复合材料真空导入制品冲击试验规范

复合材料真空导入制品冲击试验规范1范围本规范规定了复合材料真空导入制品冲击性能测试的术语定义、试验原理、试样制备、试验设备、试验环境、试验步骤、结果计算与表示、试验报告及试验安全要求。本规范适用于采用真空导入工艺制备的纤维增强树脂基复合材料层合板、结构件的摆锤冲击（简支梁、悬臂梁）、落锤冲击及高速冲击试验，其他工艺制备的复合材料制品可参照执行。本规范不适用于泡沫芯、蜂窝芯等夹心复合材料的整体冲击性能测试，该类材料的冲击试验应结合芯材特性另行制定补充规则。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/T21239纤维增强塑料复合材料层合板冲击后压缩强度试验方法GB/T30967纤维增强塑料复合材料用落重法测定冲击性能ISO179-1:2010塑料简支梁冲击性能的测定第1部分：非仪器化冲击试验ISO180:2019塑料悬臂梁冲击强度的测定ASTMD7136/D7136M-20测量纤维增强聚合物基复合材料对落锤冲击响应的标准试验方法ASTMD7137/D7137M-22受损复合材料层合板压缩剩余强度的标准试验方法3术语和定义下列术语和定义适用于本文件。3.1真空导入工艺在单面刚性模具上铺放纤维增强材料、导流层、脱模布等辅助材料，密封真空袋后抽真空形成负压，利用真空压力将树脂基体吸入预成型体纤维间隙，经固化成型得到复合材料制品的工艺方法。3.2冲击能量吸收试样受冲击载荷作用过程中，通过纤维断裂、基体开裂、层间分离等损伤形式耗散的冲击能量总和，单位为焦耳（J）。3.3冲击后压缩强度（CAI）复合材料层合板经受规定能量的落锤冲击后，在压缩载荷作用下发生破坏时的最大应力，是表征复合材料损伤容限的核心指标。3.4分层阈值能量首次引发复合材料层合板出现可检测分层损伤的最小冲击能量，单位为焦耳（J）。3.5摆锤冲击速度摆锤刀刃接触试样瞬间的线速度，简支梁冲击试验通常为2.9m/s~3.8m/s，悬臂梁冲击试验通常为3.5m/s~5.0m/s。4试验原理4.1摆锤冲击试验原理利用具有已知位能的摆锤从规定高度释放，以恒定速度冲击支撑为简支或悬臂形式的试样，通过测量摆锤冲击前后的能量差计算试样断裂或产生规定损伤所吸收的能量，进而得到材料的冲击强度。摆锤冲击过程中忽略空气阻力、轴承摩擦等能量损耗，冲击前摆锤的初始位能与冲击后摆锤剩余位能的差值全部用于试样损伤和断裂。4.2落锤冲击试验原理具有规定质量的冲头从设定高度自由下落，以垂直方向冲击固定在支撑框架上的平板试样，通过力传感器、位移传感器及高速采集系统记录冲击过程中的载荷-时间曲线、载荷-位移曲线，结合能量积分计算试样的峰值载荷、最大位移、总吸收能量、分层起始能量等参数，同时可观察冲击后试样的表面损伤、内部分层形态。4.3高速冲击试验原理采用空气炮、霍普金森压杆等加载装置，使子弹或冲头以10m/s~1000m/s的速度冲击试样，通过高速摄影、应变片、压力传感器等采集冲击过程中的动态响应，分析复合材料在高应变率下的变形、损伤演化及能量吸收特性，适用于航空航天、轨道交通等领域抗高速冲击要求的制品测试。5试样制备5.1原材料与制板要求试验用复合材料层合板应采用与实际制品完全相同的真空导入工艺制备，树脂体系、纤维类型、铺层顺序、固化制度、后处理工艺需与生产工艺保持一致。层合板厚度偏差应不超过公称厚度的±5%，同一批次试样的厚度离散系数不大于3%。制板过程中需记录真空度变化、树脂流量、固化温度曲线、固化时间等工艺参数，作为试验结果偏差分析的依据。5.2试样尺寸5.2.1简支梁冲击试样无缺口试样尺寸为长度(80±2)mm、宽度(10±0.2)mm、厚度(4±0.2)mm，对于厚度大于10mm的制品，可采用对称加工方式将试样厚度减薄至4mm，加工过程应避免引入热损伤或机械损伤。