复合材料模压制品冲击试验规范

复合材料模压制品冲击试验规范1范围本标准规定了复合材料模压制品冲击试验的术语和定义、试验原理、试验设备、试样制备、试验条件、试验步骤、试验结果计算与表示、试验报告等内容。本标准适用于以纤维、颗粒、晶须等为增强相，树脂、陶瓷、金属等为基体，通过模压成型工艺制备的复合材料制品的冲击性能测定，包括简支梁冲击、悬臂梁冲击、落锤冲击三种常用试验方法。本标准不适用于蜂窝芯、泡沫芯等低密度多孔复合材料模压制品的冲击性能测试，此类材料可参考相关专项标准执行。2规范性引用文件下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件；凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T1446纤维增强塑料性能试验方法总则GB/T1843塑料悬臂梁冲击强度的测定GB/T1043.1塑料简支梁冲击性能的测定第1部分：非仪器化冲击试验GB/T1451纤维增强塑料简支梁式冲击韧性试验方法GB/T21189塑料落锤冲击试验仪器化法GB/T39613纤维增强塑料复合材料层间断裂韧性GIC和GIIC的测定ISO179-1塑料简支梁冲击性能的测定第1部分：非仪器化冲击试验ISO180塑料悬臂梁冲击强度的测定ISO6603-2塑料多轴向冲击性能的测定第2部分：仪器化穿刺冲击试验3术语和定义下列术语和定义适用于本文件。3.1模压成型将预浸料、预混料或散状复合材料原料置于金属模具型腔内，通过加热、加压并保持一定时间，使物料固化成型为制品的工艺方法，是热固性树脂基复合材料的主要成型方式之一，也可用于部分热塑性复合材料的成型加工。3.2冲击强度试样在冲击载荷作用下破坏时，单位横截面积（或单位宽度）所吸收的能量，是衡量复合材料抗冲击性能的核心指标，简支梁冲击和悬臂梁冲击通常以kJ/m²为单位，落锤冲击通常以破坏所需的冲击能量J或冲击速度m/s表示。3.3无缺口冲击对未加工预制缺口的完整试样进行冲击试验，获得的冲击强度反映材料整体抗冲击破坏能力，适用于评估材料在无预损伤条件下的极限抗冲击性能。3.4缺口冲击对预先加工有标准V型或U型缺口的试样进行冲击试验，缺口底部应力集中系数固定，获得的冲击强度反映材料对缺口的敏感性，适用于评估含缺陷复合材料构件的抗冲击性能。3.5层间冲击损伤冲击载荷作用下，复合材料层合板内部产生的分层、基体开裂、纤维断裂等亚临界损伤，这类损伤通常不会导致试样完全断裂，但会显著降低材料的静强度、疲劳性能和耐环境性能，是航空航天、轨道交通等领域复合材料结构设计需要重点关注的指标。4试验原理4.1简支梁冲击试验原理将试样水平放置在两个平行的支座上，形成简支梁受力状态，摆锤从固定高度自由下落，冲击试样跨中位置，记录摆锤冲击前后的能量差，扣除能量损耗后即为试样破坏吸收的总能量，结合试样横截面尺寸计算冲击强度。对于仪器化简支梁冲击试验，可同时记录冲击过程中的载荷-时间、载荷-位移曲线，获取最大冲击载荷、断裂位移、裂纹扩展能、裂纹萌生能等动态力学参数。4.2悬臂梁冲击试验原理将试样垂直夹持在夹具中，一端固定、一端自由，形成悬臂梁受力状态，摆锤从固定高度冲击试样自由端，记录冲击过程中吸收的能量，结合试样缺口处的横截面尺寸计算悬臂梁冲击强度。悬臂梁冲击试验的应力状态更接近实际构件受端部冲击的工况，常用于评估薄壁模压制品的抗冲击性能。4.3落锤冲击试验原理将试样水平固定在环形或矩形夹具中，具有特定质量和形状的锤头从设定高度自由下落冲击试样中心，通过改变落锤高度或质量调整冲击能量，记录试样出现穿孔、开裂、分层等规定破坏形式时的临界冲击能量，或固定冲击能量下记录试样的损伤程度。仪器化落锤冲击可获得完整的冲击载荷-时间曲线，分析复合材料从接触载荷到完全破坏的全过程力学响应。5试验设备5.1简支梁冲击试验机摆锤能量：根据试样预期冲击强度选择，能量范围通常为1J~50J，测量误差不应超过±0.5%，摆锤冲击线速度应控制在2.9m/s~3.8m/s之间，冲击瞬间冲击刀刃与试样轴线垂直，刀刃圆角半径为2mm±0.5mm。