技术专栏 | 为复合材料做“体检”（二）——压缩试验
压缩试验简介
上期文章向大家讲述了复合材料力学性能测试的首要试验方法——拉伸试验。要想进一步测试复合材料在压缩载荷下抵抗压溃以及保持结构稳定的能力，就要用到另一种试验方法：压缩试验。
复合材料压缩试验是具有挑战性的试验之一，是因为在实际测试时复合材料的薄壁结构极易发生“屈曲①”而非真正的材料破坏，因此压缩试验的关键在于避免对试样施加的载荷引起试样屈曲。
①屈曲：结构屈曲指构件在未达到材料屈服强度时因失稳而丧失承载能力的现象，表现为突然偏离原平衡状态。
一、常见标准
目前，由于复合材料种类较多，因此其压缩试验存在较多不同体系的标准依照。
例如我国的国家标准：GB/T 34559-2017《碳/碳复合材料压缩性能试验方法》、GB/T 33614-2017《三维编织物及其树脂基复合材料压缩性能试验方法》、GB/T 41955-2022《聚合物基复合材料多向层合板无开孔压缩试验方法》等。
国际标准化组织的ISO 14544:20 25《高温下陶瓷复合材料的机械性能、压缩性能的测定》、ISO 14126:2023《纤维增强塑料复合材料 面内方向压缩性能的测定》以及美国材料与试验协会的ASTM D6641《使用组合负荷压缩(CLC)试验夹具测定聚合物基体复合层压材料的压缩性的标准试验方法》、ASTM D3410《具有不支撑规格的聚合物基质复合材料的压缩性能的标准试验方法》等。
除以上标准以外，德国、英国、法国等诸多国家均有各自关于复合材料压缩试验的标准方法。国际上通常将ASTM D6641与ASTM D3410作为常用的压缩试验方法依据。
二、标准区分
虽然上面列举的标准均可作为复合材料压缩试验的方法依照，但从不同标准的名称中可以看出，每个标准的侧重点各有不同。
以常用的ASTM D6641《使用组合负荷压缩(CLC)试验夹具测定聚合物基体复合层压材料的压缩性的标准试验方法》与ASTM D3410《具有不支撑规格的聚合物基质复合材料的压缩性能的标准试验方法》为例，两个标准核心区别在于试验时加载方式不同：ASTM D6641采用“端面+剪切”组合加载的加载方式，而ASTM D3410采用的是纯剪切加载的方式。
图1：ASTM D3410纯剪切加载原理示意图👆
ASTM D6641的组合加载方式使其在试验过程中既可以最大程度防止试样端部压溃，又能减少剪切应力集中的影响，保证应力状态均衡。
该方法适用于高强度、高模量的连续纤维增强复合材料（尤其是单向和层压板）的压缩性能测试，具有较广的材料适用范围。
ASTM D6641主要用于测定以下性能：
1.压缩强度：试样在压缩试验过程中所能承受的最大压缩应力。
2.压缩（弹性）模量：应力-压缩曲线在弹性范围内的指定应变区间中的斜率。
3.最大载荷下的应变或破坏应变：达到压缩强度时的压缩情况。
4.屈服性能（如适用）：复合材料开始发生塑性变形的应力值。
5.泊松比：材料在单向受力时，横向应变与轴向应变的负比值，用于描述材料的横向收缩或膨胀特性（此参数的获取并非ASTM D6641的强制要求）。
ASTM D3410的纯剪切加载方式能够完全避免对试验施加端面加载，适用于对端部破坏敏感的高性能复合材料。该方法专门用于测定高模量纤维增强聚合物基复合材料面内压缩性能。
该方法可测试材料的以下性能：极限抗压强度、极限压缩应变、压缩弹性模量、压缩弦线模量、压缩泊松比、过渡应变、割线模量。
三、常见注意事项
对于使用标准试样并按照ASTM D6641、ASTM D3410标准进行的压缩试验，以及纤维增强塑料的许多其他标准化试验方法，通常使用100kN~300kN电子万能试验机即可。
中机试验为复合材料性能测试提供一套先进解决方案。
图2：中机试验复合材料拉伸试验解决方案👆
方案采用的中机试验DF系列电子万能试验机，能够依照GB、ASTM、ISO和其他行业标准执行复合材料拉伸试验，拥有业界领先的精确性和可靠性：
①方案兼容性强：可满足各种形式、各种标准的复材试验；
②模块化设计：可快速更换复材夹具以满足其他标准的试验条件；
③高精度：可达到0.5级精度；
④非标夹具适配：可针对特殊尺寸复合材料试样进行适配；
⑤主机速度范围广：可满足绝大部分试验速度。
图3：中机试验解决方案依照ASTM D6641形成的应力-压缩曲线👆
图4：中机试验解决方案依照ASTM D3410形成的试验曲线👆
在对复合材料试样进行压缩试验时，应根据标准不同选用恰当的夹具。
例如ASTM D6641指定采用组合载荷压缩（CLC）夹具，以实现“端面+剪切”组合加载的加载方式；
图5：组合载荷压缩（CLC）夹具👆
ASTM D3410则需要采用IITRI夹具，该夹具通过内部的楔形块将试验机压板施加的轴向力转化为对试样平行段（标距段）剪切力，实现纯剪切加载。
图6：IITRI夹具👆
中机试验为复合材料压缩试验配备多种模块化夹具，适配多力值、多温域测试需求。
不同标准对试样的要求不同，应根据标准要求针对性制备试样。
例如，ASTM D6641要求试样选用无加强片或有加强片的矩形条装层压板，宽度至少为13mm，厚度必须足以防止欧拉柱屈曲发生，同时须满足一定的尺寸和公差要求。
结语
本期文章以ASTM中的两个标准呈现了复合材料性能测试方法中的压缩试验，中机试验复合材料系列专栏的下一期，我们将为您阐述复合材料弯曲试验的相关内容，期待与您继续同行。
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