复合材料性能试验方法选择和结果评价张汝光(上海玻璃钢研究院 200126)摘要：由于复合材料性能的多样性和性能机理的复杂性，其试验方法也同样多样、复杂。

应该根据试验目的和考虑材料的性能机理，正确选择试验方法或制订试验方案，以确保试验结果的可靠性。

对试验方法和试验结果都要作科学的评价。

关键词：复合材料性能试验 多样性 复杂性 可靠性1 概 述要用好材料，首先就要认识材料。

认识材料的最重要途径就是通过材料的性能试验。

由于复合材料本身就是个结构，在进行复合材料产品设计时，不能简单地选择材料，而是要同时设计复合材料。

因此认识材料就不单单是了解材料的性能数值范围，而还要了解复合材料的性能机理。

复合材料性能试验变得更加重要。

复合材料的性能试验一般有三种不同的目的。

一是揭示复合材料的材料性能机理；二是取得用于产品设计的材料性能参数；三是取得供材料质量评定用的材料性能参数。

试验目的的不同，对试验方法的要求，就有各自不同的侧重点，自然就会有不同的试验方法或方案。

复合材料细观不均匀结构的本质，使其性能不但具有各向异性的特点，在许多情况下，还具有各种耦合效应。

这就使得复合材料的性能试验相对于常规材料，要多样、复杂，同时也具有更多的影响材料性能的因素。

在制订试验方案或选择试验方法时，这些方面都应该加以考虑，做认真、细致的分析。

对试验方法和试验结果都要作科学的评价。

2复合材料性能试验的目的制订试验方案或选择试验方法，首先要根据自己的试验目的。

即使是对同一个性能，目的不同，对试验方案或方法也会有不同的考虑和选择。

2.1为揭示材料性能机理的性能试验揭示材料性能机理，就是揭示在一定条件下材料作出响应的全过程及其原因，揭示各种因素是如何影响这一过程。

显然，以揭示材料性能机理为目的的材料性能试验，要强调的是试验所得到的性能规律首先必须是定性上准确。

因此，在考虑试验方法时，首先要确保这一点。

例如，当我们要揭示某一因素对某一性能的影响规律时，在试验条件中要特别注意严格排除其他影响因素同时发生变化，否则试验结果就无法说明是哪一因素的影响规律，测试数据再准确也毫无用处。

2.2 为取得用于产品设计性能参数的性能试验要取得用于产品设计性能参数，对其性能试验要求，自然是试验结果的可靠性。

例如，试样工作区内要确保材料是处在试验所要求的条件状态下，试验中所测数据，必须取自试样工作区或是与工作区内数值相同。

除此之外，可靠性还要求试验要有一定的试样个数，对试验结果除要计算平均值外，还需要计算离散系数。

在产品设计中，仅有性能参数的平均值而没有离散系数，就无法确定该性能的离散程度，就将无法确定在一定置信度要求下，如何使用这一平均值参数。

2.3为取得供质量评定性能参数的性能试验质量评定，可以是在生产过程中的质量检验，也可以是对产品的质量检验。

进行质量评定，往往都预先设定一个合格的材料性能标准，将试验结果与这一标准相比较，以评定其质量是否合格。

这种其结果用于对比的材料性能试验，应该强调的是：试验必须严格按照同一标准试验方法进行。

因为任何试验方法都只有具有相对的理想或合理性(第5节中进一步说明)，不同的试验方法往往会得出不同的结果，它们之间常常不具有可对比性，最具权威的试验方法自然是国家标准试验方法。

作为产品性能指标的性能数据，必须按照国家标准试验方法测得。

3复合材料性能的特点复合材料性能试验方法与复合材料性能特点密切相关。

要正确制订试验方案或选择试验方法，还必须对复合材料性能特点有所了解。

3.1 复合材料性能的多样性由于复合材料细观上是结构，它的材料性能参数与常规材料相比要多很多。

例如，根据平面受力方向的不同，拉伸性能就有纵向拉伸、横向拉伸和偏轴拉伸性能等之分；剪切性能除了有平面方向不同之分外，根据空间方向的不同又有平面剪切、层间剪切和断纹剪切性能等之分。

