復合材料的測試和分析需求

全面的測試分析和標準有助于評估復合材料的性能。從復合材料測試和分析中獲得的數據可用于將復合材料與傳統材料進行比較。

復合材料測試在復合材料的供應鏈和產品生命周期中起著至關重要的作用。在安全、質量、過程控制、法規遵從性和性能方面遇到了一系列挑戰。無論您是基礎化學品供應商、添加劑供應商、纖維制造商還是最終用戶，克服這些挑戰都可以為您的企業帶來顯著的商業優勢。

復合材料測試和分析的類型

A. 機械測試

從設計和分析以及壽命預測的角度來看，復合材料的機械性能表征非常重要。復合材料的機械和物理測試對于確定用于產品設計和分析、質量控制、應用性能要求和生產過程的材料特性至關重要。機械和物理測試確保材料符合性能要求。

復合材料的機械測試包括拉伸、彎曲、沖擊、剪切和壓縮等，物理測試包括吸水率、密度、空隙率、硬度等。

除此之外，根據 ASTM D 5961 的許多其他標準化軸承強度測試和根據 ASTM D 5538 的層間斷裂韌性測試都報告為復合材料的機械測試。

拉伸試驗

拉伸測試是一種破壞性測試過程，可提供有關材料的拉伸強度、屈服強度和延展性的信息。它測量破壞復合材料或塑料試樣所需的力以及試樣拉伸或伸長到該斷裂點的程度。

復合材料的拉伸試驗通常采用基本拉伸或平夾層拉伸試驗的形式，符合 ISO 527-4、ISO 527-5、ASTM D 638、ASTM D 3039 和 ASTM C 297 等標準。

試樣是根據適用于測試的標準制備的（試樣如下圖 A 和 B 所示），并在萬能試驗機的幫助下承受拉伸載荷。此類測試生成用于確定拉伸模量的應力-應變圖。

拉伸測試還提供拉伸強度（屈服和斷裂）、拉伸模量、拉伸應變、伸長率和屈服伸長率百分比、伸長率和斷裂伸長率百分比。

A. 啞鈴形拉伸試件

B. 扁平拉伸試樣

彎曲試驗

彎曲試驗測量在三點載荷條件下彎曲梁所需的力，通常適用于剛性和半剛性材料、樹脂。該數據通常用于為零件選擇材料，這些材料將支撐載荷而不會彎曲。

塑料、聚合物復合材料和大型纖維增強板最常見的彎曲試驗涉及根據 ISO 178、ASTM D 790 和 ASTM D 6272 標準進行的三點和四點彎曲試驗，以確保在各種條件下的適用性，從而更好地了解其特性并確保它們適用于預期應用。

該試驗可以使用多種試樣形狀，但 ASTM 最常用的試樣尺寸為 3.2 毫米 12.7 毫米 125 毫米 在彎曲試驗中最常見，試樣位于支撐跨度上，載荷通過載荷鼻施加到中心，產生三個點以指定速率彎曲。該測試的參數是支撐跨度、加載速度和測試的最大撓度。

這些參數基于試樣厚度，由 ASTM 和 ISO 定義不同。彎曲測試還給出了復合材料的纖維/基體界面強度的半定性概念。

彎曲性能測試提供了有關屈服彎曲應力、屈服彎曲應變、斷裂彎曲應力、斷裂彎曲應變、3.5% （ISO） 或 5.0% （ASTM） 撓度彎曲應力、彎曲模量和應力/應變曲線的可編輯原始數據。

沖擊試驗

沖擊試驗旨在確定已知材料（如聚合物、陶瓷和復合材料）的試樣對突然施加的應力的反應。沖擊試驗專門用于評估工程材料的韌性、脆性、缺口敏感性和沖擊強度，以抵抗高速載荷。

