复合材料的测试及分析指南

复合材料的测试和分析需求

全面的测试分析和标准有助于评估复合材料的性能。从复合材料测试和分析中获得的数据可用于将复合材料与传统材料进行比较。

复合材料测试在复合材料的供应链和产品生命周期中起着至关重要的作用。在安全、质量、过程控制、法规遵从性和性能方面遇到了一系列挑战。无论您是基础化学品供应商、添加剂供应商、纤维制造商还是最终用户，克服这些挑战都可以为您的企业带来显著的商业优势。

复合材料测试和分析的类型

A. 机械测试

从设计和分析以及寿命预测的角度来看，复合材料的机械性能表征非常重要。复合材料的机械和物理测试对于确定用于产品设计和分析、质量控制、应用性能要求和生产过程的材料特性至关重要。机械和物理测试确保材料符合性能要求。

复合材料的机械测试包括拉伸、弯曲、冲击、剪切和压缩等，物理测试包括吸水率、密度、空隙率、硬度等。

除此之外，根据 ASTM D 5961 的许多其他标准化轴承强度测试和根据 ASTM D 5538 的层间断裂韧性测试都报告为复合材料的机械测试。

拉伸试验

拉伸测试是一种破坏性测试过程，可提供有关材料的拉伸强度、屈服强度和延展性的信息。它测量破坏复合材料或塑料试样所需的力以及试样拉伸或伸长到该断裂点的程度。

复合材料的拉伸试验通常采用基本拉伸或平夹层拉伸试验的形式，符合 ISO 527-4、ISO 527-5、ASTM D 638、ASTM D 3039 和 ASTM C 297 等标准。

试样是根据适用于测试的标准制备的（试样如下图 A 和 B 所示），并在万能试验机的帮助下承受拉伸载荷。此类测试生成用于确定拉伸模量的应力-应变图。

拉伸测试还提供拉伸强度（屈服和断裂）、拉伸模量、拉伸应变、伸长率和屈服伸长率百分比、伸长率和断裂伸长率百分比。

A. 哑铃形拉伸试件

B. 扁平拉伸试样

弯曲试验

弯曲试验测量在三点载荷条件下弯曲梁所需的力，通常适用于刚性和半刚性材料、树脂。该数据通常用于为零件选择材料，这些材料将支撑载荷而不会弯曲。

塑料、聚合物复合材料和大型纤维增强板最常见的弯曲试验涉及根据 ISO 178、ASTM D 790 和 ASTM D 6272 标准进行的三点和四点弯曲试验，以确保在各种条件下的适用性，从而更好地了解其特性并确保它们适用于预期应用。

该试验可以使用多种试样形状，但 ASTM 最常用的试样尺寸为 3.2 毫米 12.7 毫米 125 毫米 在弯曲试验中最常见，试样位于支撑跨度上，载荷通过载荷鼻施加到中心，产生三个点以指定速率弯曲。该测试的参数是支撑跨度、加载速度和测试的最大挠度。

这些参数基于试样厚度，由 ASTM 和 ISO 定义不同。弯曲测试还给出了复合材料的纤维/基体界面强度的半定性概念。

弯曲性能测试提供了有关屈服弯曲应力、屈服弯曲应变、断裂弯曲应力、断裂弯曲应变、3.5% （ISO） 或 5.0% （ASTM） 挠度弯曲应力、弯曲模量和应力/应变曲线的可编辑原始数据。

冲击试验

冲击试验旨在确定已知材料（如聚合物、陶瓷和复合材料）的试样对突然施加的应力的反应。冲击试验专门用于评估工程材料的韧性、脆性、缺口敏感性和冲击强度，以抵抗高速载荷。

