玻璃鋼／復合材料力學性能測試手段和方法 zund S3-1600-Polycarbonate台中雷射切割雕刻代工－游展仲焦點新聞熱搜

1　特性

1.1　玻璃鋼／復合材料的材料特性
　　由纖維和基體組成經化學反應后形成的玻璃鋼／復合材料，可定義為“由兩種或兩種以上不同材料人工復合而成的新型細觀結構材料”。這里強調的是人工復合而成，又強調的是細觀上是一種結構的新型材料，這種材料稱現代復合材料。
　　現代玻璃鋼，復合材料是從上世紀四十年代使用玻璃纖維增強塑料(俗稱玻璃鋼)開始，現已有了各種先進復合材料。從材料角度講，人類歷史上有石器時代、青銅時代和鐵器時代，而21世紀社會成為復合材料時代。
　　玻璃鋼／復合材料的材料特性還有：(1)材料和產品結構是一次成型，不需要像普通金屬材料一樣，制造產品結構要經過許多工藝程序；(2)成型的方便性和整體性。
1.2　力學特性
1.2.1　各向異性
　　玻璃鋼／復合材料，其中以長纖維復合而成的，各個方向的力學性能是不同的。沿纖維方向的拉伸、壓縮、彎曲性能高，而面內剪切、管子扭轉強度、沖擊強度、泊松比是沿著45°方向高或大。所以對于玻璃鋼／復合材料產品必須進行鋪層設計，以達到佳力學性能。
1.2.2　低剪切性能和低層間拉伸性能
　　玻璃鋼，復合材料不同于均勻材料，各方向的剪切性能是大不一樣的，典型的有面內剪切、層間剪切和斷紋剪切三種。其中，層間剪切性能特別低，與所采用的基體的品種、成型工藝、纖維表面處理(也稱界面質量)等有關。以剪切強度而言，充其量也只是基體的剪切強度，對于樹脂基體，為(20～60)MPa范圍，約為拉伸強度的1／10左右。而面內剪切，與纖維方向有關，一般的縱橫剪切強度，或管子扭轉剪切度僅為縱向拉伸強度的1／7～1／5左右。當纖維是45°時，其面內剪切強度約為拉伸強度的1／2。
　　層間拉伸性能更低一些，特別與基體品種、成型工藝及界面質量關系更為密切，充其量為基體的拉伸強度。由于材料質量的不均勻性，試樣制備，及試驗夾具的對中和平行度等，層間拉伸強度往往低于基體的拉伸強度。對于樹脂基體，其拉伸強度在(20～40)MPa范圍，層間拉伸強度常出現在20MPa以下。
　　要改進此性能，只有采用三維織物增強物來復合成玻璃鋼／復合材料，在此方面，已有很大進展。
1.2.3　彈性模量
　　普通玻璃鋼的彈性模量是低的，為(10～20)GPa，僅為鋼的(1／20～1／10)左右。但先進復合材料，采用高模量的碳纖維制成的復合材料，其彈性模量超過鋼材。由于玻璃鋼／復合材料的易成型性，可采用夾層結構形式，大大提高產品的剛度，這也是特點。為此，有一整套測夾層結構的試驗方法國標。
1.3　物理特性
　　玻璃鋼／復合材料有優越的透無線電波、電絕緣或抗靜電、非磁性、隔熱保溫、隔聲吸音、吸波、抗震、耐沖擊等，還有優異耐腐蝕等。

2　測試手段

　　對于玻璃鋼，復合材料各組成部分的測試手段是不同的，對于纖維，有單絲、復纖、紗線、織物一套類似紡織行業一樣的測試設備。對于基體和復合材料的拉、壓、彎、剪的力學性能，用一般萬能試驗機，對于不同產品，不同用戶，采用不同的噸位和機型即可，5噸、10噸的較常用，如英斯特朗的5900系列靜態電子萬能試驗機。
　　對于沖擊，有不同型號沖擊試驗機，功能較全的，如英斯特朗的CEAST9300系列落鍾沖擊示波試驗機。還有專門的疲勞試驗機，如英斯特朗FAST TRACK5900系列電液伺服動態疲勞試驗機。
　　對于大管子的壓縮性能，有大行程的拉、壓試驗機。
　　測試手段中，除試驗機外，很重要的是要有一套適應不同成型工藝的玻璃鋼／復合材料力學性能測試的夾具和測變形儀器，在各有關的標準中都有規定。目前，如英斯特朗公司生產的均有較高的自動化水平的配件。

