【检测表征】复合材料测试专题：复合材料冲击后压缩强度的测试标准、主要挑战与解决方案

摘要

在前述本公众号有关复合材料测试领域系列文章中介绍了复合材料压缩性能、剪切性能、损伤容限、拉伸性能等测试方法。

本文将介绍复合材料冲击后压缩强度（CAI）测试概念、相关标准，并重点介绍了测试时主要挑战和解决方案。

附录：本公众号复合材料测试领域的专题文章：

复合材料冲击后压缩强度（Compression After Impact，CAI）试验主要是用于定义复合材料在经历冲击载荷后的抗损伤能力。对复合材料层压板的冲击可能不会导致明显的外部损伤，但可能会导致抗压强度大幅降低。

使用复合材料的汽车零部件设计应考虑冲击对材料性能的影响。该数据可通过使用配置有CAI附件的Instron Drop Tower设备，并按照专用标准（如ASTM D7136M、ASTM D7136）计算得到。

CAI测试标准及注意事项

ASTM D7136/D7136M-05以波音BSS 7260 II型2类冲击为基础，涵盖了测量经落锤冲击试验的纤维增强聚合物基复合材料板的抗损伤性。每种材料/铺层应测试五个扁平矩形试样。

使用的势能为4.94 ft-lb（6.7J）乘以试样厚度。使用直径为0.625英寸（16mm）的半球形冲击器，将试样支撑在刚性支撑夹具上，并在支撑底座中具有适当尺寸的窗口，使其承受面外集中冲击，材料的抗损伤性根据试样中留下的损伤大小和类型计算。

当要求提供该标准的测试解决方案时，建议使用Instron 9440或9450。对于冲击能量要求介于1.0–97.9 ft-lbs（1.356–132.8 J）之间的客户，建议采用9340。当冲击能量范围为1.9–1182英尺-磅（2.6–1603 J），建议使用9350。

复合材料CAI测试面临的主要挑战

虽然与金属材料相比，复合材料具有优异的机械性能（即高强度和高刚度），而且重量也较轻，但其对冲击造成的损伤的耐受性较差。损伤类型可能很复杂、形状不规则，并可能影响结构的所有层。此外，它们可能几乎看不见或隐藏在视野以外。

低能量冲击被认为是最危险的，因为在对受冲击表面进行常规目视检查时，它们造成的损坏可能会被忽略。对部件造成明显损伤的冲击能量可能显著高于对机械性能有显著影响的冲击能量。因此，研究层压板的损伤容限以及不同冲击能量对残余强度的影响至关重要。

主要的解决方案

针对上述问题，Instron公司提出了自己的解决方案，通过使用Instron®9450落锤冲击试验机，可以研究层压板的损伤容限，并确定不同冲击能量对残余强度的影响。对部件进行CAI测试表明，材料对不同冲击条件的响应不同，使工程师能够更经济有效地设计和测试复合材料产品。

当配置有仪表化tup、数据采集和软件时，可以捕获和分析每次撞击的力信号，帮助工程师提高对材料性能的了解。特殊温度室的使用可以允许用户研究相同材料在高达300°C的高温环境中可能发生的反应。

（主要参考：Instron）

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