量化冲击特性的能力在产品责任和安全方面是一个很大的优势。冲击试验样品类型包括缺口配置，例如 V 型缺口和 U 型缺口。冲击试验最常见的是简支梁和悬臂梁试样配置。

悬臂梁冲击试验与简支梁冲击试验的不同之处在于缺口面向撞针的位置。ASTM D256、ISO 180 和 ASTM D 是摆锤冲击试验的一些标准。

在该测试中，试样被加工成方形或圆形截面，具有一个、两个或三个缺口。悬臂梁冲击试验由一个摆锤组成，其臂末端有一个确定的重量，当试样被牢固地固定在垂直位置时，该摆锤向下摆动并撞击试样（如图C和D所示）。

冲击强度由摆锤的能量损失决定，该能量损失是通过精确测量摆锤摆动中的高度损失来确定的。此外，冲击强度被定义为聚合物复合材料承受高能冲击而不断裂或断裂的趋势。

C. 摆锤冲击试验机

D. 冲击试验试样

除了摆锤冲击测试外，还使用了另一种方法来评估材料对突然冲击的抵抗力，即落锤冲击测试。

在该测试中，试样由从某个指定高度测量重量或质量的压头撞击。记录试样上质量下降所引起的能量，并用于评估材料的冲击强度。这些测试按照 ASTM D 7136M-05、ASTM D 3763 和 ISO 6603 进行。

压缩试验

复合材料压缩测试方法提供了一种在材料中引入压缩载荷，同时防止其屈曲的方法。

压缩试验确定材料在挤压载荷下的行为，并记录各种载荷下的压缩和变形以计算压应力和应变。最常见的测试标准包括 ASTM D 695、ASTM D 3410 和 ISO 14126。

层间剪切强度测试

层间剪切强度 （ILSS） 是另一个重要的机械测试，可提供有关树脂-纤维粘合质量的信息。

单向层压板和碳纤维增强塑料的 ILSS 通常通过三点弯曲测试来确定，其中对层间剪切应力的抵抗力保持平行于层压板的层并进行测量。

剪切试验

剪切试验用于确定剪切应变、剪切应力、剪切模量和失效模式等属性，因为了解塑料和聚合物复合材料的“可变形”机械性能对于扩展其应用至关重要。

剪切试验可用于新材料的质量控制、比较测试和有限元 （FE） 分析。剪切强度结果对于设计各种材料（如粘合剂、塑料、薄膜和片材产品）非常重要，这些材料往往会受到各种“剪切载荷”，或者用于存在压碎等因素的应用。

剪切试验的标准包括 ASTM D3518 和 ISO 14129。ASTM C 273 和 ASTM D 2344。

硬度：

对材料进行硬度测试以检查抗压痕性。复合材料使用不同的硬度测试方法，例如：

洛氏硬度

邵氏硬度

巴氏硬度

除了上述机械性能外，还评估了一些物理性能以了解复合材料的行为。

水/吸湿性测试：评估材料吸收的水分或水分的百分比。ASTM D 570 是该测试的标准做法。

树脂含量或纤维含量：评估复合产品中纤维/增强材料的百分比或基体的百分比。

密度测量：根据 ASTM D 792 评估材料的密度和比重。

B. 电气测试

复合材料的电气性能对于汽车、航空航天、建筑产品、船舶等广泛行业都非常重要。一般来说，电气测试是对表面或材料上的电阻、电导率或电荷存储的测量。介电强度、体积和表面电阻率等各种因素对于衡量材料的性质至关重要。

介电强度：介电强度，也称为介电击穿强度 （DBS），是材料在电流穿过材料并且材料不再是绝缘体之前可以抵抗的最大电位。DBS 根据 ASTM D149 进行测试，以 kV/mm 或 V/mil 为单位进行测量。

绝缘电阻：绝缘电阻 （IR） 测试测量由电绝缘隔开的任意两点之间的总电阻。因此，该测试确定了电介质（绝缘）在抵抗电流流动方面的有效性。此类测试可用于检查绝缘质量，不仅在产品首次制造时，而且在产品使用过程中也包括随着时间的推移。

