《纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料單向?qū)雍习迤叫欣w維方向壓縮性能試驗(yàn)方法》編制說明

《纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料單向?qū)雍习?/p>

平行纖維方向壓縮性能試驗(yàn)方法》

編制說明

1、工作簡(jiǎn)況

制定本標(biāo)準(zhǔn)任務(wù)來源于CSTM標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)航空材料領(lǐng)域委員會(huì)2019年下達(dá)的

計(jì)劃，標(biāo)準(zhǔn)計(jì)劃編號(hào)為CSTMLX530400287-2019。2019年開始制定工作，2020

年完成。

本標(biāo)準(zhǔn)的主編單位為中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院，參編單位有中國(guó)航發(fā)商

用航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司和沈陽飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司。2019年7月成

立標(biāo)準(zhǔn)制定項(xiàng)目組，項(xiàng)目組成員及單位詳見表1。

表1標(biāo)準(zhǔn)制定項(xiàng)目組成員及單位

序號(hào)單位姓名職稱分工

1方案制定、標(biāo)準(zhǔn)編寫、驗(yàn)證

中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院陳新文高工

試驗(yàn)

2中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院王海鵬高工驗(yàn)證試驗(yàn)、數(shù)據(jù)處理

3中國(guó)航空制造技術(shù)研究院包建文研究員數(shù)據(jù)分析、技術(shù)討論

4中國(guó)第一飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院楊利研究員數(shù)據(jù)分析、技術(shù)討論

5中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院鄧立偉高工標(biāo)準(zhǔn)資料收集、驗(yàn)證試驗(yàn)

6標(biāo)準(zhǔn)資料收集、組織初稿討

中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院馬麗婷高工

論

7沈陽飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司楊國(guó)騰研究員標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)內(nèi)容分析討論

8標(biāo)準(zhǔn)資料收集、組織初稿討

中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院王雅娜工程師

論

9中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院楊洋工程師驗(yàn)證試驗(yàn)和分析

10中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院王翔工程師試驗(yàn)和數(shù)據(jù)處理

2、標(biāo)準(zhǔn)化對(duì)象簡(jiǎn)要情況及制修訂標(biāo)準(zhǔn)的原則

2.1標(biāo)準(zhǔn)化對(duì)象簡(jiǎn)要情況

壓縮試驗(yàn)的目的是獲得復(fù)合材料壓縮強(qiáng)度、壓縮模量和壓縮破壞應(yīng)變等性能，

壓縮強(qiáng)度和模量是復(fù)合材料研制和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所需的重要力學(xué)參量。

壓縮試驗(yàn)技術(shù)的關(guān)鍵內(nèi)容在于兩個(gè)方面：一是壓縮試驗(yàn)過程中試樣不能發(fā)生

明顯的彎曲變形，亦即試樣應(yīng)在壓縮應(yīng)力作用下發(fā)生破壞，而不是在彎矩作用下

發(fā)生破壞；二是壓縮失效模式應(yīng)正確，失效位置應(yīng)在試樣工作段，所測(cè)定的壓縮

強(qiáng)度應(yīng)能反映纖維的高性能特點(diǎn)，對(duì)于復(fù)合材料單向板平行纖維方向的壓縮強(qiáng)度

試驗(yàn)，失效模式應(yīng)考慮實(shí)際結(jié)構(gòu)中復(fù)合材料不同纖維方向?qū)娱g的約束。

GB/T1448-2005、ASTM/D695-96和ISO604-2002是塑料壓縮性能試驗(yàn)方法，

最嚴(yán)重的缺陷是對(duì)壓縮過程中試驗(yàn)的屈曲變形沒有監(jiān)測(cè)，沒有試驗(yàn)有效性判斷內(nèi)

