玻璃钢／复合材料力学性能测试手段和方法

1　特性

1.1　玻璃钢／复合材料的材料特性
　　由纤维和基体组成经化学反应后形成的玻璃钢／复合材料，可定义为“由两种或两种以上不同材料人工复合而成的新型细观结构材料”。这里强调的是人工复合而成，又强调的是细观上是一种结构的新型材料，这种材料称现代复合材料。
　　现代玻璃钢，复合材料是从上世纪四十年代使用玻璃纤维增强塑料(俗称玻璃钢)开始，现已有了各种先进复合材料。从材料角度讲，人类历史上有石器时代、青铜时代和铁器时代，而21世纪社会成为复合材料时代。
　　玻璃钢／复合材料的材料特性还有：(1)材料和产品结构是一次成型，不需要像普通金属材料一样，制造产品结构要经过许多工艺程序；(2)成型的方便性和整体性。
       1.2　力学特性
       1.2.1　各向异性
　　玻璃钢／复合材料，其中以长纤维复合而成的，各个方向的力学性能是不同的。沿纤维方向的拉伸、压缩、弯曲性能最高，而面内剪切、管子扭转强度、冲击强度、泊松比是沿着45°方向最高或最大。所以对于玻璃钢／复合材料产品必须进行铺层设计，以达到最佳力学性能。
       1.2.2　低剪切性能和低层间拉伸性能
　　玻璃钢，复合材料不同于均匀材料，各方向的剪切性能是大不一样的，典型的有面内剪切、层间剪切和断纹剪切三种。其中，层间剪切性能特别低，与所采用的基体的品种、成型工艺、纤维表面处理(也称界面质量)等有关。以剪切强度而言，充其量也只是基体的剪切强度，对于树脂基体，为(20～60)MPa范围，约为拉伸强度的1／10左右。而面内剪切，与纤维方向有关，一般的纵横剪切强度，或管子扭转剪切度仅为纵向拉伸强度的1／7～1／5左右。当纤维是45°时，其面内剪切强度约为拉伸强度的1／2。
　　层间拉伸性能更低一些，特别与基体品种、成型工艺及界面质量关系更为密切，充其量为基体的拉伸强度。由于材料质量的不均匀性，试样制备，及试验夹具的对中和平行度等，层间拉伸强度往往低于基体的拉伸强度。对于树脂基体，其拉伸强度在(20～40)MPa范围，层间拉伸强度常出现在20MPa以下。
　　要改进此性能，只有采用三维织物增强物来复合成玻璃钢／复合材料，在此方面，已有很大进展。
       1.2.3　弹性模量
　　普通玻璃钢的弹性模量是低的，为(10～20)GPa，仅为钢的(1／20～1／10)左右。但先进复合材料，采用高模量的碳纤维制成的复合材料，其弹性模量超过钢材。由于玻璃钢／复合材料的易成型性，可采用夹层结构形式，大大提高产品的刚度，这也是特点。为此，有一整套测夹层结构的试验方法国标。
      1.3　物理特性
　　玻璃钢／复合材料有优越的透无线电波、电绝缘或抗静电、非磁性、隔热保温、隔声吸音、吸波、抗震、耐冲击等，还有优异耐腐蚀等
 
2　测试手段

对于玻璃钢，复合材料各组成部分的测试手段是不同的，对于纤维，有单丝、复纤、纱线、织物一套类似纺织行业一样的测试设备。对于基体和复合材料的拉、压、弯、剪的力学性能，用一般万能试验机，对于不同产品，不同用户，采用不同的吨位和机型即可，5吨、10吨的较常用，如英斯特朗的5900系列静态电子万能试验机。
　　对于冲击，有不同型号冲击试验机，功能较全的，如英斯特朗的CEAST9300系列落锺冲击示波试验机。还有专门的疲劳试验机，如英斯特朗FAST TRACK5900系列电液伺服动态疲劳试验机。
　　对于大管子的压缩性能，有大行程的拉、压试验机。
　　测试手段中，除试验机外，很重要的是要有一套适应不同成型工艺的玻璃钢／复合材料力学性能测试的夹具和测变形仪器，在各有关的国家标准中都有规定。目前，如英斯特朗公司生产的均有较高的自动化水平的配件。