体积电阻率和表面电阻率：表面电阻率是沿绝缘材料表面的漏电流电阻。体积电阻率是流经绝缘材料主体的漏电流的电阻。表面/体积电阻率越高，漏电流越低，材料的导电性越差。

抗干电弧性当电流穿过绝缘体表面时，由于损坏、腐蚀或其他因素，它可能变得导电。电弧电阻是在严格控制的实验室条件下，在高压/低电流电弧下使绝缘表面导电所需的时间的量度。

换句话说，耐电弧性是塑料材料在给定时间内抵抗高压电弧作用并抵抗沿其表面形成导电路径的能力。计算耐电弧性最常用的标准测试是 ASTM D495。

C. 热性能测试

用于制造复合材料的一些原材料可能会受到温度和湿度影响的负面影响。因此，确保在使用前将它们储存在高度受控的环境条件下至关重要。

差示扫描量热法 （DSC） 是用于检查固化和确认材料热性能的常见测试之一。在讨论质量控制时，DSC 是最重要的测试类型之一。DSC 可以通过重要的热转变提供有关材料物理结构的信息，例如玻璃化转变温度 （Tg） ［link］、熔化温度 （Tm）、结晶温度、结晶度百分比、熔化和结晶焓、比热容 （Cp） 和氧化诱导时间 （OIT）。

动态力学分析 （DMA） 是一种可用于通过其粘弹性机械特性提供有关材料物理结构信息的技术。该测试可以获得材料在温度或频率扫描期间对正弦力的响应。DMA 可用于确定复合材料的机械性能（机械模量或刚度和阻尼）以及胶粘剂的重要热转变，例如聚合物和复合材料的玻璃化转变温度和固化程度。

热重分析 （TGA） 可用于通过热分解提供有关材料化学和物理结构的信息。TGA 提供有关材料分解温度和速率以及它们所含挥发物和填料数量的信息。使用先进的分析软件，还可以评估熔点和分解温度等特征温度。

导热系数是指材料传递或传导热量的内在能力。它也被定义为每单位时间每单位面积的热量可以通过给定材料的单位厚度的板传导，板的表面相差一个单位的温度。

D. 热和火焰测试

可燃性测试：

可燃性测试方法测量材料点燃的难易程度、燃烧速度以及燃烧时的反应。 有几种耐火或可燃性方法。根据材料和材料的应用，可燃性测试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 – 极限氧指数 （LOI）

– 垂直燃烧测试 （VC）

– 可燃性 ASTM D635、ISO 3795 易燃性测试是确保产品安全可信的关键部分。可燃性测试方法的行业应用包括纺织品和消费品、航空航天和运输、床上用品和家具材料。

垂直和水平可燃性测试

根据规格，将材料垂直或水平放置在本生灯上。在垂直可燃性测试期间，观察材料在点燃火焰移开后燃烧的持续时间、样品燃烧的量以及是否滴落燃烧的颗粒。 相比之下，水平可燃性测试观察材料在测试火焰移开后是否继续燃烧，然后计算样品燃烧的速度。

极限氧指数 （LOI）

极限氧指数 （LOI） 是支持材料燃烧的最低氧浓度，以百分比表示。它的测量方法是将氧气和氮气的混合物通过燃烧的样品，并降低氧气水平直到达到临界水平。评估复合材料 LOI 的标准测试方法是 ASTM D 2863。

毒性：

根据小分子种类评估燃烧产物的毒性，以确保材料在发生火灾危险或燃烧时的安全行为。此外，可以使用此测试比较天然和合成材料的燃烧特性。

NES 713 和 NCD 1409 是此测试的常见做法。使用这些方法，可以以 PPM 为单位测量大约 14 种类型的污水气体。该测试适用于公共交通、国防、航空航天等产品。

烟密度测试：

此测试用于确定固体材料和在室内垂直方向安装的组件产生的烟雾。该测试测量燃烧或阴燃的材料释放的烟雾量。 该测试的标准测试方法包括 ASTM E 662、ISO 5659 和 NFPA 258。 进行这些测试是为了确保材料的安全行为。此外，根据 ISO 5659 和 EN45545，评估该参数以确定材料的危险等级。