因此，即使同是拉伸性能或同是剪切性能，它们的性能试验方法也不完全相同，甚至还会完全不同。

3.2 复合材料性能机理的复杂性复合材料性能机理的复杂性，笔者归结主要有三个方面：第一，各个性能往往都有独特的性能机理。

例如，同样是拉伸性能，纵向拉伸性能和横向拉伸性能机理完全不同；又如，平面剪切、层间剪切和断纹剪切，虽然宏观上都是受剪力，但从细观上它们的受力状态完全不同，自然也有完全不同的性能机理。

第二，性能机理中影响因素很多。

不但组分性能(纤维、基体和界面性能)、含胶量的多少、细观结构形式(如不同的角铺设或不同的编织形式等)对复合材料性能会有很大影响，这些因素之间的相对不同组合，也将会对性能有很大的影响。

例如，单向板的纵向拉伸强度一般说来是由纤维(强度和含量)所控制。

但高强脆性纤维若增强脆性基体，而又遇较强界面，则受拉时将发生脆性断裂的破坏形式，得到很低的纵向拉伸强度，完全没有发挥出高强纤维的作用。

反之，高强脆性纤维若增强韧性基体，又有适中的界面强度，受纵向拉伸时将发生损伤积累形式的破坏，得到很高的纵向拉伸强度，高强纤维的作用得到超(平均强度)水平发挥。

由于复合材料性能的影响因素比较多，在制订试验方案或选择试验方法时，需要根据试验目的，在试验条件中正确控制各种影响因素。

对于探索材料性能机理为目的的性能试验尤为重要。

第三，许多复合材料都具有这样或那样的耦合效应特性。

例如，材料在受拉时，不单会产生拉伸变形，还会产生剪切变形或弯曲变形等；反之，受剪力吋，不单会发生剪切变形，还会产生拉伸变形等。

这些耦合效应的存在，往往很难在试样工作区内形成一个均匀的单向应力场，或者会造成在试样夹持端产生较为复杂的应力状态而容易在这一区域首先发生破坏。

上述两种情况将会影响到试验结果的可靠性，因此在制订试验方案吋需要特别注意。

4 复合材料性能试验方案制订或方法选择本节以具体事例说明在制订复合材料性能试验方案或选择试验方法时应考虑的有关问题。

4.1注意对影响因素的控制这一问题在进行材料性能机理研究的性能试验中尤为重要。

(1)对水扩散系数的测定对水扩散系数是复合材料乎板一维水扩散(水只从板面垂直向板内扩散)理论模型中提出的材料吸水性能参数。

因此，在测定水扩散系数的吸水试验中，必须确保水只从试样两表面内扩散人板內，而将试样侧面的吸水降到最小的程度。

如，采用相对板面尺寸厚度很薄的试样或采用四个侧面封边的措施等。

曾见到采用短梁弯曲试件测定水扩散系数的试验，显然其结果是可疑的。

由于有较大量的水是从侧面吸人，所得数据已不代表真正的水扩散系数。

(2)厚度对性能影响的试验曾见到一些探索厚度对性能影响的试验，试验中没有注意其它影响因素的确保不变，因此所测得的性能变化情况不能说明是由厚度变化引起的。

例如，在一个厚度对复合材料单向板剪切模量影响的试验研究中，不同厚度试样的含胶量同时有较大波动，因此测得剪切模量的变化实际上是由含胶量变化所引起，并非厚度所影响。

又如，在做厚度对相对饱和吸水率影响时，也要确保不同厚度试样含胶量必须相同。

因为含胶量对饱和吸水率也有很大影响。

(3)界面对弯曲性能影响的试验曾见到探索芳纶纤维增强铝层板界面对弯曲性能影响的试验，试验中没有注意到不同界面处理的层板中，它们的铺层顺序以及对应层的厚度都必须确保相同。