支座：支座跨距可调节，标准跨距为60mm、40mm两种，支座支撑面圆角半径为1mm±0.2mm，两个支座应处于同一水平面，平行度误差不超过0.1mm/m。能量指示装置：最小分度值不大于0.01J，示值误差不应超过满量程的±1%，摩擦损耗和空气阻力损耗不应超过摆锤标称能量的0.5%，每次试验前需进行空载损耗校准。仪器化配置：对于需要获取动态冲击曲线的试验，应配备采样频率不低于1MHz的力传感器和位移采集系统，载荷测量误差不超过±1%，位移测量误差不超过±0.01mm。5.2悬臂梁冲击试验机摆锤能量：通常选用1J~20J，冲击线速度为3.5m/s±0.2m/s，冲击刀刃圆角半径为0.8mm±0.2mm，刀刃夹角为30°±1°。夹具：试样夹持力可调节，夹持后试样伸出长度固定，标准伸出长度为22.5mm，夹口与试样接触部分应做防滑处理，夹持后试样垂直度误差不超过0.5°，冲击点距离试样夹持面的距离为22mm±0.5mm。缺口对准装置：带缺口试样的缺口中心应与冲击刀刃对准，对准误差不超过0.1mm，确保冲击载荷准确作用在缺口根部的应力集中区域。5.3落锤冲击试验机落锤系统：锤头质量可在0.5kg~20kg范围内调节，锤头硬度不低于60HRC，根据试验需求选择不同形状的锤头，常用锤头包括直径20mm的半球形锤头、边长10mm的方形锤头、以及符合特定行业标准的专用锤头。高度调节装置：落锤释放高度可在0.1m~2m范围内连续调节，高度定位误差不超过±1mm，释放机构应保证落锤自由下落，无初始附加速度或阻力。防二次冲击装置：锤头第一次冲击试样反弹后，应能及时捕捉落锤，避免二次冲击对试验结果造成影响，捕捉响应时间不超过10ms。测速装置：冲击瞬间速度测量误差不超过±0.1m/s，用于校准落锤实际冲击能量，消除空气阻力和摩擦导致的能量损失。5.4试样加工设备切割设备：采用金刚石锯片切割机或水切割机进行试样粗加工，切割过程中应采用冷却措施，避免材料过热导致树脂降解或纤维损伤，切割面粗糙度Ra不大于3.2μm。缺口加工设备：采用专用缺口铣削机或激光加工设备加工标准缺口，V型缺口角度为45°±1°，缺口根部圆角半径为0.25mm±0.05mm，缺口深度偏差不超过±0.05mm，加工后缺口根部不应存在微裂纹或加工损伤。打磨设备：采用800目以上的碳化硅砂纸对试样表面和棱边进行打磨，去除加工毛刺，棱边倒圆角半径不超过0.2mm，避免应力集中导致试样提前破坏。5.5环境调节设备温度调节箱：温度控制范围为-70℃~200℃，温度波动度不超过±1℃，均匀度不超过±2℃，满足不同环境温度下的冲击试验需求。湿度调节箱：相对湿度控制范围为10%RH~98%RH，湿度波动度不超过±2%RH，用于湿热环境预处理后的冲击试验。低温介质：对于低于室温的试验，可采用液氮、干冰作为制冷介质，温度控制精度不低于±2℃。6试样制备6.1取样要求取样位置：模压制品取样应具有代表性，对于平板类制品，在距离制品边缘至少50mm的区域内均匀取样，避开流道末端、熔接痕、缺料、气泡等工艺缺陷区域；对于异形模压制品，应选取受力关键部位或材料均匀性一致的区域取样，取样方向应明确标注，包括沿纤维主方向、垂直纤维方向、或模压流动方向。取样数量：每组试验的有效试样数量不应少于5个，当数据离散系数大于15%时，应增加试样数量至10个，剔除异常值后进行统计计算。对于不同工艺条件、不同批次的产品，应单独分组取样，每组试样的加工工艺、后处理条件应保持一致。取样方向：对于连续纤维增强复合材料模压制品，应分别制备沿0°、90°纤维方向的试样，或根据构件实际受力方向确定取样方向；对于短纤维增强复合材料，应分别制备沿模压流动方向和垂直流动方向的试样，评估材料的各向异性。6.2试样尺寸6.2.1简支梁冲击试样无缺口试样：长度80mm±0.5mm，宽度10mm±0.2mm，厚度4mm±0.2mm，跨距60mm。