锥形量热仪测试：

为了评估从物质中释放或释放的热量，进行了该测试。锥形量热仪测量热释放速率、烟雾释放速率、点燃时间、质量损失率、有效燃烧热。

锥形量热仪是一种火灾测试工具，其原理是燃烧样品释放的热量与燃烧过程中消耗的氧气量直接相关。材料产生的热量与火灾的严重程度直接相关，例如火势增长速度。为了评估材料的可燃性，将其暴露在外部辐射热源中。

样品放置在锥形辐射加热器下方，通常暴露在加热器的外部通量下。一旦产生足够的热解产物，就会发生点火。燃烧产物通过锥形加热器和仪表化排气管。测量/计算的值是点火时间、燃烧过程中的质量损失率、燃烧过程中释放的最大热量的时间和值，以及测试期间释放的热量总量。该测试的标准测试方法是 ISO 5660-1：2002。

烟雾不透明度：

确定由于材料燃烧产生的烟雾而导致的能见度下降。 在该测试中，材料在密闭室中燃烧，并使用勒克斯计评估产生的烟雾的能见度。 该测试通常用于根据 UIC-564-2 标准评估质量运输中使用的组件。

火焰蔓延：

火焰蔓延测试旨在测量火焰在基材上传播的趋势，并与实际火灾场景中的表面火焰传播直接相关。 根据 UIC-564-2 标准，评估 Flame 的传播非常重要。 在该测试中，计算火焰蔓延的临界区域和余辉时间，以评估材料的燃烧行为和对火焰蔓延的抵抗力。

提升火焰蔓延：

火焰蔓延装置是一项重要的测试，用于比较基本扁平材料、复合材料或组件的性能，这些材料主要用作墙壁的裸露表面。ISO 56582 和 ASTM E1321 允许在船舶应用之外更广泛地使用该测试。ISO 56582 和 IMO 测试之间的主要区别在于，ISO 56582 的范围仅限于测试火焰在垂直试样上的蔓延，不包括用于估计热释放速率的堆栈。

复合材料测试和分析的行业要求

如前所述，复合材料在各种工程领域都有应用，世界上大部分地区都在采用现代复合材料代替传统材料。因此，复合材料的测试和分析范围更广。 根据行业和应用，评估复合材料的不同性能和特性。

1. 结构构件的复合材料测试。

复合材料，尤其是拉挤型材，在工业或民用应用中用作支撑结构、结构构件。

测试进行：

机械性能，如拉伸性能、压缩性能、弯曲性能、轴承强度、剪切强度、物理性能，符合 ASTM、ISO、BS 和 IS 标准。 全断面弯曲试验、静载荷试验、全断面剪切模量试验等

可燃性试验：

UL-94，根据 ASTM D 635 的火焰蔓延和根据 ASTM D 2863 的极限氧指数。

电气测试：

介电强度、根据 ASTM D 149 击穿电压、临界可跟踪性指数和干电弧电阻测试。

2. 汽车零部件：

进行的测试：

机械性能，如拉伸性能、压缩性能、弯曲性能、轴承强度、剪切强度、物理性能，符合 ASTM、ISO、BS 和 IS 标准。

可燃性试验：

UL-94，根据 ASTM D 635 的火焰蔓延和根据 ASTM D 2863 的极限氧指数。

电气测试：

介电强度、根据 ASTM D 149 击穿电压、临界可跟踪性指数和干电弧电阻测试。

热量和火焰测试：

锥形量热仪测试符合 ISO 5660 EN45545-2 标准。

耐火特性符合 UIC-564-2 标准。

根据 ISO 5659 EN45545-2 标准进行烟雾密度测试。

毒性指数测试符合 NCD 1409、NES 713。

3. 用于质量运输和航空航天的复合材料

进行的测试：

机械性能，如拉伸性能、压缩性能、弯曲性能、轴承强度、剪切强度、物理性能，符合 ASTM、ISO、BS 和 IS 标准。 平面机械强度符合 ASTM C 297 标准