由于铺层情况对弯曲性能的影响很大，这一试验结果实际已无法说明界面的影响。

4.2注意确保试验结果的可靠性这一问题对取得产品设计性能参数的试验尤为重要。

(1)单向板剪切性能试验方法选择曾见到选择45°偏轴拉伸试验方法测试单向板的剪切性能。

这一试验方法测得的剪切模量偏差不大，但测得的剪切强度将显著偏低。

这是因为单向板受45°偏轴拉伸时，在材料坐标系下，除了有剪切应力分量外还会有同等大小的纵向和横向拉伸应力分量。

由于单向板的横向拉伸强度很低，因此破坏往往就由横向拉伸应力引起，至少也会对破坏的产生起较大的拉伸试验方法(GB3355-82)测作用。

这样测出的剪切强度自然是不可靠的。

国标采用[±45°]s,它有较高的纵向试剪切性能，虽然应力状态与45°偏轴拉伸相似，但此时的层板为[0°／90°]s和横向强度，保证了破坏还是由最薄弱的环节，剪切破坏所控制，所以测得的剪切强度是合理的。

(2)非均匀铺设层合板的弯曲试验非均匀铺设层合板是指层合板中并非每层都相同的层合板。

如不同角铺设的层合板，织物、单向布或毡等单层混合组成的层合板等。

经常见到此类层合板(实际应用中很常见)采用国标GBl449-83试验方法测定弯曲性能，计算弯曲强度和模量时仍然采用方法中所提供的计算公式，这是不正确的。

上述公式仅适用于均匀层合板的情况，对于非均匀层合板，应采用组合梁的计算方法计算弯曲模量和弯曲强度。

(3)非均匀铺设层合板的短梁层间剪切试验非均匀铺设层合板的短梁层间剪切试验与前一小节一样，存在不同铺层对层间应力影响的问题，不能简单套用均匀层板层间剪切强度的计算公式(CB3357-82)。

(4)不对称层合板的薄板压缩试验曾见到采用国标GB5258-85试验方法测定不对称层合板的压缩试验，测得显著偏高的压缩强度。

这可能是由于非对称层合板有较强的拉弯耦合效应，在试样受压缩应力作用时，除了产生压缩变形外，还将发生弯曲变形，这将对支撑试样侧面的夹具施加更大的侧向压力，会使试样的弯曲变形受到更大的约束，增大试样变形的阻力，产生偏高的压缩性能。

(5)纤维增强热塑性层板的层间剪切性能试验曾见到采用国标CB3357-82试验方法测定玻璃纤维增强热塑性塑料层板层间剪切性能试验，测得的载荷—挠度曲线呈现出显著的材料“强化”现象，并得到很高的“层间剪切强度”其实上述结果是不真实的。

实际情况是由于纤维增强热塑性塑料板材柔性较大，而该试验的试样厚度较薄(仅2.5mm左右)，因而跨距较小(仅12.5mm)。

试验时由于变形较大，压头相对更深地压入两支座之间，造成压头和支座之间对试样相当大的挤压应力，这种受力状态下自然不可能测得可靠的层间剪切性能。

发生这种情况时，正确的做法是提高层板厚度以增大层板刚度，减少挠度，避免压头与支座之间相互挤压，确保试样始终处在层间剪切应力的控制下的应力状态。

4.3 要根据试验目的正确选择试验方法前面已提到，试验目的不同对试验会有不同的侧重方面和要求，而不同的试验方法常常是不具有可比性，因此就需要根据试验目的，正确选择对应的试验方法。

(1)内压试验方法的选择国标GB5351-85试验方法中，对管子的内压试验给出两种端部的密封形式，一种是自由端密封形式，密封端所承受的压力将直接传递到管壁，使之承受轴向拉伸应力；另一种是约束端密封形式，密封端所承受的压力由连接两密封端的金属连杆的拉力来平衡，管壁轴向受力为零。

两种密封形式的结果显然是不同比的。

给出两种形式决不意味着试验方法使用者可以任意选择其中的一种，而是根据实际情况的不同，给出对应两种不同的合理试验方法。