当制品实际厚度无法满足4mm要求时，可采用实际厚度，但厚度不应小于2mm，且需在试验报告中注明。缺口试样：尺寸与无缺口试样一致，V型缺口深度为2mm±0.05mm，缺口位于试样宽度方向的中心，缺口轴线与试样板面垂直。6.2.2悬臂梁冲击试样无缺口试样：长度80mm±0.5mm，宽度10mm±0.2mm，厚度4mm±0.2mm，夹持长度30mm，伸出长度50mm。缺口试样：长度63.5mm±0.5mm，宽度12.7mm±0.2mm，厚度3.2mm±0.2mm，V型缺口深度为2.54mm±0.05mm，缺口距离试样自由端的距离为22mm±0.5mm。6.2.3落锤冲击试样平板试样：尺寸为100mm×100mm±0.5mm，或直径150mm±0.5mm，厚度为制品实际厚度，厚度范围1mm~10mm，厚度偏差不超过±0.1mm。异形试样：根据制品实际形状设计专用夹具，确保试样夹持牢固，冲击区域无约束，试验前需验证夹具的重复性和稳定性，相同条件下试验结果离散系数不超过10%。6.3试样处理外观检查：所有试样加工完成后应进行100%外观检查，采用10倍放大镜检查试样表面是否存在裂纹、气泡、分层、纤维外露等缺陷，存在缺陷的试样应予以剔除，不得用于试验。尺寸测量：每个试样的长度、宽度、厚度、缺口深度均应进行精确测量，厚度测量至少取3个点，取平均值，测量精度不低于0.01mm，缺口深度采用工具显微镜测量，精度不低于0.001mm。状态调节：试样应按照GB/T1446的要求进行状态调节，标准环境条件为温度23℃±2℃，相对湿度50%±5%，调节时间不少于24小时。对于有特殊环境要求的试验，应按照相关标准或供需双方约定的条件进行预处理，如湿热老化、热氧老化、低温处理等，预处理后应在10分钟内完成冲击试验。标识：每个试样应进行唯一标识，标识应位于试样非冲击区域，避免标识对冲击过程造成影响，标识内容包括试样编号、取样方向、批次、加工日期等信息。7试验条件7.1标准试验环境除另有规定外，试验应在标准环境条件下进行：温度23℃±2℃，相对湿度50%±5%，大气压86kPa~106kPa，试验过程中环境条件波动不应超过上述范围。7.2温度条件当需要在非室温环境下进行试验时，应将试样置于温度调节箱中保持至少1小时，确保试样内外温度均匀，试验过程中试样暴露在常温环境中的时间不超过3秒，避免温度变化影响试验结果。低温试验时，应采取措施防止试样表面结霜，结霜会改变试样表面摩擦力和冲击接触状态，导致试验结果偏差。7.3冲击能量选择冲击试验机的摆锤能量或落锤冲击能量应选择在量程的10%~90%范围内，确保试样破坏时吸收的能量处于设备测量精度最优区间，避免因量程选择不当导致测量误差。对于简支梁和悬臂梁冲击试验，摆锤冲击后剩余能量不应超过标称能量的80%，也不应低于标称能量的10%。7.4冲击速度简支梁冲击标准速度为3.5m/s±0.3m/s，悬臂梁冲击标准速度为3.5m/s±0.2m/s，落锤冲击速度根据能量需求确定，通常范围为1m/s~10m/s，当有特殊要求时可调整冲击速度，但需在试验报告中明确注明。对于高应变率敏感性的复合材料，应验证不同冲击速度下的性能变化规律，选择与实际工况匹配的冲击速度。8试验步骤8.1设备校准每次试验前应对冲击试验机进行校准，包括摆锤空载能量损耗校准、力传感器零点校准、落锤高度校准、速度测量校准，校准合格后方可进行试验。设备校准周期应符合计量检定规程要求，每年至少进行一次第三方计量检定。8.2简支梁冲击试验步骤根据试样预期冲击强度选择合适能量的摆锤，安装摆锤后检查摆动是否顺畅，无卡滞现象。调整支座跨距至规定值，通常为60mm，检查两个支座的平行度和水平度，确保试样放置后平稳。将试样水平放置在支座上，无缺口试样的冲击面应为模压成型时的受压面，带缺口试样的缺口背向摆锤冲击方向，缺口中心与支座跨中中心对准，对准误差不超过0.5mm。抬起摆锤至预定高度，锁定释放机构，检查安全防护装置是否到位，清理试验区域无关物品。释放摆锤，记录冲击吸收能量，对于仪器化冲击试验机，同时记录载荷-时间、位移-时间曲线。