可燃性试验：

UL-94，根据 ASTM D 635 的火焰蔓延和根据 ASTM D 2863 的极限氧指数。

电气测试：

介电强度、根据 ASTM D 149 击穿电压、临界可跟踪性指数和干电弧电阻测试。

热量和火焰测试：

锥形量热仪测试符合 ISO 5660 EN45545-2 标准。

耐火特性符合 UIC-564-2 标准。

根据 ISO 5659 EN45545-2 标准进行烟雾密度测试。

毒性指数测试符合 NCD 1409、NES 713。

烟雾毒性符合 EN 45545-2。

地板 地板材料的辐射板测试。

火焰的提升蔓延/IMO 测试

4. 玻璃钢格栅、人行道和电缆桥架（土木建筑）

进行的测试：

机械性能，如拉伸性能、压缩性能、弯曲性能、轴承强度、剪切强度、物理性能，符合 ASTM、ISO、BS 和 IS 标准。 全截面弯曲试验、静载荷试验等

可燃性试验：

UL-94，根据 ASTM D 635 的火焰蔓延和根据 ASTM D 2863 的极限氧指数。抗紫外线测试根据 ASTM G154

5. 造船用复合材料

进行的测试：

机械性能，如拉伸性能、压缩性能、弯曲性能、轴承强度、剪切强度、物理性能，符合 ASTM、ISO、BS 和 IS 标准。

可燃性试验：

UL-94，根据 ASTM D 635 的火焰蔓延和根据 ASTM D 2863 的极限氧指数。抗紫外线测试根据 ASTM G154

6. 玻璃钢储罐测试

进行的测试：

机械性能，如拉伸性能、压缩性能、弯曲性能、轴承强度、剪切强度、物理性能，符合 ASTM、ISO、BS 和 IS 标准。

可燃性试验：

UL-94，根据 ASTM D 635 的火焰蔓延和根据 ASTM D 2863 的极限氧指数。抗紫外线测试根据 ASTM G154 在热风烘箱中进行老化测试， 根据 UL-1316 标准，通过浸入溶剂或所需液体进行老化测试。

7. 复合材料层压板测试

进行的测试：

机械性能，如拉伸性能、压缩性能、弯曲性能、轴承强度、剪切强度、物理性能，符合 ASTM、ISO、BS 和 IS 标准。

可燃性试验：

UL-94，根据 ASTM D 635 的火焰蔓延和根据 ASTM D 2863 的极限氧指数。抗紫外线测试根据 ASTM G154

电气测试：

介电强度、根据 ASTM D 149 击穿电压、临界可跟踪性指数和抗干电弧测试、

绝缘电阻测试、

热冲击和热变形。

体积电阻率和表面电阻率。

8. 国防用复合材料

进行的复合材料测试：

机械性能，如拉伸性能、压缩性能、弯曲性能、轴承强度、剪切强度、物理性能，符合 ASTM、ISO、BS 和 IS 标准。 平面机械强度符合 ASTM C 297 标准 根据 ASTM D 3763 标准进行落锤冲击测试。

可燃性试验：

UL-94，根据 ASTM D 635 的火焰蔓延和根据 ASTM D 2863 的极限氧指数。

电气测试：

介电强度、根据 ASTM D 149 击穿电压、临界可跟踪性指数和干电弧电阻测试。

热量和火焰测试：

锥形量热仪测试符合 ISO 5660 EN45545-2 标准。

耐火特性符合 UIC-564-2 标准。

根据 ISO 5659 EN45545-2 标准进行烟雾密度测试。

毒性指数测试符合 NCD 1409、NES 713。

烟雾毒性符合 EN 45545-2。

地板 地板材料的辐射板测试。

火焰的提升蔓延/IMO 测试