3　测试方法

玻璃钢／复合材料力学性能的测试方法包括增强材料、基体及复合材料的测试方法。
       3.1　增强材料
　　目前增强材料主要的是玻璃纤维和碳纤维，测试方法有GB／T 7690.3“玻璃纤维强度断裂伸长的测定”和GB／T3362"碳纤维复丝拉伸性能试验方法”。
       3.2　基体
　　复合材料的基体有很多种类，主要有聚合物、碳基、陶瓷基、金属基。聚合物基体中用得最多的是树脂，有专门一套力学性能测试方法，如GB／T 2567～GB／T 2571及GB／T 4726，包括拉伸、压缩、弯曲和冲击性能的测试方法。对于其它均匀材料基体，可以采用相应材料的测试方法。
       3.3　复合材料
　　由于玻璃钢／复合材料具有各向异性的特点，其测试方法有许多与常规材料不同的独到之处。同一个力学性能，有不同的试样形状和尺寸，有不同的测试夹具和方法。
       3.3.1　拉伸性能测试
　　按玻璃钢／复厶材料的成型工艺及铺层设计，其拉伸性能的测试方法是不同的，有以下几种：
　　(1)纤维缠绕增强塑料环形试样拉伸试验方法：GB／T 1458。
　　(2)纤维增强塑料拉伸性能试验方法：GB／T 1447。
　　(3)定向纤维增强塑料拉伸性能试验方法：GB／T 3354。
　　(4)纤维增强热固性塑料管轴向拉伸性能试验方法：GB／T 5349。
　　(5)拉挤玻璃纤维增强塑料杆拉伸性能试验方法：GB／T 13096.1。
　　(6)玻璃纤维增强塑料层合板层间拉伸强度试验方法：GB／T 4944。
       3.3.2　压缩性能测试
　　(1)纤维增强塑料压缩性能试验方法：GB／T 1448。
　　(2)单向纤维增强塑料平板压缩性能试验方法：GB／T 3856。
　　(3)纤维增强塑料薄层板压缩性能试验方法：GB／T 5258。
　　(4)纤维增强热固性塑料管轴向压缩性能试验方法：GB／T 5350。
　　(5)纤维增强热固性塑料管平行板外载性能试验方法：GB／T 5352。
　　(6)纺织玻璃纤维无捻粗纱棒状复合材料压缩强度的测定：GB／T 14209。
       3.3.3　弯曲性能测试
　　(1)纤维增强塑料弯曲性能试验方法：GB／T 1449。
　　(2)单向纤维增强塑料弯曲性能试验方法：GB／T 3356。
　　(3)拉挤玻璃纤维增强塑料杆弯曲性能试验方法：GB／T 13096.2。
　　(4)纺织玻璃纤维无捻粗纱棒状复合材料弯曲强度的测定：GB／T 14208。
       3.3.4　剪切性能测试
　　(1)纤维增强塑料层间剪切强度试验方法：GB／T 1450.1。
　　(2)纤维增强塑料冲压式剪切强度试验方法：GB／T 1450.2。
　　(3)纤维增强塑料环形试样剪切试验方法：GB／T 1461。
　　(4)纤维增强塑料纵横剪切试验方法：GB／T 3355。此方法，同时可以测出45°方向的性能及泊松比等。
　　(5)拉挤玻璃纤维增强塑料杆面内剪切强度试验方法：GB／T 13096.3。
　　(6)拉挤玻璃纤维增强塑料表观水平剪切强度短梁剪切试验方法：GB／T 13096.4。
　　(7)单向纤维增强塑料层间剪切强度试验方法：GB／T 3357(JC／T 773)。
       3.3.5　冲击强度测试
　　纤维增强塑料简支梁式冲击韧性试验方法：GB／T 1451。
　　有关落锺冲击试验，上海玻璃钢研究院有限公司已有英斯特朗落锺冲击试验机，有待制订有关试验方法国标。
       3.3.6　蠕变、疲劳等测试
　　有待今后完善有关试验方法国标。
       3.4　夹层结构
　　夹层结构大大提高产品的弯曲刚度和强度，已广泛应用于航空航天、建筑、交通、能源等各部门。夹层结构的测试方法有其独特之处，对试验设备要求较高。我国的一套夹层结构性能试验方法国标，优于国际上先进国家的有关标准，国际ISO还无此标准，我们正准备向ISO推荐我国的国家标准。有平拉、平压、剪切、侧压、弯曲、滚筒剥离等国标；GB／T1452～GB／T1457等。其中，特别是侧压性能、弯曲性能的国标，比美国ASTM的有关标准优越和实用许多。

4　需求和展望

      随着我国玻璃钢／复合材料产量逐渐取代美国，占世界第一，特别是在能源部门的应用，如风电行业。我国风力发电量已是世界上最大的国家，在风电行业，使用玻璃钢／复合材料的量是很大的，同时，要达到风力发电的最高效率，对玻璃钢／复合材料的力学性能要求特别高及很全面，不仅要求有较全面的静态力学性能，更需要动态疲劳性能和长期力学性能，因此对试验机的要求很高，也很全面，英斯特朗公司生产的试验机能满足这需求。
　　玻璃钢／复合材料不同于普通的均质材料，有较高的疲劳极限和抗振性能。产品中若有裂纹，有一个缓慢开裂过程，不像金属材料产品，一出现裂纹，产品马上失效或破坏。因此，为了更好、更全面地测试和研究玻璃钢／复合材料的真实力学性能及受力的整个过程的特性，我们展望今后试验机具备有声发射和透视功能，为世界的新材料的开发研究作出贡献。