量化沖擊特性的能力在產品責任和安全方面是一個很大的優勢。沖擊試驗樣品類型包括缺口配置，例如 V 型缺口和 U 型缺口。沖擊試驗最常見的是簡支梁和懸臂梁試樣配置。

懸臂梁沖擊試驗與簡支梁沖擊試驗的不同之處在于缺口面向撞針的位置。ASTM D256、ISO 180 和 ASTM D 是擺錘沖擊試驗的一些標準。

在該測試中，試樣被加工成方形或圓形截面，具有一個、兩個或三個缺口。懸臂梁沖擊試驗由一個擺錘組成，其臂末端有一個確定的重量，當試樣被牢固地固定在垂直位置時，該擺錘向下擺動并撞擊試樣（如圖C和D所示）。

沖擊強度由擺錘的能量損失決定，該能量損失是通過精確測量擺錘擺動中的高度損失來確定的。此外，沖擊強度被定義為聚合物復合材料承受高能沖擊而不斷裂或斷裂的趨勢。

C. 擺錘沖擊試驗機

D. 沖擊試驗試樣

除了擺錘沖擊測試外，還使用了另一種方法來評估材料對突然沖擊的抵抗力，即落錘沖擊測試。

在該測試中，試樣由從某個指定高度測量重量或質量的壓頭撞擊。記錄試樣上質量下降所引起的能量，并用于評估材料的沖擊強度。這些測試按照 ASTM D 7136M-05、ASTM D 3763 和 ISO 6603 進行。

壓縮試驗

復合材料壓縮測試方法提供了一種在材料中引入壓縮載荷，同時防止其屈曲的方法。

壓縮試驗確定材料在擠壓載荷下的行為，并記錄各種載荷下的壓縮和變形以計算壓應力和應變。最常見的測試標準包括 ASTM D 695、ASTM D 3410 和 ISO 14126。

層間剪切強度測試

層間剪切強度 （ILSS） 是另一個重要的機械測試，可提供有關樹脂-纖維粘合質量的信息。

單向層壓板和碳纖維增強塑料的 ILSS 通常通過三點彎曲測試來確定，其中對層間剪切應力的抵抗力保持平行于層壓板的層并進行測量。

剪切試驗

剪切試驗用于確定剪切應變、剪切應力、剪切模量和失效模式等屬性，因為了解塑料和聚合物復合材料的“可變形”機械性能對于擴展其應用至關重要。

剪切試驗可用于新材料的質量控制、比較測試和有限元 （FE） 分析。剪切強度結果對于設計各種材料（如粘合劑、塑料、薄膜和片材產品）非常重要，這些材料往往會受到各種“剪切載荷”，或者用于存在壓碎等因素的應用。

剪切試驗的標準包括 ASTM D3518 和 ISO 14129。ASTM C 273 和 ASTM D 2344。

硬度：

對材料進行硬度測試以檢查抗壓痕性。復合材料使用不同的硬度測試方法，例如：

洛氏硬度

邵氏硬度

巴氏硬度

除了上述機械性能外，還評估了一些物理性能以了解復合材料的行為。

水/吸濕性測試：評估材料吸收的水分或水分的百分比。ASTM D 570 是該測試的標準做法。

樹脂含量或纖維含量：評估復合產品中纖維/增強材料的百分比或基體的百分比。

密度測量：根據 ASTM D 792 評估材料的密度和比重。

B. 電氣測試

復合材料的電氣性能對于汽車、航空航天、建筑產品、船舶等廣泛行業都非常重要。一般來說，電氣測試是對表面或材料上的電阻、電導率或電荷存儲的測量。介電強度、體積和表面電阻率等各種因素對于衡量材料的性質至關重要。

介電強度：介電強度，也稱為介電擊穿強度 （DBS），是材料在電流穿過材料并且材料不再是絕緣體之前可以抵抗的最大電位。DBS 根據 ASTM D149 進行測試，以 kV/mm 或 V/mil 為單位進行測量。

絕緣電阻：絕緣電阻 （IR） 測試測量由電絕緣隔開的任意兩點之間的總電阻。因此，該測試確定了電介質（絕緣）在抵抗電流流動方面的有效性。此類測試可用于檢查絕緣質量，不僅在產品首次制造時，而且在產品使用過程中也包括隨著時間的推移。

