纤维增强复合材料测试技术 于美杰 办公电话：88396181 Email：yumeijie@sdu.edu.cn.

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1 纤维增强复合材料测试技术 于美杰 办公电话：

2 第五章 复合材料力学性能测试 第一节 试样制备和实验条件 第二节 拉伸性能测试 第三节 压缩性能测试 第四节 剪切性能测试
第五节 弯曲性能测试 第六节 层间断裂韧性测试

3 第一节 试样制备和实验条件 层合板： 均衡层合板： 对称层合板： 由两层或多层同种或不同种材料粘合而成的整体材料
铺层角为+θ与- θ的铺层数相等的层合板 对称层合板： 几何形状与材料性能都对称于中面的层合板

4 第一节 试样制备和实验条件 为了说明纤维排布、加载及变 形的方向，通常建立直角坐标系， 单向纤维复合材料在坐标系中的方 向规定如下： （1）纵向，平行于纤维的方向；或称 L向、0° 向。 （2）横向，垂直于纤维的方向（在L －T平面内）；称T向、90 ° 向。 （3）α向。在L－T平面内，与纵向成 α夹角方向称α向。方向正负规定 为，由纵向逆时针转α的方向为+ α，反之为- α方向。 （4）层向。垂直L－T平面的方向称层 向或称N向、法向、⊥ 向。

5 第一节 试样制备和实验条件 1）单向（纤维增强）复合材料
连续纤维在基体中呈同向平行等距排列的复合材料叫单向连续纤维增强的复合材料。在工程上也叫单（向）板，常记为[0]或[90]等 。 性能特点：沿纤维方向具有较高的强度 与纤维任意夹角方向的强度明显下降。

6 第一节 试样制备和实验条件 2）双向（正交纤维）复合材料
以正交编织物（布）或单向板为强材料交替90 °正交排列所制得的复合材料。所在工程上也叫正交板，记为[0/90]。 性能特点：这种复合材料在纤维的L和T两个方向，具有较高的强度和模量。在α向强度、模量较差，在N方向，由于无增强纤维，强度最差。

7 第一节 试样制备和实验条件 3）多向（纤维增强）复合材料
在L－T平面内，除了有0° 和90 ° 向的增强材料，还有±α 方向排布的纤维。工程上记为[0/90/±α ]。 性能特点：这种复合材料在L－T平面内的各个方向的强度、模量具有方向性，但差别减少，接近面内各向同性。层向无纤维排布，强度最差。

8 第一节 试样制备和实验条件 4）三向（正交纤维增强）复合材料 由沿三个正交方向的纤维编织物作增强材料，制成的复合材料称三向纤维增强材料。 性能特点： 这种复合材料因层向编织有纤维，克服了单向、正交及多向复合材料层板沿N向的强度、模量低的缺点。

9 第一节 试样制备和实验条件 试样制备和实验条件参考： GB/T 纤维增强塑料性能试验方法总则 适用范围：纤维增强塑料的力学和物理性能测定 标准环境条件：（实验前，在该条件下放置至少24h） 温度：（23±2）℃；相对湿度： （50±10）% 试样制备方法： 机械加工法、模塑法 实验设备： 要求实验速度恒定。

10 第一节 试样制备和实验条件 (1)机械加工法 取样要求：
位置：距板材边缘（已切除工艺毛边）30mm以上，最 小不得小于20mm。若取位区有气泡、分层、树脂淤积 、皱褶、翘曲、错误铺层等缺陷，则应避开。 方向：纤维增强塑料一般为各向异性，应按两个主方向 或预先规定的方向（例如板的纵向和横向）切割试样， 且严格保证纤维方向和铺层方向与实验要求相符。

11 第一节 试样制备和实验条件 (1)机械加工法 (2)模塑法 加工要求：
采用硬质合金刃具或砂轮片进行加工 加工时防止试样产生分层、刻痕和局部挤压等机械损伤 可采用水冷却，禁止用油。 成型表面不宜加工，当需要加工时，一般采用单面加工 (2)模塑法 按产品标准或技术规范的规定进行制备。应注明制备试 样的工艺条件及成型时受压的方向。

12 第二节 拉伸性能测试 测试目的：测定纤维增强塑料的拉伸强度、拉伸 弹性模量、泊松比、断裂伸长率、绘制应力-应变 曲线等。 标准：
泊松比---在材料的比例极限范围内，由均匀分布的轴向应 力引起的横向应变与相应的轴向应变之比的绝对值。 标准： GB/T 纤维增强塑料拉伸性能试验方法 GB/T 定向纤维增强塑料拉伸性能试验方法 HB 碳纤维复合材料层合板开孔拉伸试验方法

