【检测表征】具有夹心结构复合材料的弯曲性能测试
夹芯复合材料由薄的复合材料面板与相对较厚、低密度的芯部粘合而成。使用芯部将两个刚性和强大的复合材料面板分离，可产生特别适合弯曲荷载的复合夹层结构。在这种载荷下，面板承受与弯曲相关的拉伸应力和压缩应力，而中心芯部主要承受剪切应力。因此，夹芯复合材料在弯曲载荷下会发生面板或芯部破坏，并且已经开发出测试方法来评估这两种类型的失效。这两种挠曲试验的主要区别在于夹层梁试件的支撑跨度长度、长梁与短梁以及荷载配置、四点荷载与三点荷载。
为了在复合材料夹层梁试样中产生面板破坏，从而确定面板极限强度，图1a中使用了相对较长的跨度长度和四点加载配置。按照ASTM D72491《夹层复合材料长梁弯曲试验方法》规定，标准试样为76毫米宽、600毫米长。560毫米支撑跨距与相对较短的100毫米加载跨距长度相结合指定为标准加载配置。这种结构旨在最大限度地提高面板中的弯曲应力，同时尽量减少芯部的剪应力。然而，仅当ASTM标准中提供的试样设计方程表明将产生面板失效时，才使用该标准配置。否则，需要改变支撑和荷载跨度长度，以达到预期的面板破坏。此外，ASTM D7249为试样设计提供了一条有用的经验法则：支撑跨距长度应至少大于夹层厚度的20倍。另一个问题是在荷载引入点发生的局部面板损坏或芯部压碎。为了解决这一问题，ASTM试验方法规定使用25毫米宽的旋转加载平面，以帮助将力分布到更大的区域（图2）。此外，建议在钢质平板上使用3毫米厚的橡胶压力垫，以进一步降低应力集中。
图1. 夹芯复合材料弯曲测试中使用的试样结构。1a（顶部）是长梁挠性结构（ASTM D7249）和1b（底部）为短梁弯曲配置（ASTM C393）
为了在弯曲荷载下产生复合夹层梁试件的芯部破坏，图1b使用了相对较短的跨长和三点荷载配置。ASTM C3932夹层复合材料短梁弯曲试验方法，规定了76毫米宽、200毫米长的标准试样。相对较短的150毫米支撑跨度，加上单一的中心加载点，使面板中的弯曲应力最小化，并产生芯部剪切破坏。在长梁弯曲试验中规定的相同的旋转加载平台和橡胶压力垫用于防止加载点处的失效。事实上，用于进行长梁弯曲试验的相同可调试验夹具（图2）可用于通过将一个加载头放置在中点并移除另一个加载头来执行短梁弯曲试验。与长梁弯曲试验类似，ASTM C393提供了用于在面板破坏和中心加载点处的局部芯部压缩破坏之前产生芯部剪切破坏的试样设计方程。注意，芯部剪切和芯-面板粘结失效都被认为是可接受的失效模式。
图2. 长梁弯曲测试夹具和夹心复合材料样本
阅读ASTM C393的人还可能注意到，即使它们不推荐用于短梁弯曲试验，以确定芯部的剪切极限强度，但四点加载配置仍包括在试验方法中。原因是什么？在2006年之前，ASTM C393是夹层复合材料唯一的弯曲试验方法。因此，该标准的早期版本包括短梁和长梁夹层试样以及三点和四点荷载。此外，还对试样设计和试验配置提供了最低限度的指导，以产生所需的失效模式。2006年，当ASTM D7249标准化用于长梁弯曲试验时，ASTM C393被改写为只关注短梁弯曲试验。然而，标准中保留了四点加载配置，以便与本试验方法的先前版本保持“历史连续性”。
此外，2006年ASTM D72504实现标准化，用于根据长梁和短梁挠曲测试的测试结果确定夹芯复合材料的刚度性能。该标准实施规程描述了计算夹层弯曲和剪切刚度以及芯部剪切模量的方程和公式。至少需要一个长梁（ASTM D7249）和一个短梁（ASTM C393）挠曲试验配置的力-挠度和/或应变数据。这些刚度特性通过同时求解每个试验配置的挠度方程来确定。
在总结了用于夹芯复合材料的两种标准化弯曲载荷配置后，在看一下它们与目前用于复合材料层压板或固体复合材料挠曲试验的相似之处。与夹芯复合材料的情况一样，这两种标准弯曲试验方法也分为长梁和短梁弯曲试验。固体复合材料长梁弯曲试验ASTM 7264，允许使用三点和四点加载。对于这两种荷载配置，建议跨度与厚度之比为32:1，这两种荷载配置会产生沿外试样表面的最大弯曲应力。由于最大压缩应力（即复合材料层合板的弯曲强度），试样破坏通常发生在试样顶部。相比之下，ASTM 23446固体复合材料短梁弯曲试验仅使用4:1的跨厚比和三点荷载。本试验方法用于测定短梁强度，定义为破坏时试样中厚处产生的最大剪应力。由于应力状态和产生最大应力的体积的不均匀性，使用这些试验测得的弯曲强度和短梁强度均不能视为复合材料的材料特性。然而，在某些情况下，这些测量的数量可用于材料属性评估。