缺口试样需在试样中部加工V型缺口，缺口深度为2mm，缺口角度为45°，缺口根部圆角半径为0.25mm，缺口轴线应垂直于层合板表面。5.2.2悬臂梁冲击试样无缺口试样尺寸为长度(64±2)mm、宽度(12.7±0.2)mm、厚度(4±0.2)mm，缺口试样缺口深度为2mm，缺口位于试样长度方向中部，缺口朝向摆锤冲击方向。5.2.3落锤冲击试样标准试样为边长(150±2)mm的正方形，厚度与实际制品厚度一致，允许的厚度范围为2mm~25mm。对于厚度大于25mm的结构件，可加工为标准厚度试样，但需在试验报告中注明加工方式。试样支撑区域宽度为125mm，冲击点位于试样几何中心。5.2.4冲击后压缩试样落锤冲击后的试样加工为长度(150±2)mm、宽度(100±2)mm的矩形，压缩加载方向应平行于层合板的0°铺层方向。5.3试样加工要求试样切割应采用金刚石锯片或水切割方式，严禁采用普通砂轮切割，避免因高温导致树脂基体降解或分层。切割后试样边缘应无毛刺、缺口、分层等缺陷，采用千分尺在试样中部测量厚度，测量精度不低于0.01mm。同一试验组的试样数量不少于5个，离散度较大时应增加至8~10个有效试样。5.4试样状态调节试样应按照GB/T1446的要求进行状态调节，标准环境为温度(23±2)℃、相对湿度(50±5)%，状态调节时间不少于24h。对于有湿热老化要求的试验，需将试样置于规定温度、湿度的环境箱中老化至指定时间后，取出在10min内完成试验。6试验设备6.1摆锤冲击试验机简支梁、悬臂梁冲击试验机的能量范围应覆盖试验所需的冲击能量，示值误差不大于±1%，摆锤冲击速度偏差不超过规定值的±5%。试验机应配备自动能量校正系统，每次试验前需采用标准试样进行能量损耗标定，扣除摆锤空击能量、轴承摩擦、空气阻力等损耗，损耗能量应不超过试验标称能量的1%。摆锤刀刃半径：简支梁冲击为2mm，悬臂梁冲击为0.8mm，刀刃硬度不低于HRC60。6.2落锤冲击试验机冲头质量可根据试验需求调整，范围为0.5kg~20kg，质量精度不低于±0.1%。冲头头部为半球形，直径为16mm或20mm，硬度不低于HRC62。设备配备的力传感器量程应满足峰值载荷测量需求，采样频率不低于1MHz，测量误差不大于±1%。位移测量精度不低于0.01mm，高度调节精度不低于±1mm。冲击试验机应配备防二次冲击装置，确保冲头冲击试样后不会回落对试样造成二次损伤。6.3冲击损伤检测设备冲击后试样的内部损伤检测采用超声波C扫描设备，扫描分辨率不低于0.5mm，能够清晰识别分层的位置、面积及分布形态。也可采用工业CT设备进行三维损伤表征，空间分辨率不低于10μm，可观测层间裂纹、纤维断裂等细观损伤。6.4压缩试验机冲击后压缩试验采用万能材料试验机，量程不低于100kN，加载速度精度不低于±1%，位移测量精度不低于0.01mm。压缩夹具应符合GB/T21239的要求，能够对试样提供足够的侧向支撑，避免压缩过程中发生失稳。7试验环境标准试验环境为温度(23±2)℃、相对湿度(50±5)%。对于特殊工况使用的复合材料制品，可根据实际使用环境调整试验温度，温度范围可覆盖-40℃~180℃，试验过程中温度波动不超过±2℃。低温试验采用高低温环境箱实现，高温试验可结合环境箱或红外加热装置实现，试样在目标温度下保温时间不少于30min，确保试样整体温度均匀。8试验步骤8.1简支梁冲击试验步骤测量试样的宽度、厚度，精确到0.01mm，记录测量值。对于缺口试样，需测量缺口剩余厚度，精确到0.01mm。根据材料预期冲击强度选择合适能量的摆锤，确保冲击吸收能量处于摆锤满量程的10%~90%范围内。进行空击试验，记录空击能量损耗，确认损耗值在允许范围内。将试样平稳放置在简支梁支撑座上，支撑跨度为60mm，试样中心对准摆锤冲击点，缺口试样的缺口背向摆锤冲击方向。释放摆锤，记录冲击吸收能量值，观察试样破坏形式，记录为完全断裂、部分断裂或未断裂。