復合材料變形和回復的試驗方法

  為了表征復合材料的蠕變、松弛和回復等行為,初僅是針對普通材料而制定的ASTM測試方法目前已被適當地復合材料的測試。本文對量化復合材料變形和回復的方法及手段進行了闡述。

  大多數復合材料包括聚合物基復合材料,一般不會顯示出與蠕變、松弛和回復相關的性能。盡管基體材料會發生永久變形,但纖維增強材料一般不會變形,因而能夠保持其尺寸的穩定性。不過材料配置、負載條件和使用環境等因素都可能會引起材料發生有利或不利的尺寸變化。
  用于表征這些行為的標準化測試方法已被制定。雖然初僅是針對普通材料,而不是針對復合材料,但是這些測試方法目前已被適當地用于復合材料的測試。復合材料的壓縮形變測試就是按照ASTM D3951進行的。該標準包括方法A-蠕變和方法B-回復。雖然所需的載荷可以由試樣上堆疊的靜負載提供,但是要把試樣在各種環境中長時間地暴露于負載下的這種需要,已使簡單的夾具僅適用于通常選擇。
  一種彈簧加載的框架被用來施加方法A中的蠕變負載。先校準該彈簧,使得一個給定的擾度能產生一個給定的力,或者使用一臺外部的試驗機向彈簧(和試樣)施加所需的力。在后一種情況下,彈簧被保持在壓縮狀態,而且可以將該框架從試驗機中拿下來用作其他用途。因為這種施加負載的方式比施加靜負載要更加穩定、便攜和緊湊,所以很容易把彈簧加載的框架從各種溫度、濕度和紫外線箱中以及鹽霧浴、水浴和其他液體浴中移出或移進,以模擬實際使用環境的各種變化,同時根據暴露的時間監測試樣的變形過程。
  雖然ASTM D395只包括壓縮蠕變,但是相同的步驟可以被用來測量拉伸蠕變,在ASTM D2294中就描述了一種可以用于測試拉伸蠕變的合適儀器。
  為了確定回復情況,先在一個給定的時間內利用剛性板夾持圓盤狀試樣,然后在夾持力釋放后,監測其回復率。用于此測試目的一個典型夾具如圖1所示,它已完成組裝,但還沒有安裝試樣。先充分地擰松螺栓,根據試樣的大小和被測試樣的總數,把一個或多個試樣放在每個開口處。然后擰緊螺栓,直到板接觸到間隔條,把試樣壓縮一個固定值。試樣的壓縮量取決于對比墊片的試樣厚度。例如,在初是為測試橡膠而制定的ASTM D395標準中,其規定的初始壓縮變形量為25%。
  對于聚合物和復合材料,初始變形對于應用來說是恰當的,也許只有百分之幾,并通過間隔條的厚度來進行控制。在一段規定的時間(通常少于100 h)后,將試樣從夾具中拿下來,并監洲其厚度的回復率。這個小型輕便的回復測試夾具也可以很容易地從暴露環境中移出或移進。
  需要注意的是雖然ASTM D395不包括松弛(負載減少),但是當試樣在夾具中,可以將測力傳感器可以與螺栓一起使用來監測夾持力隨時間而下降以及試樣取下來后的回復速度。

  此外,ASTM D395只考慮了壓縮載荷的影響。但是ASTM D1329是一個在拉伸載荷后考慮回復的標準例子,圖1中顯示了一臺一次可測試6個拉伸試樣的典型裝置。像前面提到的夾具,這種容易運輸的裝置可以放置在任何暴露的環境中。如圖1所示,這些試樣擁有增大的末端。這些末端可以提供一個較大的表面以供夾持,并可以確定試樣的標距長度(即橫截面積縮小的試樣比度,大多數變形發生在這段橫截面處)。雖然在原則上標距長度可以由測試機構確定,但是ASTM D1329確實規定了3個標準的標距長度:1.0 in、1.5 in或2.0 in.(即25mm、38mm或51mm)。正如圖中所示,每個試樣的一端被固定在(壓板)夾桿下,另一端被夾在單獨的夾具中。然后當夾具被拉伸并固定在底板上時,每個試樣被手動拉伸到所需的長度。
  特別是ASTM D1329,它可以確定試樣隨溫度而變的回復量(回縮)。當試樣以一個伸長的狀態被夾持并暴露在一個非常低的溫度后,當它緩慢升溫至室溫時,監測該試樣的變化。但是,當試樣在變形的情況下、接觸高溫后冷卻至室溫,或者試樣在變形的情況下吸收溶劑或其他液體后,也可以采用相同的步驟來監測其回復量。