检查试样破坏形式，分为完全断裂、部分断裂、未断裂三种类型，只有完全断裂的试样数据为有效数据，部分断裂和未断裂的试样应予以剔除，或根据供需双方约定单独统计。重复上述步骤完成所有试样的试验，每组试验完成后及时清理试验台的试样碎片，避免影响下一组试验。8.3悬臂梁冲击试验步骤选择合适能量的摆锤，调整夹具夹持位置，确保试样伸出长度符合规定要求。将试样垂直装夹在夹具中，带缺口试样的缺口朝向摆锤冲击方向，缺口中心与冲击刀刃对准，夹持力适中，避免试样在夹持过程中产生内应力或发生滑移。抬起摆锤至预定高度，确认摆锤运动路径上无障碍物。释放摆锤，记录冲击吸收能量，观察试样断裂面的破坏形式，区分纤维断裂、基体开裂、分层等不同破坏模式。对于部分断裂的试样，若断裂面延伸长度超过试样宽度的90%，可判定为有效破坏，否则数据无效。8.4落锤冲击试验步骤根据试验要求选择合适的锤头和落锤质量，安装锤头并检查紧固情况，避免冲击过程中锤头松动。将试样水平放置在夹具中，试样中心与锤头中心对准，采用环形夹具时，夹具内径通常为75mm，夹持力应保证试样在冲击过程中不发生位移，但不应过度夹紧导致试样产生预载荷。调整落锤高度至设定值，释放落锤，观察试样破坏情况，记录冲击能量、冲击速度、破坏形式。对于逐级加载法测定临界破坏能量，初始能量选择为预期临界能量的50%，若试样未破坏，将能量提高10%进行下一次试验，直至试样出现规定的破坏形式；若试样破坏，将能量降低10%进行下一次试验，采用升降法统计至少20个有效数据，计算50%破坏概率下的临界冲击能量。对于固定能量下的损伤程度评估，试验后采用超声C扫描、X射线断层扫描等方法检测试样内部的分层面积、裂纹扩展长度等损伤参数。8.5异常情况处理试验过程中若出现摆锤反弹、试样滑脱、冲击位置偏离等异常情况，该次试验数据无效，应更换试样重新试验。若连续3个试样出现相同的异常破坏形式，应检查设备状态、试样制备、试验条件是否符合要求，排除故障后方可继续试验。当试验结果离散系数超过20%时，应暂停试验，分析离散原因，若为试样缺陷或取样代表性问题，应重新取样制备试样；若为设备或操作问题，应校准设备、规范操作流程后再进行试验。9试验结果计算与表示9.1简支梁冲击强度计算无缺口简支梁冲击强度按式（1）计算：$$\alpha_{kU}=\frac{E}{b\cdoth}\times10^3\tag{1}$$式中：$\alpha_{kU}$——无缺口简支梁冲击强度，单位为千焦每平方米（kJ/m²）；$E$——试样破坏吸收的能量，单位为焦耳（J）；$b$——试样宽度，单位为毫米（mm）；$h$——试样厚度，单位为毫米（mm）。带缺口简支梁冲击强度按式（2）计算：$$\alpha_{kV}=\frac{E}{b_N\cdoth}\times10^3\tag{2}$$式中：$\alpha_{kV}$——带V型缺口简支梁冲击强度，单位为千焦每平方米（kJ/m²）；$b_N$——试样缺口底部的剩余宽度，单位为毫米（mm）。9.2悬臂梁冲击强度计算悬臂梁冲击强度按式（3）计算：$$\alpha_{kI}=\frac{E}{b_N}\tag{3}$$式中：$\alpha_{kI}$——悬臂梁冲击强度，单位为千焦每米（kJ/m）；$E$——试样破坏吸收的能量，单位为焦耳（J）；$b_N$——试样缺口底部的剩余宽度，单位为米（m）。部分国家或行业标准中悬臂梁冲击强度也采用单位面积吸收能量表示，计算时除以缺口处横截面面积，单位为kJ/m²，试验报告中应明确注明计算方法和单位。9.3落锤冲击试验结果表示临界破坏能量：采用升降法计算的50%试样出现规定破坏时的冲击能量，单位为焦耳（J），保留1位小数，同时给出95%置信区间。冲击能量吸收曲线：仪器化落锤冲击试验应给出载荷-时间、能量-时间曲线，标注最大冲击载荷、最大位移、总吸收能量、裂纹萌生能量等特征参数。损伤程度：固定冲击能量下，以分层面积、裂纹长度、穿孔直径等参数表示损伤程度，分层面积采用