CN102004050A - 用于测试厚度方向性质的测试样本 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于测试纤维-增强复合材料的厚度方向性质的测试样本(11)。所述样本包括第一载荷部分(10)，具有在第一平面的第一纵向轴线，和第二载荷部分(20)，具有在第二平面的第二纵向轴线。第一和第二平面大体平行，第一和第二轴线是倾斜的。第一和第二载荷部分(10，20)部分重叠以形成与第一和第二载荷部分(10，20)一体的测试测量部分(30)。第一载荷部分(10)沿着第一轴线在相反的方向延伸超出测试测量部分(30)，第二载荷部分(20)沿着第二轴线在相反的方向延伸超出测试测量部分(30)。这允许力通过第一和第二载荷部分施加给测试测量部分。

Description

用于测试厚度方向性质的测试样本
技术领域
本发明涉及一种测试样本以及一种测试样本的方法，特别是涉及一种复合测试样本和一种制造这种样本的方法。
背景技术
复合材料(也称“复合物”)是由两种或多种组分材料构成的材料。包含嵌入聚合物基体系统中的纤维的纤维-增强-聚合物(FRP)复合物通常用于很多工程应用中。它们可被分类为单向(UD)复合物、两维(2D)复合物和三维(3D)复合物。相对于传统材料，复合物可以提供某些优点，如高的强度-重量比。可是，FRP的物理性质并不趋于各向同性。因此，有必要表征纤维增强复合物在多个方向上的各种物理性质。
在厚度方向上测试纤维增强复合物板的性质非常困难。这是因为复合物板通常很薄，意味着难以将载荷传递给样本。如果复合物在厚度方向得到强化，比如3D复合物，那么测试厚度方向的性质会变得更加困难，因为在这个方向上复合物的强度特别大，而且需要以允许3D强化维持其增强效果的方式来传递力。
附图1中示出了之前所考虑的测试UD和2D FRP板在厚度方向上的抗张强度的方法。提供的测试样本1具有测量部分2，测量部分2具有缩减的横截面积。金属端盖3通过使用粘附剂4结合到样本的端部。然后，在端盖3之间施加张力，该力通过粘附结合4传递给样本。然而，粘附结合4可能比复合物更弱。因此，有必要制备一种具有测量部分2的测试样本1，其中，测量部分2的横截面积充分地小于粘附结合的面积，以确保测量部分2在拉伸中损坏，而不是粘附结合4。然而，充分减小测量部分2的横截面积会非常困难，因为复合物板通常相对很薄。
如果复合物板在厚度方向强化，则这个问题会变得更加突出，因为制备有足够强度的粘附结合4使得在拉伸中测量部分2总是损坏而不是粘附结合4是更加困难的。而且，通过粘附结合将力传递到在厚度方向上定向的3D强化纤维束也不可行，因为，3D强化的典型强度超出了通常可获取的粘附剂的强度一个量级。
本发明实施例的目的就是解决上述问题的至少一部分。
发明内容
根据本发明，提供一种测试样本，用于测试纤维增强复合材料的厚度方向性质，提供一种制造这种样本的方法，以及提供一种测试这种样本的方法，如权利要求中所记载的那样。
本发明可包括本文中涉及的特征和/或限制的任意组合，除了相互排斥的特征的组合之外。
附图说明
参考附图，现在以示例方式来描述本发明的实施例，在附图中：
图1示意性描述了之前所考虑的测试复合物板的布置；
图2示意性描述了根据本发明的测试样本的透视图；
图3A和3B示意性描述了附图2中测试样本的正视图和侧视图；
图4示意性描述了附图3的剖面A-A；
图5A-E示意性说明了根据本发明制备测试样本的步骤；
图6示意性描述了在测试装置中的测试样本；
图7示意性描述了根据本发明的用于测试测试样本的试验配置；以及
图8示意性描述了附图1中测试样本的变型。
具体实施方式
如图2和图3所示，根据本发明的测试样本6包括大体十字形的单件纤维增强复合材料。该片复合材料包括第一上载荷部分10、第二下载荷部分20、和测试测量部分30，它们为一体。第一载荷部分10和第二载荷部分20为细长的矩形平面部分的形式。载荷部分10、20为平面的且相互平行，并且定向成彼此垂直，使得它们在中点处重叠。在载荷部分10、20之间的中点区域中具有一部分复合材料，并且该部分构成了测试测量部分30。如附图4所示，测试测量部分30在平行于载荷部分10、20的平面上具有正方形横截面，其边长与载荷部分10、20的宽度相同。载荷部分10，20与测试测量部分30之间的过渡为倒角，以便降低应力集中。
第一载荷部分10和第二载荷部分20分别沿着第一和第二垂直轴线在测量部分30的一侧延伸。这在第一载荷部分10上提供了第一载荷表面12和第二载荷表面14，并在第二载荷部分20上提供了第三载荷表面22和第四载荷表面24。
参考附图5A，测试样本由小而薄的矩形复合物板40制造。如附图5B所示，从板40的两侧的顶表面加工出两个棱柱状侧片段42、44。片段42、44是大体矩形的，且厚度小于板40的厚度。这意味着下载荷部分20形成为在中心部分46的两侧延伸(附图5C)。如附图5D所示，然后，从板40的两侧的底表面加工出两个棱柱状侧片段48、50。片段48、50与棱柱状侧片段42、44具有相似的尺寸，但是在垂直于棱柱状侧片段42、44的方向上延伸。如附图5E中所示，上述步骤形成如上述描述的具有第一载荷部分10和第二载荷部分20和测试测量部分30的十字形测试样本6。任何合适的加工方法都可使用，如使用碳化硅砂轮研磨。
附图6描述了用于测试复合物测试样本6的抗张强度的仪器。下U型装置60和上U型装置66用于给样本6的测试测量部分30施加张力。下U型装置60给第一上载荷部分10施加向上的力，上U型装置66用于给第二下载荷部分20施加向下的力。更具体地，下装置60的端面62、64给第一上载荷部分10的第一载荷面12和第二载荷面14施加相等的力，上装置66的端面68、70给第二下载荷部分20的载荷面22、24施加相等的力。这些力可通过在上装置60和下装置66之间施加压力来实现，其在测试测量部分30产生拉伸应力状态。
附图7示意性描述了使用附图5的装置的试验设备。钢球72，74位于装置60，66的上面和下面，并在它们之间施加压力。钢球72，74确保施加的力垂直于上装置60和下装置66的面。然后可测试复合物至损坏以确定复合物的抗张强度。
附图8描述了一个实施例，在该实施例中，钢柱(或板)76，78粘附结合到第一上载荷部分10的上表面和第二下载荷部分20的下表面。这减小了载荷部分10，20弯曲的趋势。当使用该实施例中的钢柱测试样本6时，在从载荷部分10，20到测量部分30的过渡区域内，与上述实施例描述的相比，应力集中的发生率降低。这种弯曲和应力集中的缺点在于它们能够引起测试样本的载荷部分的脱落，以至于测试结果将不能准确反映测试样本的厚度方向性质。
当测试样本6在厚度方向上被加载张力时，在测量部分30损坏。张力通过不使用粘附结合的载荷部分10，20的交叉部分传递给测量部分30，因此，保留了厚度方向加强的加强效果。
这意味着测试样本6即使在复合物被高度强化的情况下也能够在厚度方向上测试至拉伸损坏。
测试样本6也可以通过上述描述的制造技术方便的制造出来。这仅仅需要少量的复合材料，这样，大量的测试样本能够由少量的原始材料制造出来。
而且，因为压缩性载荷用于向测量部分30施加张力，所以测试样本6很容易用于分离式霍普金森压杆；这使得能够表征复合物在高应变率下的厚度方向性质。

