復合材料在高低溫環(huán)境下測試拉伸性能的差異及注意事項

一、測試標準與方法

1. ,、國際/行業(yè)標準

A、ISO 527-4/5：適用于復合材料拉伸試驗，規(guī)定試樣尺寸,、加載速率及數(shù)據(jù)采集方法,。

B、ISO 14126：針對復合材料壓縮試驗,，適用于高低溫環(huán)境,。

C、ISO 14129：規(guī)定剪切試驗方法,，包括高低溫條件下的測試,。

D、ASTM標準：

E,、ASTM D3039：低溫拉伸試驗標準,，適用于聚合物基復合材料，規(guī)定試樣制備,、溫度控制及數(shù)據(jù)記錄要求,。

F,、ASTM D5083：高溫拉伸試驗標準,，涵蓋溫度范圍、加載速率及失效判斷準則,。

G,、ASTM D695：壓縮試驗標準,，適用于高低溫環(huán)境下的復合材料。

2,、國家標準：

AGB/T 1040：中國拉伸試驗標準,，結(jié)合國際標準制定適合國內(nèi)需求的測試方法。

BGB/T 3355：壓縮試驗標準,，規(guī)定高低溫測試條件及數(shù)據(jù)處理的細節(jié),。

3、測試設(shè)備

A,、高低溫環(huán)境箱：

B,、溫度范圍：-100℃至350℃，配備液氮或二氧化碳冷卻系統(tǒng)（低溫）及電阻加熱系統(tǒng)（高溫）,。

C,、溫度均勻性：高溫下控制在±3℃，低溫下控制在±2℃,。

4,、拉伸試驗機：

A、載荷精度：0.5級或更高,，配備高精度傳感器,。

B、位移測量：使用引伸計或數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)（DIC）,，高溫下需耐高溫型號（如高溫引伸計）,。

5,、夾具：

A、材質(zhì)：耐高溫/低溫材料（如不銹鋼,、鈦合金）,，避免熱膨脹導致夾持力變化。

B,、設(shè)計：確保試樣對齊,，減少應力集中，高溫夾具需防氧化,，低溫夾具需防冷脆,。

6、試樣制備

A,、標準試樣：矩形截面（寬25mm,，長250mm），厚度根據(jù)材料類型調(diào)整（如陶瓷基復合材料通常為2-4mm）,。

B,、方向：根據(jù)測試需求（如0°,、90°纖維方向）切割試樣,。

C、打磨：去除加工缺陷,，表面粗糙度Ra≤1.6μm,。

D、清洗：使用酒精或丙酮清潔,，避免油污影響測試結(jié)果,。

E、高溫測試：試樣需在測試溫度下預處理1小時,，消除熱歷史,。

F、低溫測試：試樣需緩慢降溫至目標溫度,，避免熱沖擊,。

二、高低溫對拉伸性能的影響

1,、高溫環(huán)境（如800℃~1200℃）

A,、彈性模量：

初始線性段彈性模量與室溫相近，但第二線性段（塑性變形階段）彈性模量顯著降低（如SiC/SiC復合材料在高溫下第二模量下降30%-50%）,。

B,、拉伸強度：

強度下降：高溫導致基體軟化，纖維與基體界面結(jié)合減弱,，強度降低（如SiC/SiC在1200℃時強度下降約20%）,。纖維強度下降：高溫下纖維（如SiC纖維）本身強度降低,，加速材料失效。

C,、斷裂伸長率：

增加：高溫下基體軟化,，纖維拔出長度增加，失效應變提高（如1200℃空氣環(huán)境中,，失效應變增加20%-40%）,。

D、失效模式：

斷口特征：纖維拔出嚴重,，基體開裂,，界面脫粘，呈現(xiàn)韌性斷裂特征,。

微觀機制：基體裂紋擴展,，纖維斷裂，界面滑移主導失效過程,。

2,、低溫環(huán)境（如-40℃~-196℃）

A、彈性模量：

增加：低溫下基體分子鏈運動受阻,，模量提高（如聚合物基復合材料在-40℃時模量增加10%-20%）,。

B、拉伸強度：

強度提高：低溫下基體脆性增加,，但纖維增強效果維持強度,，部分材料（如碳纖維增強復合材料）強度略有上升。

C,、斷裂伸長率：

顯著降低：基體脆性導致塑性變形能力下降,，斷裂伸長率減少50%-70%。

D,、失效模式：

斷口特征：脆性斷裂,，斷口平整，纖維斷裂為主,，基體開裂少,。

微觀機制：微裂紋擴展，基體與纖維界面結(jié)合增強,，但低溫導致裂紋快速貫穿,。

三、測試關(guān)鍵差異與注意事項

1,、溫度控制

A高溫測試：

保護氣體：使用惰性氣體（如氬氣）防止氧化,，流量控制在5-10L/min。

溫度均勻性：通過熱電偶監(jiān)測，確保試樣區(qū)域溫差≤±3℃,。

B,、低溫測試：

降溫速率：控制在3-5℃/min，避免熱沖擊,。冷凝控制：低溫箱內(nèi)濕度≤30%,，防止試樣表面結(jié)霜。

2,、數(shù)據(jù)采集

A高溫測試：

非接觸式測量：采用DIC技術(shù)記錄變形,，避免高溫對引伸計的影響。

數(shù)據(jù)頻率：≥100Hz,，捕捉快速變形過程,。

B、低溫測試：

耐低溫引伸計：使用液氮冷卻的引伸計,，或通過DIC遠程測量,。數(shù)據(jù)穩(wěn)定性：低溫下傳感器信號需放大處理，確保精度,。

3,、試樣安裝

A、高溫測試：

夾具預熱：夾具與試樣同步升溫,，避免熱梯度導致夾持力變化,。

試樣對齊：使用激光對準系統(tǒng)，確保拉伸軸與試樣中心線重合,。

B,、低溫測試：

夾具防冷脆：夾具表面鍍鎳或使用柔性材料,，減少低溫下應力集中,。

試樣固定：采用砂紙或膠粘劑增強夾持，防止低溫下試樣滑動,。

4,、結(jié)果分析

A、溫度依賴性：

繪制應力-應變曲線,，對比不同溫度下的彈性模量,、強度、斷裂伸長率,。

分析溫度對纖維-基體界面,、裂紋擴展的影響（如通過SEM觀察斷口）。

B,、失效機制：

高溫：關(guān)注基體軟化,、纖維強度下降及氧化效應。

低溫：關(guān)注基體脆性、熱收縮應力及微裂紋擴展,。