会造成试样非正常破坏使试验结果失效。在夹块夹持面加工出细倒齿，紧固螺栓无需过分拧紧，即可有效提高试验过程中试样两侧面的剪切力，防止加载过程中试样打滑，增加试样侧面剪切力的均匀性，避免试样工作段根部的应力集中，特别是避免试样端部的应力集中。

④ 设计引伸计安装窗口：首先设计小标距高低温引伸计(标距10 mm)，在原有组合式加载夹具上开设引伸计安装窗口，如图4所示。将引伸计测量应变的方法引入组合式加载测试复合材料压缩性能的方法中，在原有电阻式应变片测试方法基础上，丰富了压缩模量测试的手段。特别对于不适于应变片粘贴的高温湿态处理试样压缩模量的测量以及其他应变片不适用的情况，使用引伸计引测量试样的压缩变形，精确度更高、更方便快捷。

2.2 改进效果评估

分别使用原组合式压缩测试夹具和改进后组合式压缩测试夹具进行不同批次碳纤维增强树脂复合材料层压板的压缩性能测试，通过对比不同夹具测试后试样破坏模式，初步对组合式压缩测试夹具改进效果进行评估。两种压缩夹具测试环氧固化碳纤维复合材料的破坏模式分别如图5、图6所示。图5(a)的破坏模式可能由于侧面夹持力不足，导致试样侧面剪切力不足，端部承载过大，导致端部非正常破坏，属于标准规定的不可接受破坏模式(如图7所示)。图5(b)的试样工作段破坏模式以根部剪切破坏为主，可能由于试样安装垂直度稍差，或上下夹块加载时垂直度稍差，或夹持力过大导致根部应力集中，虽属可接受破坏模式，但非理想破坏模式。图6中使用改进组合式压缩测试夹具测试一个批次试样的破坏均为工作段中断爆炸式破坏，未出现试样端部破坏现象，属于比较理想、有效的破坏模式。

图5 原组合式加载夹具室温干态压缩性能测试碳纤维/环氧复合材料两类破坏试样

图6 改进组合式加载夹具室温干态压缩性能测试碳纤维/环氧复合材料破坏试样

图7 复合材料压缩测试常见试样破坏模式示意图[8]

另外，对于不同两批次碳纤维增强树脂复合材料层压板的压缩性能测试得到的载荷-位移曲线和应力-应变曲线分别如图8和图9所示。

图8 原组合式加载夹具室温干态压缩性能测试碳纤维/环氧复合材料的载荷-位移曲线及应力-应变曲线

图9 改进组合式加载夹具室温干态压缩性能测试碳纤维/环氧复合材料的载荷-位移曲线及应力-应变曲线

对于原组合式加载夹具，不同试样加载过程中载荷离散较大(如图8(a)红色虚线圈中载荷-位移曲线)，导致最终强度离散偏大；不同试样的初始段应力-应变曲线线性段存在波动(如图8(b)红色虚线圈中应力-应变曲线)，导致不同试样的初始线性段斜率存在偏差，增加了压缩模量值的离散系数。

使用改进组合式夹具加载时，不同试样加载过程中载荷波动较小(如图9(a)红色虚线圈中载荷-位移曲线)，最终压缩强度离散系数较低；且初始段应力-应变曲线线性良好(如图9(b)红色虚线圈中应力-应变曲线)，不同试样压缩模量离散系数很小。

基于此，可以初步判断组合式压缩测试夹具改进是有效的，后续仍需大量试验继续验证，特别其对不同材料、不同环境条件等的适应性，比如试样加工尺寸精度差导致的偏载问题、低温环境试样表面结冰可能导致的引伸计滑移问题等，尚需深入开展相关试验验证。

3 结束语

纤维增强树脂基复合材料压缩失稳失效导致破坏机理的复杂性以及不同标准体系规定测试方法的不同，造成不同测试方法得出的压缩性能可能存在较大偏差。提高测试夹具的可操作性和精确度是减少试验操作的人为误差、提高测试结果准确度的有效途径。对组合式加载压缩测试夹具进行改进，以滚珠丝杠作导向杆，设计试样安装定位销、倒齿型夹持面和引伸计安装窗口，提高试样安装的精度和操作简便性，从而有效提高组合式加载压缩测试纤维增强树脂基复合材料压缩性能的准确性和简便性，扩大了该测试方法的适用范围。