高电压放大器组成的碳纤维材料疲劳测试系统

CFRP，全称为CarbonFiberReinforcedPlastics。碳纤维复合材料因其优异的力学性能，在诸如航天航空、能源建筑、军事工业等领域得到了越来多的重视和应用。而碳纤维复合材料相较于金属钣金材料，其在耐腐蚀、耐疲劳、比强度、比模量等方面的优势，也在汽车设计领域受到越来越多的青睐。今天Aigtek安泰电子就给大家介绍一下由高电压放大器组成的碳纤维材料疲劳测试系统。

在碳纤维材料疲劳测试中，因为损伤形式的多样性影响，这些失效形式的耦合作用使得碳纤维复合材料的疲劳失效与现有汽车产业使用的常规钣金材料有着很大的不同。以疲劳失效导致的裂纹为例，传统金属的裂纹扩展形式较为单一，而碳纤维复合材料的疲劳失效往往体现为裂纹场的扩展形式。所以疲劳测试的规划按照其物理意义，以一个加载周期为表征且用一个波形来表示。

整个疲劳力学性能因规划为主要针对加载频率和碳纤维复合材料的疲劳寿命之间的影响关系。所以基于相同应力水平下，针对本文的碳纤维复合材料的样片进行不同加载频率的恒幅疲劳测试实验，其加载频率分别为：1Hz、5Hz和15Hz，与之相对应的疲劳性能试验可以按照典型的应力比分为拉伸载荷疲劳力学试验（R=0.1），压缩载荷疲劳力学试验（R=-0.5），其中拉伸载荷疲劳试验分为0°和45°两个方向进行，压缩疲劳试验为0°方向进行。

这些试验中，其测试样片与准静态力学试验所采用的相同。测试环境的设定根据ASTMD3479标准模拟室温进行，温度设定在20±5℃，湿度设定在45±5％。在应力比R=0.1的应力水平下共进行了不同加载频率下的疲劳寿命试验。

每组试验进行3个寿命样本的测试，试验结果如表5所列。本文所采用的碳纤维复合材料的疲劳极限为236MPa，其对应的最大应力与抗拉强度的比值为0.70。与常规钣金材料的比值0.30~0.50的范围相比较，可以看出碳纤维复合材料在疲劳极限上体现出了更好的力学性能。

试验后的样片图片可参见图4，从失效样片的断口可以看出，由于不同的加载载荷所导致的应力水平不同，对于最高循环应力水平在疲劳循环的应力峰值（650MPa，相当于90%的抗拉强度）的失效样件，其断口呈脆性断裂的特征且有部分纤维束被拉出。

而对于最低循环应力水平在疲劳循环的应力峰值（520MPa，相当于70%的抗拉强度）的失效样件，并未出现宏观失效。而其他几级应力水平的样片，分别出现了部分纤维断裂乃至分层失效等宏观表征。

应力比R=-0.5的应力水平下共进行了不同加载频率下的疲劳寿命试验。每组试验进行3个寿命样本的测试，其试验结果如表6所示。

从试验后的样片图5可以看出，除了一组试样没有出现断裂的疲劳失效（对应于最低循环应力水平）外，其余几组试样都不同程度的出现了与准静态压缩试验后相类似的失效模式，即试样的断面与加载方向都呈现出了一定的角度。

应力比R=-0.5下的材料疲劳极限(180MPa)小于应力比R=0.1疲劳载荷下的疲劳极限(236MPa)，即此碳纤维复合材料的拉伸疲劳性能要好于其压缩性能。

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审核编辑 黄宇