回归本源:碳纤维增强塑料材料测试-复合材料网
碳纤维增强塑料(以下简称CFRPs)由于其重量轻、强度高的特点,在航空航天、汽车工业以及高性能体育用品等领域中都有应用。

“与传统的硬质塑料相比,它们的强度和重量比确实有了很大的提高,” 罗斯-霍曼理工学院的机械工程系助理教授Matt Riley博士如是说。 “与金属相比,它们的强度一般不高,但它的强度重量比可以带来巨大的好处。”

顾名思义,CFRPs是由一种以特定方向编织的碳纤维细丝为增强体的聚合物。与诸如硬塑料或金属等各向同性材料不同,CFRPs是各向异性的,并且仅在编织纤维的方向上具有强度。CFRPs的各向异性既提供了优良的材料性能,又提供了测试时应考虑的固有复杂性。

里利说:“你可以通过设计,使CFRPs主要只在一个或几个有限的方向具出难以置信的强度。“只在一个或两个方向对它做出调整,使其具有较高的强度,你就可以得到非常显着的重量减轻,因为你不必在每一个方向都使它变得具有同样的强度,就像例如塑料或者金属之类的同位素材料。”

变异性的产生

“相较于传统聚合物,CFRPs对其制造条件更为敏感,它可靠且能按可预见的结果重复塑造。” Riley解释道。“有了CFRPs,样品之间的差异性随着制造方法的不同而有着很大的变化,这就是困难的来源。 这给最终产品引入了许多不确定性。”

CFRPs惯有的不一致性增加了测试的重要性,以确保材料呈现符合预期。对于熟悉测试不同材料强度的聚合物及金属的工程师而言,由于其各向异性和更复杂的结构,绘制完整的CFRPs样品的材料性能时还需要注意其中额外的细微差别。

“人们总是希望能够捕捉到适当程度的不确定性,当然这可能存在于[制造商]发布的结果中” 他说。“第二个原因,我要说的是,事实上,我和很多人谈过,这就是为什么他们最终要测试这些东西的原因,因为这些CFRPs在本质上是各向异性的,制造商实际上不可能展示每一种材料的特性。”

他说,除了介绍碳纤维复合材料的每种材料特性外,制造商还会列出一些基本的组成材料属性,例如纤维的强度,基体的强度和纤维的纵向模量。 然后,工程师将确定CFRPs的特定强度或模数,以便设计或实施该组件。

测试

正在做聚合物及金属检测向CFRPs转变测试的技术人员或工程师应该记住,通常对各向同性材料进行的许多测试不一定会完全表征各向异性的材料,如CFRPs,Riley说。

“所以,如果你在测试一种可能是各向同性的材料,你只需进行拉伸测试,”他说。“如果你使用仪器监测得当,就可以得到你的测试样本的纵向和纬度位置,理论上你可以从一次测试中得到每一种材料的特性-或者至少是基本力学性能。”你可以得到所有的模量,泊松比、剪切模量、强度等。

“但是当你在处理被设计成各向异性的CFRPs时,它并不是像聚合物那样只存在一个弹性模量,实际上它总共有三个弹性模量。除此之外,泊松比和剪切模量也不只有一个,泊松比和剪切模量也都各有三个。实际上,比起传统的各向同性材料来,CFRPs还有很多方面需要进行表征 。”

为了充分表征CFRPs样品的性能,技术人员或工程师需要在所有三个正交轴上进行测试。 为了实现这一点,可以从一块大的CFRP层合板上切下多个试样,每个试样相对于碳纤维编织方向以不同的角度切割。 通常,每个测试角度至少重复三次,但精确要求由ASTM根据测试和具体材料确定。

技术人员和工程师应该期望CFRPs在测试中的行为与传统材料有所不同,或者考虑做一个弯曲测试。 对于各向同性聚合物,一般来说,弯曲和拉伸的弹性模量通常是相同的。

“但对于各向异性的材料,如CFRPs来说,这些实际上是两个不同的值。材料在张力控制下会有不同的刚度。 另外,还有不同的故障模式发生,“Riley补充。 “聚合物在弯曲过程中的故障模式通常与拉伸载荷中的故障模式相同,但是CFRPs可能有多种故障模式。

在拉伸试验中,故障模式可能是由将碳纤维从聚合物基体中拉出的负载造成的,或者测试可能会使纤维断裂。 当弯曲同样的CFRP时,经常会发生的故障模式称为分层,或者由于表面产生的剪切应力导致层合板层间剥离。这是一种纯聚合物不会发生的故障模式。

“我想给那些希望实现这种转变(从聚合物或金属到CFRPs)的人的一个重要的建议是,了解它的各向异性,并至少了解引入的额外复杂性,”Riley说。 “还要认识到这不是一件坏事。 它为设计者提供了更多的功能,使得CFRP构件更适合您的特定应用,而无须为其在操作中可能出现的其他荷载作用进行过度设计。”

文章来源: Quality Magazine,原文题目为 Back to Basics: Material Testing Carbon FiberReinforced Plastics