容；GB/T3856-2005、HB5485-91和ASTMD3410-94是通過夾具與試樣摩擦引

入壓縮應(yīng)力，同樣沒有試驗(yàn)有效性判斷內(nèi)容；GB/T5258-2008實(shí)質(zhì)是對(duì)ASTM

D3410、ASTMD6641和ASTMD695的機(jī)械整合，多種夾具和試樣，造成使用者的

選擇困難。

美國(guó)最新版FAA手冊(cè)CMH-17也推薦采用SRM6-94測(cè)定復(fù)合材料單向板平行

纖維方向壓縮強(qiáng)度，并指出該方法存在需要另外試樣測(cè)定壓縮模量的缺點(diǎn)，而且

不能獲得壓縮破壞應(yīng)變。

Q/6S3071-2016借鑒了SRM6-94成功測(cè)試和評(píng)定了T800級(jí)碳纖維增強(qiáng)聚

合物基復(fù)合材料單向?qū)雍习迤叫欣w維方向的壓縮強(qiáng)度，正確表征了其抗壓能力明

顯高于T300級(jí)碳纖維復(fù)合材料的客觀特性。

2.2制修訂標(biāo)準(zhǔn)的原則

制定本標(biāo)準(zhǔn)須堅(jiān)持兩點(diǎn)原則：

（1）符合GB/T1.1-2009規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)和編寫規(guī)則；

（2）技術(shù)內(nèi)容合理：對(duì)影響試驗(yàn)結(jié)果的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)應(yīng)定量監(jiān)測(cè)，如：對(duì)

壓縮試驗(yàn)中試樣不能有明顯屈曲變形，須規(guī)定定量的監(jiān)測(cè)方法。

3、采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)外先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)情況

本標(biāo)準(zhǔn)關(guān)鍵技術(shù)等效采用美國(guó)的SRM6-94，主要指采用正交鋪層復(fù)合材料

試樣獲得單向復(fù)合材料層合板0°方向壓縮強(qiáng)度的方式?，F(xiàn)有壓縮方法均直接采

用單向復(fù)合材料層合板來獲得0°方向壓縮強(qiáng)度，這些方法均基于早期T300級(jí)

碳纖維復(fù)合材料而制定，隨著T300級(jí)碳纖維工藝的改善提升，以及新型高強(qiáng)高

韌性纖維（如：T800、T1000等）的不斷推陳出新，現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外壓縮性能標(biāo)準(zhǔn)試

驗(yàn)方法已不能正確表征和測(cè)定當(dāng)前纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料單向?qū)雍习宓膲?/p>

縮強(qiáng)度，主要表現(xiàn)在試樣設(shè)計(jì)不合理，導(dǎo)致不合理的失效模式，不能獲得真實(shí)的

壓縮強(qiáng)度，比起低級(jí)別碳纖維復(fù)合材料，不能體現(xiàn)高強(qiáng)纖維復(fù)合材料抗壓縮能力

的優(yōu)勢(shì)，如：按照現(xiàn)有大部分方法獲得的單向?qū)雍习鍓嚎s強(qiáng)度T800復(fù)合材料與

T300復(fù)合材料差不多，實(shí)際上T800纖維的拉伸強(qiáng)度可達(dá)5500MPa以上，T300

纖維的拉伸強(qiáng)度才3500MPa。

航材院借鑒SRM6-94技術(shù)思路，借鑒ASTMD6641的試樣形式和對(duì)試樣屈曲

程度定量監(jiān)測(cè)的內(nèi)容，并結(jié)合大量研究成果編制了“Q/6S3701-2016T800級(jí)碳

纖維單向復(fù)合材料平行纖維方向壓縮性能試驗(yàn)方法”，通過該方法獲得了合理的

T800復(fù)合材料單向?qū)雍习?°壓縮性能數(shù)據(jù)。

當(dāng)前，GB/T1448-2005纖維增強(qiáng)塑料壓縮性能試驗(yàn)方法是基于美國(guó)的塑料

性能壓縮試驗(yàn)方法ASTM/D695-96和ISO604-2002而制定，試樣形式為橫截面為

矩形或圓形的柱體，厚度或直徑至少4mm，截面尺寸偏大，壓縮破壞載荷會(huì)很大，

給試樣加工和試驗(yàn)都帶來很大難度，最嚴(yán)重的缺陷為沒有試驗(yàn)有效性判斷內(nèi)容；

GB/T3856-200單向纖維增強(qiáng)塑料平板壓縮性能試驗(yàn)方法是基于ASTMD3410-94

制定，工作段偏長(zhǎng)，試樣寬度偏小，剪切加載方式也導(dǎo)致試驗(yàn)過程中試樣經(jīng)常出

現(xiàn)打滑情況，試驗(yàn)成功率低，同樣沒有試驗(yàn)有效性判斷內(nèi)容；GB/T5258-2008

纖維增強(qiáng)塑料面內(nèi)壓縮性能試驗(yàn)方法是參照ISO14126-1999而制定，實(shí)質(zhì)上是對(duì)