3　測試方法

　　玻璃鋼／復合材料力學性能的測試方法包括增強材料、基體及復合材料的測試方法。
3.1　增強材料
　　目前增強材料主要的是玻璃纖維和碳纖維，測試方法有GB／T 7690.3“玻璃纖維強度斷裂伸長的測定”和GB／T3362"碳纖維復絲拉伸性能試驗方法”。
3.2　基體
　　復合材料的基體有很多種類，主要有聚合物、碳基、陶瓷基、金屬基。聚合物基體中用得多的是樹脂，有專門一套力學性能測試方法，如GB／T 2567～GB／T 2571及GB／T 4726，包括拉伸、壓縮、彎曲和沖擊性能的測試方法。對于其它均勻材料基體，可以采用相應材料的測試方法。
3.3　復合材料
　　由于玻璃鋼／復合材料具有各向異性的特點，其測試方法有許多與常規材料不同的獨到之處。同一個力學性能，有不同的試樣形狀和尺寸，有不同的測試夾具和方法。
3.3.1　拉伸性能測試
　　按玻璃鋼／復厶材料的成型工藝及鋪層設計，其拉伸性能的測試方法是不同的，有以下幾種：
　　(1)纖維纏繞增強塑料環形試樣拉伸試驗方法：GB／T 1458。
　　(2)纖維增強塑料拉伸性能試驗方法：GB／T 1447。
　　(3)定向纖維增強塑料拉伸性能試驗方法：GB／T 3354。
　　(4)纖維增強熱固性塑料管軸向拉伸性能試驗方法：GB／T 5349。
　　(5)拉擠玻璃纖維增強塑料桿拉伸性能試驗方法：GB／T 13096.1。
　　(6)玻璃纖維增強塑料層合板層間拉伸強度試驗方法：GB／T 4944。
3.3.2　壓縮性能測試
　　(1)纖維增強塑料壓縮性能試驗方法：GB／T 1448。
　　(2)單向纖維增強塑料平板壓縮性能試驗方法：GB／T 3856。
　　(3)纖維增強塑料薄層板壓縮性能試驗方法：GB／T 5258。
　　(4)纖維增強熱固性塑料管軸向壓縮性能試驗方法：GB／T 5350。
　　(5)纖維增強熱固性塑料管平行板外載性能試驗方法：GB／T 5352。
　　(6)紡織玻璃纖維無捻粗紗棒狀復合材料壓縮強度的測定：GB／T 14209。
3.3.3　彎曲性能測試
　　(1)纖維增強塑料彎曲性能試驗方法：GB／T 1449。
　　(2)單向纖維增強塑料彎曲性能試驗方法：GB／T 3356。
　　(3)拉擠玻璃纖維增強塑料桿彎曲性能試驗方法：GB／T 13096.2。
　　(4)紡織玻璃纖維無捻粗紗棒狀復合材料彎曲強度的測定：GB／T 14208。
3.3.4　剪切性能測試
　　(1)纖維增強塑料層間剪切強度試驗方法：GB／T 1450.1。
　　(2)纖維增強塑料沖壓式剪切強度試驗方法：GB／T 1450.2。
　　(3)纖維增強塑料環形試樣剪切試驗方法：GB／T 1461。
　　(4)纖維增強塑料縱橫剪切試驗方法：GB／T 3355。此方法，同時可以測出45°方向的性能及泊松比等。
　　(5)拉擠玻璃纖維增強塑料桿面內剪切強度試驗方法：GB／T 13096.3。
　　(6)拉擠玻璃纖維增強塑料表觀水平剪切強度短梁剪切試驗方法：GB／T 13096.4。
　　(7)單向纖維增強塑料層間剪切強度試驗方法：GB／T 3357(JC／T 773)。
3.3.5　沖擊強度測試
　　纖維增強塑料簡支梁式沖擊韌性試驗方法：GB／T 1451。
　　有關落鍾沖擊試驗，上海玻璃鋼研究院有限公司已有英斯特朗落鍾沖擊試驗機，有待制訂有關試驗方法國標。
3.3.6　蠕變、疲勞等測試
　　有待今后完善有關試驗方法國標。
3.4　夾層結構
　　夾層結構大大提高產品的彎曲剛度和強度，已廣泛應用于航空航天、建筑、交通、能源等各部門。夾層結構的測試方法有其獨特之處，對試驗設備要求較高。我國的一套夾層結構性能試驗方法國標，優于國際上先進的有關標準，國際ISO還無此標準，我們正準備向ISO推薦我國的標準。有平拉、平壓、剪切、側壓、彎曲、滾筒剝離等國標；GB／T1452～GB／T1457等。其中，特別是側壓性能、彎曲性能的國標，比美國ASTM的有關標準優越和實用許多。

4　需求和展望

　　隨著我國玻璃鋼／復合材料產量逐漸取代美國，占，特別是在能源部門的應用，如風電行業。我國風力發電量已是上大的，在風電行業，使用玻璃鋼／復合材料的量是很大的，同時，要達到風力發電的高效率，對玻璃鋼／復合材料的力學性能要求特別高及很全面，不僅要求有較全面的靜態力學性能，更需要動態疲勞性能和長期力學性能，因此對試驗機的要求很高，也很全面，英斯特朗公司生產的試驗機能滿足這需求。
　　玻璃鋼／復合材料不同于普通的均質材料，有較高的疲勞極限和抗振性能。產品中若有裂紋，有一個緩慢開裂過程，不像金屬材料產品，一出現裂紋，產品馬上失效或破壞。因此，為了更好、更全面地測試和研究玻璃鋼／復合材料的真實力學性能及受力的整個過程的特性，我們展望今后試驗機具備有聲發射和透視功能，為的新材料的開發研究作出貢獻。

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