體積電阻率和表面電阻率：表面電阻率是沿絕緣材料表面的漏電流電阻。體積電阻率是流經絕緣材料主體的漏電流的電阻。表面/體積電阻率越高，漏電流越低，材料的導電性越差。

抗干電弧性當電流穿過絕緣體表面時，由于損壞、腐蝕或其他因素，它可能變得導電。電弧電阻是在嚴格控制的實驗室條件下，在高壓/低電流電弧下使絕緣表面導電所需的時間的量度。

換句話說，耐電弧性是塑料材料在給定時間內抵抗高壓電弧作用并抵抗沿其表面形成導電路徑的能力。計算耐電弧性最常用的標準測試是 ASTM D495。

C. 熱性能測試

用于制造復合材料的一些原材料可能會受到溫度和濕度影響的負面影響。因此，確保在使用前將它們儲存在高度受控的環境條件下至關重要。

差示掃描量熱法 （DSC） 是用于檢查固化和確認材料熱性能的常見測試之一。在討論質量控制時，DSC 是最重要的測試類型之一。DSC 可以通過重要的熱轉變提供有關材料物理結構的信息，例如玻璃化轉變溫度 （Tg） ［link］、熔化溫度 （Tm）、結晶溫度、結晶度百分比、熔化和結晶焓、比熱容 （Cp） 和氧化誘導時間 （OIT）。

動態力學分析 （DMA） 是一種可用于通過其粘彈性機械特性提供有關材料物理結構信息的技術。該測試可以獲得材料在溫度或頻率掃描期間對正弦力的響應。DMA 可用于確定復合材料的機械性能（機械模量或剛度和阻尼）以及膠粘劑的重要熱轉變，例如聚合物和復合材料的玻璃化轉變溫度和固化程度。

熱重分析 （TGA） 可用于通過熱分解提供有關材料化學和物理結構的信息。TGA 提供有關材料分解溫度和速率以及它們所含揮發物和填料數量的信息。使用先進的分析軟件，還可以評估熔點和分解溫度等特征溫度。

導熱系數是指材料傳遞或傳導熱量的內在能力。它也被定義為每單位時間每單位面積的熱量可以通過給定材料的單位厚度的板傳導，板的表面相差一個單位的溫度。

D. 熱和火焰測試

可燃性測試：

可燃性測試方法測量材料點燃的難易程度、燃燒速度以及燃燒時的反應。 有幾種耐火或可燃性方法。根據材料和材料的應用，可燃性測試有不同的方法或做法，例如，– UL 94、UL 94HB、94V、94VTM、94-5V、94HBF、94HF 或 UL 94 V-0、V-1 和 V-2 – 極限氧指數 （LOI）

– 垂直燃燒測試 （VC）

– 可燃性 ASTM D635、ISO 3795 易燃性測試是確保產品安全可信的關鍵部分?？扇夹詼y試方法的行業應用包括紡織品和消費品、航空航天和運輸、床上用品和家具材料。

垂直和水平可燃性測試

根據規格，將材料垂直或水平放置在本生燈上。在垂直可燃性測試期間，觀察材料在點燃火焰移開后燃燒的持續時間、樣品燃燒的量以及是否滴落燃燒的顆粒。 相比之下，水平可燃性測試觀察材料在測試火焰移開后是否繼續燃燒，然后計算樣品燃燒的速度。

極限氧指數 （LOI）

極限氧指數 （LOI） 是支持材料燃燒的最低氧濃度，以百分比表示。它的測量方法是將氧氣和氮氣的混合物通過燃燒的樣品，并降低氧氣水平直到達到臨界水平。評估復合材料 LOI 的標準測試方法是 ASTM D 2863。

毒性：

根據小分子種類評估燃燒產物的毒性，以確保材料在發生火災危險或燃燒時的安全行為。此外，可以使用此測試比較天然和合成材料的燃燒特性。

NES 713 和 NCD 1409 是此測試的常見做法。使用這些方法，可以以 PPM 為單位測量大約 14 種類型的污水氣體。該測試適用于公共交通、國防、航空航天等產品。