當(dāng)時(shí)ASTMD3410、ASTMD6641和ASTMD695的整合，提供了4種夾具3種試樣，

造成使用者的選擇困難；HB5485-91碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料薄板壓縮性能

試驗(yàn)方法推薦夾具復(fù)雜且沒有有效性判斷內(nèi)容；Q/6S3071-2016借鑒了SRM6-94

成功測(cè)試和評(píng)定了T800級(jí)碳纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料單向?qū)雍习宓膲嚎s強(qiáng)度，

正確表征了其抗壓能力明顯高于T300級(jí)碳纖維復(fù)合材料的客觀特性。

美國(guó)ASTMD695-2015是硬質(zhì)塑料壓縮性能試驗(yàn)方法，缺點(diǎn)是不適用于高強(qiáng)

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，易端頭壓潰；ASTMD3410-2016為剪切加載型夾具，缺點(diǎn)與

GB/T3856一樣；ASTMD6641-2016為端頭正壓加載和加強(qiáng)片剪切加載，對(duì)于高強(qiáng)

纖維復(fù)合材料易出現(xiàn)試樣端頭壓潰、劈裂等失效模式不合理，存在不能正確表征

高強(qiáng)纖維復(fù)合材料單向?qū)雍习鍓嚎s強(qiáng)度的缺點(diǎn)；SRM1R-94類似于ASTMD695采

用試樣端部加載方式，測(cè)試強(qiáng)度和模量需要兩根試樣進(jìn)行，存在與ASTMD695

一樣的缺點(diǎn)；SRM6-94采用正交鋪設(shè)層合板試樣，利用經(jīng)典層合板理論獲得單

向復(fù)合材料平行纖維方向壓縮強(qiáng)度，能夠客觀地區(qū)分開高強(qiáng)纖維單向?qū)雍习迮c

T300級(jí)碳纖維單向?qū)雍习迤叫欣w維方向的壓縮強(qiáng)度。

美國(guó)最新版FAA手冊(cè)CMH-17也闡述了美國(guó)其他壓縮方法的缺點(diǎn)，同時(shí)也推

薦采用SRM6-94測(cè)定復(fù)合材料單向板平行纖維方向壓縮強(qiáng)度，并指出該方法存

在缺點(diǎn)：需要另外測(cè)定壓縮模量，不能獲得壓縮破壞應(yīng)變。

航材院制定Q/6S3071-2016初衷雖然是為了解決T800復(fù)合材料的問題，但

是從理論上講可以將該方法推廣應(yīng)用到各種性質(zhì)的纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料，

需要做些推廣方面的試驗(yàn)驗(yàn)證工作。

4、標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容確定依據(jù)

4.1范圍

雖然本標(biāo)準(zhǔn)最初解決的是新型高強(qiáng)高韌性纖維（如：T800、T1000等）增強(qiáng)

聚合物基復(fù)合材料的問題，但是力學(xué)原理相同，可以推廣的其他纖維增強(qiáng)復(fù)合材

料單向板0°壓縮性能試驗(yàn)。

4.2試樣

試樣鋪層形式借鑒SRM6-94，試樣尺寸借鑒ASTMD6641。

4.3試驗(yàn)過程

加載速率借鑒ASTMD6641；在試樣兩面上粘貼應(yīng)變計(jì)以監(jiān)測(cè)試樣彎曲百分

比，并通過彎曲百分比判斷試驗(yàn)結(jié)果有效性也是借鑒ASTMD6641。

4.4有效性判斷

試驗(yàn)有效性判斷方法借鑒ASTMD6641。

4.5試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算

試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算方法是本標(biāo)準(zhǔn)區(qū)別于其他壓縮方法的核心內(nèi)容，用正交鋪層板

