技術專欄 | 為復合材料做“體檢”（二）——壓縮試驗
壓縮試驗簡介
上期文章向大家講述了復合材料力學性能測試的首要試驗方法——拉伸試驗。要想進一步測試復合材料在壓縮載荷下抵抗壓潰以及保持結構穩定的能力，就要用到另一種試驗方法：壓縮試驗。
復合材料壓縮試驗是具有挑戰性的試驗之一，是因為在實際測試時復合材料的薄壁結構極易發生“屈曲①”而非真正的材料破壞，因此壓縮試驗的關鍵在于避免對試樣施加的載荷引起試樣屈曲。
①屈曲：結構屈曲指構件在未達到材料屈服強度時因失穩而喪失承載能力的現象，表現為突然偏離原平衡狀態。
一、常見標準
目前，由于復合材料種類較多，因此其壓縮試驗存在較多不同體系的標準依照。
例如我國的國家標準：GB/T 34559-2017《碳/碳復合材料壓縮性能試驗方法》、GB/T 33614-2017《三維編織物及其樹脂基復合材料壓縮性能試驗方法》、GB/T 41955-2022《聚合物基復合材料多向層合板無開孔壓縮試驗方法》等。
國際標準化組織的ISO 14544:20 25《高溫下陶瓷復合材料的機械性能、壓縮性能的測定》、ISO 14126:2023《纖維增強塑料復合材料 面內方向壓縮性能的測定》以及美國材料與試驗協會的ASTM D6641《使用組合負荷壓縮(CLC)試驗夾具測定聚合物基體復合層壓材料的壓縮性的標準試驗方法》、ASTM D3410《具有不支撐規格的聚合物基質復合材料的壓縮性能的標準試驗方法》等。
除以上標準以外，德國、英國、法國等諸多國家均有各自關于復合材料壓縮試驗的標準方法。國際上通常將ASTM D6641與ASTM D3410作為常用的壓縮試驗方法依據。
二、標準區分
雖然上面列舉的標準均可作為復合材料壓縮試驗的方法依照，但從不同標準的名稱中可以看出，每個標準的側重點各有不同。
以常用的ASTM D6641《使用組合負荷壓縮(CLC)試驗夾具測定聚合物基體復合層壓材料的壓縮性的標準試驗方法》與ASTM D3410《具有不支撐規格的聚合物基質復合材料的壓縮性能的標準試驗方法》為例，兩個標準核心區別在于試驗時加載方式不同：ASTM D6641采用“端面+剪切”組合加載的加載方式，而ASTM D3410采用的是純剪切加載的方式。
圖1：ASTM D3410純剪切加載原理示意圖??
ASTM D6641的組合加載方式使其在試驗過程中既可以最大程度防止試樣端部壓潰，又能減少剪切應力集中的影響，保證應力狀態均衡。
該方法適用于高強度、高模量的連續纖維增強復合材料（尤其是單向和層壓板）的壓縮性能測試，具有較廣的材料適用范圍。
ASTM D6641主要用于測定以下性能：
1.壓縮強度：試樣在壓縮試驗過程中所能承受的最大壓縮應力。
2.壓縮（彈性）模量：應力-壓縮曲線在彈性范圍內的指定應變區間中的斜率。
3.最大載荷下的應變或破壞應變：達到壓縮強度時的壓縮情況。
4.屈服性能（如適用）：復合材料開始發生塑性變形的應力值。
5.泊松比：材料在單向受力時，橫向應變與軸向應變的負比值，用于描述材料的橫向收縮或膨脹特性（此參數的獲取并非ASTM D6641的強制要求）。
ASTM D3410的純剪切加載方式能夠完全避免對試驗施加端面加載，適用于對端部破壞敏感的高性能復合材料。該方法專門用于測定高模量纖維增強聚合物基復合材料面內壓縮性能。
該方法可測試材料的以下性能：極限抗壓強度、極限壓縮應變、壓縮彈性模量、壓縮弦線模量、壓縮泊松比、過渡應變、割線模量。
三、常見注意事項
對于使用標準試樣并按照ASTM D6641、ASTM D3410標準進行的壓縮試驗，以及纖維增強塑料的許多其他標準化試驗方法，通常使用100kN~300kN電子萬能試驗機即可。
中機試驗為復合材料性能測試提供一套先進解決方案。
圖2：中機試驗復合材料拉伸試驗解決方案??
方案采用的中機試驗DF系列電子萬能試驗機，能夠依照GB、ASTM、ISO和其他行業標準執行復合材料拉伸試驗，擁有業界領先的精確性和可靠性：
①方案兼容性強：可滿足各種形式、各種標準的復材試驗；
②模塊化設計：可快速更換復材夾具以滿足其他標準的試驗條件；
③高精度：可達到0.5級精度；
④非標夾具適配：可針對特殊尺寸復合材料試樣進行適配；
⑤主機速度范圍廣：可滿足絕大部分試驗速度。
圖3：中機試驗解決方案依照ASTM D6641形成的應力-壓縮曲線??
圖4：中機試驗解決方案依照ASTM D3410形成的試驗曲線??
在對復合材料試樣進行壓縮試驗時，應根據標準不同選用恰當的夾具。
例如ASTM D6641指定采用組合載荷壓縮（CLC）夾具，以實現“端面+剪切”組合加載的加載方式；
圖5：組合載荷壓縮（CLC）夾具??
ASTM D3410則需要采用IITRI夾具，該夾具通過內部的楔形塊將試驗機壓板施加的軸向力轉化為對試樣平行段（標距段）剪切力，實現純剪切加載。
圖6：IITRI夾具??
中機試驗為復合材料壓縮試驗配備多種模塊化夾具，適配多力值、多溫域測試需求。
不同標準對試樣的要求不同，應根據標準要求針對性制備試樣。
例如，ASTM D6641要求試樣選用無加強片或有加強片的矩形條裝層壓板，寬度至少為13mm，厚度必須足以防止歐拉柱屈曲發生，同時須滿足一定的尺寸和公差要求。
結語
本期文章以ASTM中的兩個標準呈現了復合材料性能測試方法中的壓縮試驗，中機試驗復合材料系列專欄的下一期，我們將為您闡述復合材料彎曲試驗的相關內容，期待與您繼續同行。
END
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