煙密度測試：

此測試用于確定固體材料和在室內垂直方向安裝的組件產生的煙霧。該測試測量燃燒或陰燃的材料釋放的煙霧量。 該測試的標準測試方法包括 ASTM E 662、ISO 5659 和 NFPA 258。 進行這些測試是為了確保材料的安全行為。此外，根據 ISO 5659 和 EN45545，評估該參數以確定材料的危險等級。

錐形量熱儀測試：

為了評估從物質中釋放或釋放的熱量，進行了該測試。錐形量熱儀測量熱釋放速率、煙霧釋放速率、點燃時間、質量損失率、有效燃燒熱。

錐形量熱儀是一種火災測試工具，其原理是燃燒樣品釋放的熱量與燃燒過程中消耗的氧氣量直接相關。材料產生的熱量與火災的嚴重程度直接相關，例如火勢增長速度。為了評估材料的可燃性，將其暴露在外部輻射熱源中。

樣品放置在錐形輻射加熱器下方，通常暴露在加熱器的外部通量下。一旦產生足夠的熱解產物，就會發生點火。燃燒產物通過錐形加熱器和儀表化排氣管。測量/計算的值是點火時間、燃燒過程中的質量損失率、燃燒過程中釋放的最大熱量的時間和值，以及測試期間釋放的熱量總量。該測試的標準測試方法是 ISO 5660-1：2002。

煙霧不透明度：

確定由于材料燃燒產生的煙霧而導致的能見度下降。 在該測試中，材料在密閉室中燃燒，并使用勒克斯計評估產生的煙霧的能見度。 該測試通常用于根據 UIC-564-2 標準評估質量運輸中使用的組件。

火焰蔓延：

火焰蔓延測試旨在測量火焰在基材上傳播的趨勢，并與實際火災場景中的表面火焰傳播直接相關。 根據 UIC-564-2 標準，評估 Flame 的傳播非常重要。 在該測試中，計算火焰蔓延的臨界區域和余輝時間，以評估材料的燃燒行為和對火焰蔓延的抵抗力。

提升火焰蔓延：

火焰蔓延裝置是一項重要的測試，用于比較基本扁平材料、復合材料或組件的性能，這些材料主要用作墻壁的裸露表面。ISO 56582 和 ASTM E1321 允許在船舶應用之外更廣泛地使用該測試。ISO 56582 和 IMO 測試之間的主要區別在于，ISO 56582 的范圍僅限于測試火焰在垂直試樣上的蔓延，不包括用于估計熱釋放速率的堆棧。

復合材料測試和分析的行業要求

如前所述，復合材料在各種工程領域都有應用，世界上大部分地區都在采用現代復合材料代替傳統材料。因此，復合材料的測試和分析范圍更廣。 根據行業和應用，評估復合材料的不同性能和特性。

1. 結構構件的復合材料測試。

復合材料，尤其是拉擠型材，在工業或民用應用中用作支撐結構、結構構件。

測試進行：

機械性能，如拉伸性能、壓縮性能、彎曲性能、軸承強度、剪切強度、物理性能，符合 ASTM、ISO、BS 和 IS 標準。 全斷面彎曲試驗、靜載荷試驗、全斷面剪切模量試驗等

可燃性試驗：

UL-94，根據 ASTM D 635 的火焰蔓延和根據 ASTM D 2863 的極限氧指數。

電氣測試：

介電強度、根據 ASTM D 149 擊穿電壓、臨界可跟蹤性指數和干電弧電阻測試。

2. 汽車零部件：

進行的測試：

機械性能，如拉伸性能、壓縮性能、彎曲性能、軸承強度、剪切強度、物理性能，符合 ASTM、ISO、BS 和 IS 標準。

可燃性試驗：

UL-94，根據 ASTM D 635 的火焰蔓延和根據 ASTM D 2863 的極限氧指數。

電氣測試：

介電強度、根據 ASTM D 149 擊穿電壓、臨界可跟蹤性指數和干電弧電阻測試。

熱量和火焰測試：

錐形量熱儀測試符合 ISO 5660 EN45545-2 標準。

耐火特性符合 UIC-564-2 標準。

根據 ISO 5659 EN45545-2 標準進行煙霧密度測試。

毒性指數測試符合 NCD 1409、NES 713。

3. 用于質量運輸和航空航天的復合材料

進行的測試：

機械性能，如拉伸性能、壓縮性能、彎曲性能、軸承強度、剪切強度、物理性能，符合 ASTM、ISO、BS 和 IS 標準。 平面機械強度符合 ASTM C 297 標準