13 第二节 拉伸性能测试 一、各向同性、正交各向异性 标准：GB/T 1447-2005 纤维增强塑料拉伸性能试验方法
对应ISO 527-4:1997 各向同性和正交各向异性纤维增强塑料实 验条件。 试样：I型、II型和III型 热塑性基体的板材只能选用I型，厚度4mm 热固性基体的板材可用I型或II型，厚度4mm III型用于测定模压短切纤维增强塑料的拉伸强度（略） 机械加工制样

14 第二节 拉伸性能测试

15 第二节 拉伸性能测试 加强片

16 第二节 拉伸性能测试

17 第二节 拉伸性能测试 II型试样要用加强片 试验加载速度： 材料：与试样相同或比试样弹性模量低 尺寸：厚1-3mm，宽度与试样宽度一致。
粘结：砂纸打磨→丙酮清洁表面→粘结（用韧性好的室温固化 粘结剂，如环氧胶）→加压直至固化 试验加载速度： 测弹性模量、断裂伸长率、绘制应力-应变曲线时：2mm/min 测拉伸应力时：I型试样10mm/min，II型5mm/min 仲裁时：2mm/min

18 第二节 拉伸性能测试

19 第二节 拉伸性能测试 拉伸试样破坏无效判断依据： 试样破坏在明显内部缺陷处； I型试样破坏在夹具内或圆弧处；
II型试样破坏在夹具内或试样断裂处离夹紧处的距离小 于10mm。 注：同批有效试样不足5个时，应重做试验。

20 第二节 拉伸性能测试 二、各向异性 GB/T 3354－1999 定向纤维增强塑料拉伸性能试验方法
参考美国ASTM D3039/D 3039M：1995聚合物基体复合材 料拉伸性能标准试验方法。 适用于测定0°、90 °、0 °/90 °均衡对称层合板 方法原理：将等横截面矩形薄板试样进行轴向拉伸 实验加载速度： 测拉伸强度时：1~6mm/min，仲裁时2mm/min 测拉伸弹性模量、泊松比、应力应变曲线时：1~3mm/min

21 第二节 拉伸性能测试

22 第二节 拉伸性能测试 按试样的失效模式和实效部位，确定是否使用加强片。 加强片材料：铝合金板或纤维增强塑料板 加强片的胶接：注意胶粘剂固化温度不高于试样层板成型温度。 L---纵向； T---横向

23 第二节 拉伸性能测试 三、开孔拉伸 标准： HB 碳纤维复合材料层合板开孔拉伸试 验方法（ASTM D 5766/D 5766M-07 聚合物基复合材料层 压板开孔拉伸强度标准试验方法） 适用范围：适用于测定碳纤维复合材料[45/0/-45/90]2s层 合板的开孔拉伸强度。 实验过程： 夹持试样，使试样纵轴与试验机的加载轴平行并对中。 加载速度：1~1.5mm/min连续加载至试样破坏。

24 第二节 拉伸性能测试 开孔试样尺寸

25 第二节 拉伸性能测试 试验流程 注：不发生在孔边的破坏是不可接受的破坏模式。

26 第二节 拉伸性能测试 开孔拉伸强度： 注：为忽略孔的面积。

27 第三节 压缩性能测试 GB/T 3856－2005 单向纤维增强塑料平板压缩性 能试验方法；
对应：ASTM D3410/D3410M-94 聚合物复合材料平板剪载荷非支承 梁压缩性能标准试验方法 HB 5485－91 碳纤维增强树脂基复合材料薄板压 缩性能试验方法； GB/T 5258－1995 纤维增强塑料薄层板压缩性能 试验方法。

28 GB/T 3856－2005 单向纤维增强塑料平板 压缩性能试验方法
第三节 压缩性能测试 GB/T 3856－2005 单向纤维增强塑料平板 压缩性能试验方法 适用于单向纤维增强，测定顺纤维方向（ 0 °）和垂 直方向（ 90 °）的压缩强度、弹性模量、泊松比及应 力应变曲线 实验准备： 测量工作段内任意三处的宽度和厚度 将试样装在压缩夹具里，在上下楔块中间放置预载垫，两楔 块间距离保持14mm。加预载 预载载荷的大小以保证夹具可靠地加紧试样为限，并能使套 筒自由移动，卸载，取出预载垫。

29 第三节 压缩性能测试 试样：仲裁时厚度2mm，铝加强片厚0.4mm

30 第三节 压缩性能测试 夹具

31 第三节 压缩性能测试 试样和夹具装备图

32 第三节 压缩性能测试 HB 5485－91 碳纤维增强树脂基复合材料 薄板压缩性能试验方法

33 第三节 压缩性能测试

34 第三节 压缩性能测试

35 GB/T 5258－1995 纤维增强塑料薄层板压 缩性能试验方法
第三节 压缩性能测试 GB/T 5258－1995 纤维增强塑料薄层板压 缩性能试验方法 适用于测定玻璃纤维、碳纤维、芳纶及混杂纤维 增强塑料薄层板。 方法A：适用于0.5~4mm的仲裁实验 方法B：适用于1~4mm的普通实验 原理：通过能避免试样失稳、防止试样偏心和端部挤压破 坏的压缩夹具对试样施加轴向载荷，使试样在工作段内压 缩破坏。