同一组试样依次完成试验，剔除存在异常破坏（如边缘提前开裂、缺口加工缺陷导致的异常断裂）的试样数据。8.2悬臂梁冲击试验步骤测量试样的宽度、厚度及缺口剩余厚度，精确到0.01mm，记录测量值。选择合适能量的摆锤，确保冲击吸收能量处于摆锤满量程的10%~90%范围内。进行空击标定，记录能量损耗。将试样夹紧在悬臂梁夹具中，伸出长度为32mm，缺口朝向摆锤冲击方向，试样与夹具的间隙不超过0.02mm。释放摆锤，记录冲击吸收能量值，观察试样破坏形式。对于未断裂的试样，需在试验报告中注明“未击穿”，不参与冲击强度统计计算。8.3落锤冲击试验步骤测量试样的厚度、边长，精确到0.01mm，记录测量值，在试样非冲击面标记冲击中心位置。根据试验要求的冲击能量计算落锤高度，计算公式为：(E=mgh)，其中(E)为冲击能量（J），(m)为落锤质量（kg），(g)为重力加速度（取9.8m/s²），(h)为落锤下落高度（m）。将试样固定在冲击支撑框架上，支撑框架为125mm×125mm的方形开口，采用四个气动夹具均匀夹紧试样四边，夹紧力为0.5MPa，确保冲击过程中试样不发生滑移。调整落锤高度至设定值，启动防二次冲击装置，触发落锤释放，采集冲击过程中的载荷、位移、时间数据。取下冲击后的试样，观察表面损伤情况，记录凹坑深度、裂纹长度等外观损伤特征，采用超声波C扫描检测内部分层面积。若进行冲击后压缩试验，将冲击后的试样加工为标准压缩试样，在24h内完成压缩测试。8.4冲击后压缩试验步骤将冲击后的试样安装在压缩夹具中，试样的冲击面朝向夹具外侧，冲击点位于试样中心。调整试验机加载速度为1.25mm/min，采用位移控制加载方式。预加载至50N的载荷，检查试样对中情况，确认试样受力均匀。正式加载，直至试样发生破坏，记录最大破坏载荷，观察破坏模式，记录为分层扩展破坏、纤维屈曲破坏或边缘剪切破坏。9结果计算与表示9.1摆锤冲击强度计算简支梁冲击强度(\alpha_{c})（单位：kJ/m²）按下式计算：[\alpha_{c}=\frac{W}{b\cdoth}\times10^{-3}]其中：(W)为试样冲击吸收能量（J）；(b)为试样宽度（mm）；(h)为试样厚度（缺口试样为缺口剩余厚度，单位mm）。悬臂梁冲击强度(\alpha_{i})（单位：kJ/m²）按下式计算：[\alpha_{i}=\frac{W}{b\cdoth}\times10^{-3}]参数含义同简支梁冲击强度计算。9.2落锤冲击试验结果表示落锤冲击试验结果需报告以下参数：峰值载荷：冲击过程中测得的最大接触载荷，单位为kN；最大位移：冲头冲击过程中的最大侵入深度，单位为mm；总吸收能量：载荷-位移曲线下的积分面积，单位为J；分层起始能量：载荷-时间曲线首次出现载荷突降点对应的冲击能量，单位为J；分层面积：超声波C扫描检测得到的内部分层投影面积，单位为mm²。9.3冲击后压缩强度计算冲击后压缩强度(\sigma_{CAI})（单位：MPa）按下式计算：[\sigma_{CAI}=\frac{P_{max}}{b\cdoth}]其中：(P_{max})为压缩破坏最大载荷（N）；(b)为试样宽度（mm）；(h)为试样厚度（mm）。9.4数据统计与离散性处理同一组有效试样数量不少于5个，计算结果的算术平均值、标准差及变异系数。若某个试样的测试结果与平均值偏差超过2倍标准差，判定为异常值，可予以剔除，但每组剔除的异常值数量不得超过总试样数的20%。10试验报告试验报告应包含以下内容：试验单位、试验日期、试验人员信息；试样信息：复合材料体系、铺层结构、真空导入工艺参数、试样尺寸、状态调节条件；试验设备信息：设备型号、摆锤能量、落锤质量、传感器量程、校准有效期；试验条件：试验环境温度、湿度、冲击速度、冲击能量；试验结果：每组试样的单个测试值、平均值、标准差、变异系数，典型试样的破坏模式照片、损伤C扫描图像、载荷-位移曲线；试验过程中出现的异常情况说明，如试