摘要：今年8月，GB/T 41762.1-2025《纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料層合板厚度方向性能的測定第1部分：直接拉伸和壓縮試驗(yàn)》正式發(fā)布，結(jié)合GB/T 41762.2-2025《纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料層合板厚度方向性能的測定第2部分：彎曲試驗(yàn)測定碳纖維單向?qū)雍习宓膹椥阅Ａ俊?qiáng)度和威布爾尺寸效應(yīng)》。第1部分是對第2部分的補(bǔ)充，標(biāo)準(zhǔn)制定后將對纖維增強(qiáng)復(fù)合材料產(chǎn)品質(zhì)量檢測的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化具有重要意義。至此，ISO 20975的兩部分內(nèi)容已全部轉(zhuǎn)化。

關(guān)鍵詞：試驗(yàn)方法、層合板、厚度方向性能、拉伸、壓縮。

一、背景

選擇適合構(gòu)件性能要求的鋪層形式來滿足強(qiáng)度、剛度和各種特殊要求，可為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化提供更大的自由度。相關(guān)研究表明，將一組曲線形式的纖維鋪層夾在一對±45° 的鋪層之間，與相同層數(shù)的傳統(tǒng)直線纖維層合板相比，承載能力可提高 60%。通過選擇合適鋪層形式，能為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化提供更大自由度，顯著提升構(gòu)件性能。

二維的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層合板在經(jīng)向和緯向擁有較高的剛度和強(qiáng)度，現(xiàn)在已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用在汽車工業(yè)和航空工業(yè)中。波音787夢幻客機(jī)大量使用碳纖維復(fù)合材料，在機(jī)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，通過優(yōu)化復(fù)合材料鋪層，不僅提高了結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度，還減輕了飛機(jī)重量，提高了燃油效率，同時(shí)減少了零件數(shù)量，簡化了制造過程。

二、目的意義

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層合板通常在厚度方向有非常弱的性能。碳纖維復(fù)合材料層合板在厚度方向（Z 向）缺少增強(qiáng)纖維，僅依靠基體樹脂進(jìn)行承載與粘接，導(dǎo)致其厚度方向承載能力較弱，容易發(fā)生分層破壞。

在復(fù)合材料的一些應(yīng)用中，要求有一定的抗脫層性能和抗剪切性能，比如，風(fēng)力渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、機(jī)身縱梁和壓力容器等，先前的復(fù)合材料層合板葉片的研究中發(fā)現(xiàn)，在葉片服役時(shí)，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層合板的分層破壞對葉片的性能有很大影響。

針對航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）要求將復(fù)合材料的厚度方向性能作為基礎(chǔ)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，而且隨著航空領(lǐng)域復(fù)合材料從次承力向主承力結(jié)構(gòu)的發(fā)展，材料研發(fā)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)部門需要對復(fù)合材料的厚度方向性能進(jìn)行試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確評估。

分層是復(fù)合材料層合板損傷破壞的主要形式之一，受復(fù)合材料層合板的厚度方向性能和層間性能影響，復(fù)合材料層合板厚度方向性能和層間性能有著完全不同的物理概念，應(yīng)該加于區(qū)別，不能混用。

層間性能顧名思義，是層合板兩層之間界面相的性能，反映單純界面相對外界作用的響應(yīng)；而厚度方向的性能，則反映整個(gè)層合板材料在厚度方向的表觀性能，它包括各層及其界面相對外界作用的綜合響應(yīng)。

可應(yīng)用于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、產(chǎn)品性能評定、產(chǎn)品剩余壽命評估等領(lǐng)域。

2022年發(fā)布了GB/T 41762.2-2022 《纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料 層合板厚度方向性能的測定 第2部分：彎曲試驗(yàn)測定碳纖維單向?qū)雍习宓膹椥阅Ａ俊?qiáng)度和威布爾尺寸效應(yīng)》，提供了一種彎曲測試方法，用以測定纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料層合板厚度方向性能，包括強(qiáng)度、斷裂應(yīng)變和模量。GB/T 41762.1是對第2部分的補(bǔ)充，標(biāo)準(zhǔn)制定后將對纖維增強(qiáng)復(fù)合材料產(chǎn)品質(zhì)量檢測的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化具有重要意義。

三、范圍和主要技術(shù)內(nèi)容

GB/T 41762.1規(guī)定了采用拉伸和壓縮試驗(yàn)方式測定纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料厚度方向性能的試驗(yàn)方法，描述了三種試樣類型。主要技術(shù)內(nèi)容包含：原理、儀器設(shè)備、試樣、試樣數(shù)量、狀態(tài)調(diào)節(jié)、試驗(yàn)程序、結(jié)果表達(dá)、精密度和試驗(yàn)報(bào)告等。

Instron開發(fā)的試驗(yàn)裝置（圖源：Instron）

四、國際標(biāo)準(zhǔn)對比

目前國內(nèi)外專家對于層間性能關(guān)注較多，發(fā)布了ASTM D2344《聚合物基復(fù)合材料及其層壓板短梁剪切強(qiáng)度測試方法》、GB/T 1450.1《玻璃纖維增強(qiáng)塑料層間剪切強(qiáng)度試驗(yàn)方法》等標(biāo)準(zhǔn)，對于厚度方向性能的關(guān)注較少，因而研究其厚度方向性能對纖維復(fù)合材料產(chǎn)品的應(yīng)用具有非常重要的意義。

ISO 20975-1規(guī)定了使用矩形棱柱體和/或腰形塊體試樣測定纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料全厚度性能（即強(qiáng)度、彈性模量、泊松比和斷裂應(yīng)變）的方法。這些方法適用于多種取向和非取向、連續(xù)和不連續(xù)的纖維形式，適用于熱固性和熱塑性基體，厚度范圍為20毫米至40毫米。描述了三種試樣類型，分別是：

• 類型I——沿試樣長度方向具有固定矩形橫截面。它是測定彈性性能的首選試樣。

• 類型II——腰形矩形橫截面，沿試樣長度方向橫截面可變。它僅適用于測定拉伸強(qiáng)度值，是高度各向異性材料和熱塑性材料的首選試樣。

• 類型III——腰形矩形橫截面，沿試樣標(biāo)距長度方向具有固定橫截面。它用于提供彈性和強(qiáng)度性能數(shù)據(jù)，是生成完整應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)的首選試樣。

類型I和類型II試樣也適用于非增強(qiáng)塑料，但不適用于剛性多孔材料以及含有多孔材料的夾層結(jié)構(gòu)。

五、結(jié)語

GB/T 41762.2與GB/T 41762.1的相繼發(fā)布，填補(bǔ)了國內(nèi)纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料層合板厚度方向性能測定標(biāo)準(zhǔn)化體系的關(guān)鍵空白。兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)相互補(bǔ)充、各有側(cè)重，共同構(gòu)建起科學(xué)系統(tǒng)的測定體系，為材料研發(fā)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、產(chǎn)品質(zhì)量檢測等提供統(tǒng)一技術(shù)依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1]張雅會(huì).變剛度復(fù)合材料典型結(jié)構(gòu)力學(xué)性能研究[D].南京航空航天大學(xué),2023.DOI:10.27239/d.cnki.gnhhu.2023.000142.

[2]全國標(biāo)準(zhǔn)信息公共服務(wù)平臺，https://std.samr.gov.cn/。

[3]國際標(biāo)準(zhǔn)化組織，https://www.iso.org/。

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