36 第三节 压缩性能测试 方法A 仲裁厚度2mm 样品厚度：制品实际厚度

37 第三节 压缩性能测试 方法B 仲裁厚度2mm 样品厚度：制品实际厚度

38 第三节 压缩性能测试 方法B 仲裁厚度2mm 样品厚度：制品实际厚度 当选用I型试样，发生R处劈裂破坏时，需选用II型

39 第三节 压缩性能测试 标准：HB 碳纤维复合材料层合板开孔压缩试 验方法 （ASTM D 6484/D 6484M-08 聚合物基复合材料 层压板开孔压缩强度标准试验方法） 适用范围：测定碳纤维复合材料[45/0/-45/90]2s层合板的 开孔压缩强度。

40 第三节 压缩性能测试

41 第三节 压缩性能测试 开孔压缩强度： 注：为忽略孔的面积。

42 第三节 压缩性能测试 ASTM D 6484实验流程：

43 第三节 压缩性能测试

44 第三节 压缩性能测试

45 第三节 压缩性能测试

46 第三节 压缩性能测试

47 第三节 压缩性能测试

48 第四节 剪切性能测试 纵横剪切强度 层间剪切强度 GB/T 3357－1982 单向纤维增强塑料层间剪切强度 试验方法（已作废）
JC/T 单向纤维增强塑料层间剪切强度试验方 法 GB/T 3357－1982 单向纤维增强塑料层间剪切强度 试验方法（已作废）

49 第四节 剪切性能测试 （1）纵横剪切 标准：GB/T 3355－2005 纤维增强塑料纵横剪切 试验方法
适用范围：单向纤维或织物增强塑料平板 纵横剪切：对单向或正交纤维增强塑料平板（ 包括单层板），剪切力方向与平板纵轴（L轴） 和横轴（T轴）平行的剪切应力状态。

50 第四节 剪切性能测试

51 第四节 剪切性能测试

52 第四节 剪切性能测试 试样厚度：[45 °/-45°]ns, 其中对单向层合板（16、20 或24层），4≤n ≤6，仲裁厚度为3s层合板的厚度。对织物 层合板（8、12或16层）， 4≤n ≤6。 s----镜面对称铺层，如1s为[±45°]1,即[45 °/-45°/- 45°+45°] n-----层数

53 第四节 剪切性能测试 实验过程： 取样：使试样轴线与纤维方向成45°角。 加载速度：通常选1~2mm/min
试样装夹：试样轴线与上下夹头中心线一致 设备要求：在试样工作段安装有测量轴向及其垂直 方向变形或应变的仪器。 加载方式： 连续加载：加载同时记录曲线 分级加载：至少5级，级差为破坏载荷的3%~6%（设备 不能连续加载时使用）

54 第四节 剪切性能测试 绘制应力-应变曲线

55 第四节 剪切性能测试 计算纵横剪切强度和模量 采用分级加载 采用自动记录装置

56 第四节 剪切性能测试 （2）层间剪切 标准：JC/T 纤维增强塑料 短梁法测定 层间剪切强度 （等同于ISO 14130:1997） 适用范围：能发生层间剪切失效的热固性或热塑性纤维增 强塑料。不适用于确定设计参数，但可用于筛选材料或作 为质量控制的试验。 注意：使用非对称和非均衡的层合板时，结果会受到各种 耦合的影响，如拉伸-弯曲、弯曲-扭曲等。

57 第四节 剪切性能测试 （2）层间剪切 实验原理：
以矩形截面的杆作为简支梁，将杆放置在两个支座 上，在支座中心施加弯曲载荷，使其发生层间剪切 破坏。 与三点弯曲的区别：用更小的跨厚比以增加剪切应 力水平，使试样产生层间剪切失效。

58 第四节 剪切性能测试 相关术语： 实验过程： 层间剪切应力：作用于试样中面的层间剪切应力
层间剪切强度：当试样失效或载荷达到最大数值时 的层间剪切应力。 实验过程： 加载速度：保持恒定 1±0.2mm/min 跨距：5h±0.3mm 将试样对称地放置在互相平行的两个支座上，未加 工表面与支座接触，通过平行且位于支座中点处的 加载压头在试样宽度上均匀地施加载荷。

