实验 15 纤维增强聚合物基复合材料落锤冲击后压缩试验

一、实验目的

1.掌握纤维增强聚合物基复合材料层合板冲击后压缩性能测试的方法原理、试样、试验条件、试验设备、试验步骤和结果计算。

2.掌握具有多个纤维方向，且纤维方向相对试验方向均衡对称的连续纤维增强型塑料层合板[45/0/-45/90]的冲击后压缩强度的试验方法。

二、术语、定义和符号

1.固化后单层名义厚度

2.固化后单层名义厚度是通过计算得到的复合材料层合板的单层厚度，数值上等于纤维材料面密度除以纤维材料密度和纤维体积含量之积。

3.符号

i,j,k——复合材料层合板中某一单层重复连续铺贴的次数

n——复合材料层合板铺设镜面对称的次数

S——对称铺层层合板

三、方法原理

矩形试样沿厚度方向在试样中心受到一定能量的冲击后，对试样沿厚度方向施加压缩载荷，直到试样失效。

四、试样

1.试样形状及尺寸

试样形状及长度、宽度尺寸如图所示试样尺寸公差为±0.25mm

2.试样厚度

试样厚度为4.0~6.0mm，尽可能接近5.0mm

3.层合板的铺层方式

a）单向层合板

铺层顺序为[45/0/-45/90]ns，其中n为整数。如果预计的厚度值小于4.0mm则n值应变为n+1。针对不同的固化后单层名义厚度推荐层合板的铺层方式，见表13。层合板的0°纤维方向与试样长度方向一致。

b）机织物层合板

铺层顺序为[(45/-45)/(0/90)]ns，其中n为整数。如果预计的厚度值小于4.0mm则n值应变为n+1。记号(45/-45)和(0/90)表示机织物单层。针对不同的固化后单层名义厚度推荐层合板的铺层方式，见表2。层合板的0°纤维方向与试样长度方向一致。

c）其他铺层方式

层合板应有多个纤维方向（对单层为单向纤维的层合板纤维方向至少为3个，对机织物层合板至少为两个铺层方向），它们相对试验方向是均衡对称的。通常铺层方式应选择[45i/0i/-45j/90k]ns单向层合板或[45i/0j]ns织物层合板，使得纤维在4个主方向上每个方向的分布不少于5%。

按照热压罐工艺、热压机工艺或RTM工艺制备层合板，根据图1尺寸切割试样。

5.试样数量

每组有效试样应不少于5个。

五、试验条件

1.冲击能量按照公式（1）进行计算

······（1）

——冲击能量，单位为J

——规定的冲击能量与试样厚度的比，取6.7J/mm

——试样厚度，单位为mm

2.压缩加载速度为1.25mm/min±0.5mm/min。

3.试验在室温（23°）和相对湿度小于60%条件下进行

六、试验设备

1.落锤冲击试验装置

落锤总重量为5.5kg±0.25kg，应带有直径为16mm±0.1mm、硬度为60HRC～82HRC的半球形光滑冲击头。如果试验中使用了不同的冲击头，则应记录其形状、尺寸和质量。

落锤冲击头应有导向装置，冲击点的重复性偏差应不大于3mm。

试验装置应有防止二次冲击的装置。如果没有防止二次冲击的装置，可以通过在冲击头离开试样表面反弹后，用一片刚性材料（木头，金属等）插到冲击头和试样之间，以防止二次冲击。

落锤高度可调，高度标尺精度为0.5mm。冲击试验支撑夹具上下表面的平行度应能够保证试样支撑夹具上下表面的平行度应能够保证试样在受冲击位置水平放置，导向销必须保证试样中心收到冲击，铰接夹及其橡皮头，在试样收到冲击过程中能够压紧试样。

2.冲击后压缩试验夹具

冲击后压缩试验夹具应具有足够的刚度和尺寸精度，以保证试样均匀受压，并且不会发生屈曲，如图13.2所示。

七、试验步骤

1.检查试样外观

2.测量试验中心点（冲击点）四周四点的厚度，取平均值；在试样中心线测量试样的宽度。

3.计算对试样中心施加的冲击能量，将试样放在冲击试验支撑夹具上，使冲头对准试样中心，试样四个角压头处垫上硬橡胶并固紧。冲击高度按照公式（2）进行计算，根据计算的冲击高度对试样进行冲击。

                    ……（2）

H为冲击高度，单位为米(m)；E为冲击能量，单位为焦耳(J)；m为试样质量，单位为千克(kg)；G为重力加速度，取9.81m/s2。

4.测量并记录冲击表面和背面的损伤情况，包括冲击凹坑尺寸和背面的裂纹形状、尺寸等目视破坏情况。然后，采用游标卡尺测量凹坑深度，使测量凹坑的最大深度；在超声扫描仪上，进行吴敦检测，观察损伤面积，分析损伤尺寸。

5.将试样安装在试验夹具中，按照规定的速率在施加载荷直至达到最大值，在载荷下降约30%的最大载荷时终止试验，以防止真实的破坏模式被大范围的畸变所遮蔽，同时也防止损坏支持夹具。记录实验过程中的时间、位移、载荷等数值。

八、结果计算

冲击后压缩强度按照公式（3）进行计算：

式中：为冲击后压缩强度，单位为（MPa）；P为最大压缩载荷，单位为牛顿（N）；b和h分别为试样的宽度和厚度，单位为毫米（mm）。

九、实验结果

1.撞击参数：

4.破坏结果：

破坏形式是复材板受压失稳被压皱破坏。