復合材料在高低溫環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/行業標準

A、ISO 527-4/5：適用于復合材料拉伸試驗，規定試樣尺寸、加載速率及數據采集方法。

B、ISO 14126：針對復合材料壓縮試驗，適用于高低溫環境。

C、ISO 14129：規定剪切試驗方法，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，規定試樣制備、溫度控制及數據記錄要求。

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，適用于高低溫環境下的復合材料。

2、國家標準：

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

BGB/T 3355：壓縮試驗標準，規定高低溫測試條件及數據處理的細節。

3、測試設備

A、高低溫環境箱：

B、溫度范圍：-100℃至350℃，配備液氮或二氧化碳冷卻系統（低溫）及電阻加熱系統（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：使用引伸計或數字圖像相關技術（DIC），高溫下需耐高溫型號（如高溫引伸計）。

5、夾具：

A、材質：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），厚度根據材料類型調整（如陶瓷基復合材料通常為2-4mm）。

B、方向：根據測試需求（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，基體與纖維界面結合增強，但低溫導致裂紋快速貫穿。

三、測試關鍵差異與注意事項

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：通過熱電偶監測，確保試樣區域溫差≤±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：低溫箱內濕度≤30%，防止試樣表面結霜。

2、數據采集

A高溫測試：

非接觸式測量：采用DIC技術記錄變形，避免高溫對引伸計的影響。

數據頻率：≥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。數據穩定性：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，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：關注基體軟化、纖維強度下降及氧化效應。

低溫：關注基體脆性、熱收縮應力及微裂紋擴展。