创新复材力学性能表征与测试研究

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复合材料是由碳纤维等高性能增强体与基体材料组成,其比强度、比模量、耐腐蚀性等远高于钢和铝等传统结构材料,随着复合材料技术的提高和使用经验的积累,其在航空装备中从次承力结构向主承力结构和全复合材料结构方向发展。航空复合材料性能水平及其在结构中的应用水平,已经成为飞机先进性的一个重要标志。

复合材料力学性能表征与测试技术能够为材料研发、评价和结构设计提供关键力学性能参数,是材料研发和结构研制过程中的一个重要环节。目前,国内外对复合材料结构强调积木式验证方法,以降低研制风险、节省研制成本和缩短研制周期。为了保证全尺寸结构验证试验能顺利通过,除了进行大量的分析计算外,在进行全尺寸结构验证试验前,还必须通过各种由小及大,由简单到复杂的一系列试验验证。其中绝大部分试验是针对复合材料单层级和与结构设计有关的层压板级的试验验证,它是复合材料材料许用值和设计许用值的基础。

中航工业强度所力学性能评定与测试中心长期致力于复合材料力学性能表征和测试技术研究,在国内最先掌握国际先进的复合材料试验技术,能够设计和生产各种不同试验所需的试验夹具,具备进行不同环境条件下(高低温)层压板及夹层结构力学性能测试的能力。中心建立了严格的质量管理体系,多年来,开展了多层面的技术攻关工作,推动了复合材料力学性能表征与测试技术发展。

材料许用值测试技术

复合材料体系研制过程初期,需要进行材料筛选,其目的是为了揭示新的候选材料体系的关键力学性能属性和不足之处,同时又使试验量为最小。通过进行复合材料单层级试样测试,得到用于建立刚度矩阵和强度失效分析的材料常数,同时可以用于材料筛选,建立材料的工艺规范和材料许用值。

材料许用值主要考虑单向板(对织物为经向和纬向)和多向层压板的基本力学性能。材料许用值应考虑吸湿量与温度的联合作用,最高或最低的试验温度为应用对象的最高或最低的使用温度。材料许用值分为A 基准值、B 基准值和平均值,采用何种基准应根据具体工程项目的结构设计准则而定。确定材料许用值的测试内容主要包括:0°拉伸、0°压缩、90°拉伸、90°压缩、面内(纵横)剪切。

与结构设计有关的

层压板级测试技术

复合材料通过对与结构设计有关的层压板进行试验,进而确定复合材料结构的设计许用值。设计许用值根据所设计具体结构的完整性要求(通常为强度、刚度、耐久性和损伤容限,包括满足使用条件下损伤无扩展要求),在已有材料许用值、代表结构典型特征的试样、元件(包括典型结构件)试验结果及设计和使用经验的基础上,还应根据组合件的试验结果,规定和验证结构设计许用值,设计许用值是结构验证的基础。建立设计许用值是结构证实试验的一部分,结构设计许用值是基于材料许用值,并考虑到应用对象的结构完整性要求得到的。

为确定设计许用值需要进行大量与结构设计有关的层压板级试验,主要的测试的内容包括:室温与干冷条件下结构典型铺层含孔(开孔或充填孔)层压板拉伸;室温与湿热条件下结构典型铺层含孔(开孔或充填孔)层压板压缩;含冲击损伤结构典型铺层层压板的压缩;室温与湿热条件下结构典型铺层机械连接;室温与湿热条件下结构典型铺层胶接连接;室温与干冷或湿热条件下典型结构接头的极限强度;以及其他与确定设计许用值有关的试样和元件(包括典型结构件)性能。

复合材料试验标准的发展现状

为了复合材料的推广使用,出现了先进材料供应商协会的测试标准,其中得到广泛认可的则成为美国材料试验学会(ASTM)标准,相当于美国的国家标准,最初的复合材料力学性能测试ASTM标准建立于20世纪70年代初期。在迄今为止的40多年里,对复合材料力学性能表征方法的研究有了突飞猛进的进展,复合材料力学性能的测试标准在这40多年里已经多次修订和增添。在很长一段时间里,先进复合材料供应商协会制订了很多测试标准,但在1994年后该协会已不再对这些标准进行修订和更新。

目前,国内各航空单位对国外的先进试验标准进行了深入跟踪,并对国内外试验标准进行了系统的对比分析和研究,获得了大量宝贵的试验数据和研究成果,如中航工业强度所对ASTM D30委员会关于聚合物基复合材料的全套试验标准进行了引进和翻译,并开展了大量的试验和研究工作,在此基础上形成了一系列的国标和行标,在国内已成为标准的权威发布单位,大大拉近了与国外标准化发展之间的差距。强度所通过在多个平台对国内的复合材料从业者进行力学性能表征与测试技术的培训和宣贯,极大地促进了国内复合材料测试标准的推广和标准化工作的开展。

多年来,中航工业强度所力学性能评定与测试中心不仅承担了国内大量军机型号的材料级和元件级力学性能测试任务及民用飞机复合材料力学性能适航验证试验,还承担了欧洲空客公司、加拿大庞巴迪公司、德国汉高公司等国外著名企业的产品性能测试任务,专业能力和试验水平得到了FAA、CAAC和国外公司的认可,目前在复合材料力学性能测试技术领域已达到国际先进水平,对复合材料力学性能表征与测试技术的发展起到了重要作用。

责任编辑:惠佩

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