Claims (13)

1.一种用于测试纤维-增强复合材料的厚度方向性质的测试样本，包括：
单件纤维-增强复合材料，包括：
第一载荷部分，具有在第一平面的第一纵向轴线，和第二载荷部分，具有在第二平面的第二纵向轴线，其中，所述第一平面和所述第二平面大致平行，所述第一轴线和所述第二轴线是倾斜的，所述第一载荷部分和所述第二载荷部分部分地重叠以形成与所述第一载荷部分和所述第二载荷部分一体的测试测量部分，并且
其中，所述第一载荷部分沿着所述第一轴线在相反的方向上延伸超出所述测试测量部分，所述第二载荷部分沿着所述第二轴线在相反的方向上延伸超出所述测试测量部分，以便力能够通过所述第一载荷部分和所述第二载荷部分施加到所述测试测量部分。
2.如权利要求1所述的测试样本，其特征在于，所述纤维-增强复合材料是三维增强复合材料。
3.如权利要求2所述的测试样本，其特征在于，所述测试样本具有大体十字形形状。
4.如权利要求1所述的测试样本，其特征在于，所述第一轴线垂直于所述第二轴线。
5.如权利要求1所述的测试样本，其特征在于，所述第一载荷部分和所述第二载荷部分以及所述测试测量部分之间的过渡是倒角的。
6.如权利要求1所述的测试样本，其特征在于，板附接到所述第一载荷部分和所述第二载荷部分中的每一个。
7.如权利要求6所述的测试样本，其特征在于，所述板是金属。
8.如权利要求6所述的测试样本，其特征在于，所述板胶合到所述第一载荷部分和所述第二载荷部分。
9.一种制造权利要求1所述测试样本的方法，包括：
沿第一轴线从纤维-增强复合物板的第一表面加工出第一侧部和第二侧部；以及
沿与所述第一轴线倾斜的第二轴线从所述纤维-增强复合物板的第二表面加工出第三侧部和第四侧部，其中，所述第二表面与所述第一表面相反。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述第一轴线与所述第二轴线垂直。
11.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述第一、第二、第三和第四部分是棱柱状。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述棱柱状部分是大体矩形的。
13.一种测试权利要求1所述的测试样本的方法，包括：
施加第一力给第一载荷部分，以及施加第二力给第二载荷部分，以便于传送力给测试测量部分。
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