【敲黑板】复合材料的冲击测试

2024-01-26 16:36:40 英斯特朗（上海）试验设备贸易有限公司

复合材料是由两种或两种以上材料复合形成的新型材料。最常见的一类是碳纤维增强复合材料，从结构上看它像纺织品的纤维布一层一层叠加复合在一起，利用树脂进行增韧固化。它因为具有重量轻、比强度/比刚度高、抗疲劳性能好、适合一体化设计、各项异性等特点，使其一经问世便备受关注。据报道，我国商用大飞机C919采用了约30%的复合材料，研制中的C929有望复合材料使用占比高达50%。不仅是飞机，可以说任何追求速度和轻量化的行业都希望能利用这样一种新材料，如赛车、高速列车、航天器等。众所周知的法拉利、帕加尼等超跑制造商很早就在车身上使用复合材料。

纤维复合材料板

碳纤复合材料虽然有着极高的强度，但也并非完美无缺。其中一个不可忽视的缺点就是耐冲击性差。航空复合材料潜在威胁可能是来自制造、使用和维修过程中不可避免的低能量冲击，如维修期间工具掉落、跑道碎石、冰雹等诸如此类的低能量外来物冲击。这种冲击在产品外观上往往不易察觉，但其内部可能出现分层、基体裂纹和纤维断裂，材料或零件的强度有可能降至原本的50%甚至更低，所以早在上世纪80年代国外就通过落锤方法对材料进行定量损伤，然后测试其剩余压缩强度来评估其抗冲击性能，这就是CAI（Compression after Impact）测试的由来。

CAI冲击视频

碳纤维泡沫夹芯材料在不同能量冲击后的表面状况（从左到右：5J，10J，15J，20J）

CAI测试在航空复合材料领域已经是标准化测试，涉及ASTM D7136/7137、GB/T21239、空客AITM 1.0010、波音BSS 7260等标准。以ASTM D7136为例，其规定了使用公制100mmx150mm的矩形样品，特定的夹具结构和材质。推荐样品厚度h为4-6mm，使用落锤总质量为5.5±0.25kg和直径为16±0.1mm、硬度为60~62HRC的半球形光滑冲击头，以6.7J/mm×h（样品厚度）的能量冲击样品，为了避免冲头多次冲击样品造成额外损伤，落锤试验机需具备防二次冲击功能。最后记录冲击表面和背面损伤情况，再使用万能材料试验机对样品进行压缩测试。

INSTRON CAI冲击夹具

但对于科研或者产品研发的人们而言，他们研究复合材料抗冲击性能的方式常常不局限于标准的测试，他们关注过程和失效分析，冲击后也对样品进行拉伸或者剪切，往往追求更灵活的测试条件。

科研人员在讨论复合材料冲击测试结果

测试软件界面

人们希望通过INSTRON落锤试验机可以获得整个冲击过程中每个细节的精确信息。如下面一个典型的CAI冲击曲线，从位移和载荷的曲线可以看到开始阶段样品的变形属于弹性弯曲，所以变形量也是随着冲击载荷呈单调上升；达到初始破坏载荷后材料开始损伤，曲线出现小的振荡；紧接着是基体持续开裂、层间裂纹扩展，出现峰值载荷、载荷下降等一系列过程，这些也都很直观地反映在测试结果曲线上。从能量和时间的曲线看，可以清楚的看到施加的能量、吸收能和弹性能等信息。这些通过INSTRON的Bluehill Impact软件都可以轻松获取。

典型的复合材料CAI曲线

冲击后通过水浸超声和X-Ray无损探伤分析¹

[1]图片源自R. Matadi Boumbimba,M. Coulibaly, A. Khabouchi, G. Kinvi-Dossou,N.Bonfoh, P. Gerard.Glass fibresreinforced acrylic thermoplastic resin-based tri-block copolymers composites:Low velocity impact response at various temperatures. Composite Structures160(2017)939-951

除了传统的CAI冲击外，现在冲击的方式和应用范围也在发生着变化。随着很多复合材料被应用到汽车车身，人们开始将汽车用塑料多轴冲击的方法（ISO 6603、ASTM D3763）应用到复合材料上，也就是将样品固定后，用一定的速度或者能量直接将样品冲穿，以获得能量、载荷、形变的信息。并将虚拟仿真与实际测试进行比较，这些结果都会被用于计算机辅助工程和材料卡生成。

实际冲击和仿真对比

人们还希望对结构件进行冲击测试。应用于兰博基尼超级跑车的Forged Composites®（锻造复合材料）打开了一个汽车领域尚未涉足的场景，其灵活高效的成型技术让很多复合材料零部件成为可能。而对这些复杂多变的零部件测试，除了需要稳定和可靠的测试结果以外，设备测试空间，传感器抗侧向力，严苛的测试环境场景都会是测试面临的挑战。