59 第四节 剪切性能测试 试样尺寸：长20±1，宽10±0.2，厚2±0.2

60 第四节 剪切性能测试

61 第四节 剪切性能测试

62 第五节 弯曲性能测试 标准：GBT 单向纤维增强塑料弯曲 性能试验方法（参考ASTM D790M: 1993 塑料和增强 塑料以及电绝缘材料弯曲性能标准试验方法） 适用范围：测定单向纤维增强塑料层合板的弯曲强度、弯 曲模量和载荷-挠度曲线。对称层合板可参照使用。 实验方法与原理： 用矩形截面的试样，简支梁三点弯曲中心加载进行弯曲试验。

63 第五节 弯曲性能测试 相关概念： 单向纤维增强塑料：由单向织物、单向预浸料制造的复合 材料或主要在一个方向有平行纤维的复合材料。
单向织物：一个方向（通常是经向）具有大量的纺织纱或 无捻粗纱，而另一个方向只有少量细纱的织物。其强度几 乎全部集中在前一个方向上。 单向预浸料：相互平行的连续纤维或单向织物经浸渍树脂 胶液，再经晾置或烘干后形成的材料。 单向复合材料：主要在一个方向有平行纤维的复合材料 对称层合板：几何形状与材料性能都对称于中面的层合板

64 第五节 弯曲性能测试

65 第五节 弯曲性能测试 跨度L由试样厚度决定，不同纤维增强塑料的跨 厚比取不同值。

66 第五节 弯曲性能测试 试样尺寸： 跨厚比：L/h=？ 厚度h：2±0.2mm 宽度b：12.5±0.5mm 长度l：L+15mm
碳纤维增强塑料：32±1 玻璃纤维和芳纶增强塑料：16±1

67 第五节 弯曲性能测试 实验过程 测弯曲强度时的加载速度： 测弯曲模量及载荷-挠度曲线时，V=1~2mm/min

68 第五节 弯曲性能测试 实验结果 弯曲强度： 弯曲弹性模量：

69 第六节 层间断裂韧性测试 层间断裂韧性是表征复合材料层合板抵抗层间裂纹扩展 的能力，一般用能量释放率G来表示。
Ⅰ型层间断裂韧性GIC试验方法 HB 碳纤维复合材料层合板I型层间断裂韧性 用0°单向板测得的张开型层间裂纹沿纤维方向起始扩展 的临界能量释放率。 II型层间断裂韧性GIIC试验方法 HB 碳纤维复合材料层合板Ⅱ型层间断裂韧性 用0°单向板测得的滑移型层间裂纹沿纤维方向起始扩展 的临界能量释放率。

70 第六节 层间断裂韧性测试 I型： 张开型 II型：滑移型

71 第六节 层间断裂韧性测试 I型试样：一端的中面铺入PTFE塑料薄膜或与之 等效的薄膜得到预制裂纹。薄膜必须平整，厚 度不得大于0.05mm。

72 第六节 层间断裂韧性测试 铰链安装： 采用常温固化胶把 铰链胶接在试样上 ； 铰链轴线须与中面 平行且垂直于0° 纤维方向；
上下铰链的轴心连 线O-O与试样中面 垂直； 装夹后轴销能自由 转动。

73 第六节 层间断裂韧性测试 I型实验流程： 外观检查 测量试样宽度、厚度 装夹试样（注：要保证铰链受拉时载荷对中）
确定裂纹测量起始点：O-O与预制裂纹的交点 加载→卸载→加载 （记录载荷-加载点位移曲线） 加载速度：1~2mm/min 位移控制方式，裂纹扩展20mm左右卸载，以后使裂纹 每次扩展10mm左右卸载，直至裂纹长度达到100mm左 右停止试验。

74 第六节 层间断裂韧性测试 载荷----加载点位移曲线

75 第六节 层间断裂韧性测试 I型层间断裂韧性计算：

76 第六节 层间断裂韧性测试 II型试样：一端的中面铺入PTFE塑料薄膜或与之 等效的薄膜得到预制裂纹。薄膜必须平整，厚 度不得大于0.05mm。

77 第六节 层间断裂韧性测试 II型实验装置

78 第六节 层间断裂韧性测试 II型实验流程 外观检查→试样宽度、厚度测量 调节支座（跨距2L为70mm），加载头（位于支座中间 ）
装夹试样（使有效裂纹长度a≥0.7L） 加载（速率1-2mm/min，裂纹扩展5mm左右停止加载） 调整支座（跨距2L为100mm） 装夹试样（使有效裂纹长度为0.5L) 加载，记录载荷-挠度曲线，当载荷下降时，停止试 验。

79 第六节 层间断裂韧性测试

80 第六节 层间断裂韧性测试 II型层间断裂韧性计算：