可燃性試驗：

UL-94，根據 ASTM D 635 的火焰蔓延和根據 ASTM D 2863 的極限氧指數。

電氣測試：

介電強度、根據 ASTM D 149 擊穿電壓、臨界可跟蹤性指數和干電弧電阻測試。

熱量和火焰測試：

錐形量熱儀測試符合 ISO 5660 EN45545-2 標準。

耐火特性符合 UIC-564-2 標準。

根據 ISO 5659 EN45545-2 標準進行煙霧密度測試。

毒性指數測試符合 NCD 1409、NES 713。

煙霧毒性符合 EN 45545-2。

地板 地板材料的輻射板測試。

火焰的提升蔓延/IMO 測試

4. 玻璃鋼格柵、人行道和電纜橋架（土木建筑）

進行的測試：

機械性能，如拉伸性能、壓縮性能、彎曲性能、軸承強度、剪切強度、物理性能，符合 ASTM、ISO、BS 和 IS 標準。 全截面彎曲試驗、靜載荷試驗等

可燃性試驗：

UL-94，根據 ASTM D 635 的火焰蔓延和根據 ASTM D 2863 的極限氧指數?？棺贤饩€測試根據 ASTM G154

5. 造船用復合材料

進行的測試：

機械性能，如拉伸性能、壓縮性能、彎曲性能、軸承強度、剪切強度、物理性能，符合 ASTM、ISO、BS 和 IS 標準。

可燃性試驗：

UL-94，根據 ASTM D 635 的火焰蔓延和根據 ASTM D 2863 的極限氧指數。抗紫外線測試根據 ASTM G154

6. 玻璃鋼儲罐測試

進行的測試：

機械性能，如拉伸性能、壓縮性能、彎曲性能、軸承強度、剪切強度、物理性能，符合 ASTM、ISO、BS 和 IS 標準。

可燃性試驗：

UL-94，根據 ASTM D 635 的火焰蔓延和根據 ASTM D 2863 的極限氧指數?？棺贤饩€測試根據 ASTM G154 在熱風烘箱中進行老化測試， 根據 UL-1316 標準，通過浸入溶劑或所需液體進行老化測試。

7. 復合材料層壓板測試

進行的測試：

機械性能，如拉伸性能、壓縮性能、彎曲性能、軸承強度、剪切強度、物理性能，符合 ASTM、ISO、BS 和 IS 標準。

可燃性試驗：

UL-94，根據 ASTM D 635 的火焰蔓延和根據 ASTM D 2863 的極限氧指數?？棺贤饩€測試根據 ASTM G154

電氣測試：

介電強度、根據 ASTM D 149 擊穿電壓、臨界可跟蹤性指數和抗干電弧測試、

絕緣電阻測試、

熱沖擊和熱變形。

體積電阻率和表面電阻率。

8. 國防用復合材料

進行的復合材料測試：

機械性能，如拉伸性能、壓縮性能、彎曲性能、軸承強度、剪切強度、物理性能，符合 ASTM、ISO、BS 和 IS 標準。 平面機械強度符合 ASTM C 297 標準 根據 ASTM D 3763 標準進行落錘沖擊測試。

可燃性試驗：

UL-94，根據 ASTM D 635 的火焰蔓延和根據 ASTM D 2863 的極限氧指數。

電氣測試：

介電強度、根據 ASTM D 149 擊穿電壓、臨界可跟蹤性指數和干電弧電阻測試。

熱量和火焰測試：

錐形量熱儀測試符合 ISO 5660 EN45545-2 標準。

耐火特性符合 UIC-564-2 標準。

根據 ISO 5659 EN45545-2 標準進行煙霧密度測試。

毒性指數測試符合 NCD 1409、NES 713。

煙霧毒性符合 EN 45545-2。

地板 地板材料的輻射板測試。

火焰的提升蔓延/IMO 測試