的壓縮強(qiáng)度來換算單向板0°壓縮強(qiáng)度，用單向板直接測(cè)定0°壓縮模量，以上

關(guān)鍵技術(shù)內(nèi)容借鑒SRM6-94。

5、主要試驗(yàn)（或驗(yàn)證）結(jié)果的分析

用該方法對(duì)T800/雙馬復(fù)合材料[90o/0o]4S正交板板壓縮性能進(jìn)行測(cè)定，可

見[90o/0o]4S破壞斷口呈現(xiàn)典型的壓剪破壞，并且均未有纖維屈曲的特征，斷

口放大圖和1所示。

(a)5個(gè)試驗(yàn)件壓縮破壞斷口(b)斷口放大圖

圖1[90o/0o]4S正交板壓縮破壞模式

表1為T800/雙馬復(fù)合材料正交板在23℃下的壓縮性能數(shù)據(jù)，查閱相應(yīng)材料

的單向板0°和90°數(shù)據(jù)知悉單向板0°和90°拉伸模量均值111GPa和9.8GPa，

計(jì)算得到反推系數(shù)為1.896，計(jì)算獲得T800/雙馬復(fù)合材料單向板0°壓縮強(qiáng)度

為1630MPa，這符合美國(guó)相應(yīng)材料的指標(biāo)值。

表1T800/雙馬復(fù)合材料，23℃，正交板壓縮

寬度厚度最大載荷壓縮強(qiáng)度正則化強(qiáng)度壓縮模量正則化模量破壞應(yīng)變

試驗(yàn)編號(hào)

mmmmNMPaMPaGPaMPaμ?

112.132.3220.673385064.174.411789

212.122.3521.374787866.878.511982

312.142.3820.069482664.476.612689

412.132.3421.274687363.674.413621

512.122.3222.881194166.477.116460

平均值12.132.3421.274687365.076.013518

標(biāo)準(zhǔn)差0.010.020.9237.738.41.321.641778

Cv，%0.070.974.335.054.392.022.1613.15

本標(biāo)準(zhǔn)在后續(xù)編制過程中還計(jì)劃通過其他方法對(duì)核心技術(shù)內(nèi)容進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)

證思路如下：通過由正交板獲得的單向板0°壓縮強(qiáng)度數(shù)值進(jìn)行多向板強(qiáng)度設(shè)計(jì)，

然后由試驗(yàn)驗(yàn)證多向板的壓縮強(qiáng)度與設(shè)計(jì)計(jì)算的一致性。

6、與有關(guān)的現(xiàn)行的方針、政策、法律、法規(guī)和強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)系

本標(biāo)準(zhǔn)不違反現(xiàn)行的方針、政策、法律、法規(guī)，與強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)不沖突。

7、重大分歧意見的處理經(jīng)過和依據(jù)

無。

8、預(yù)期的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效果

本標(biāo)準(zhǔn)解決了高強(qiáng)纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料的單向板0°壓縮強(qiáng)度測(cè)量

問題，也可推廣應(yīng)用至其他纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。復(fù)合材料的單向板0°壓縮強(qiáng)度

是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所需重要力學(xué)性能，該標(biāo)準(zhǔn)方法對(duì)單向板0°壓縮強(qiáng)度的準(zhǔn)

確表征和測(cè)定，必將促進(jìn)相關(guān)復(fù)合材料的應(yīng)用，為復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供基礎(chǔ)

技術(shù)支持。

9、貫徹標(biāo)準(zhǔn)的要求和措施建議

建議會(huì)議形式組織對(duì)本標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行宣貫，以促進(jìn)對(duì)本標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)同和使用。

10、廢止有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的建議

無。

11、標(biāo)準(zhǔn)涉及專利情況說明

無。

12、重要需要說明的事項(xiàng)

無

CSTM團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)

編制說明

標(biāo)準(zhǔn)名稱纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料單向?qū)雍习迤?/p>

行纖維方向壓縮性能試驗(yàn)方法

主編單位中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院

計(jì)劃編號(hào)

填報(bào)時(shí)間

《纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料單向?qū)雍习?/p>

平行纖維方向壓縮性能試驗(yàn)方法》

編制說明

1、工作簡(jiǎn)況

制定本標(biāo)準(zhǔn)任務(wù)來源于CSTM標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)航空材料領(lǐng)域委員會(huì)2019年下達(dá)的

計(jì)劃，標(biāo)準(zhǔn)計(jì)劃編號(hào)為CSTMLX530400287-2019。2019年開始制定工作，2020

年完成。

本標(biāo)準(zhǔn)的主編單位為中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院，參編單位有中國(guó)航發(fā)商

用航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司和沈陽飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司。2019年7月成

立標(biāo)準(zhǔn)制定項(xiàng)目組，項(xiàng)目組成員及單位詳見表1。

表1標(biāo)準(zhǔn)制定項(xiàng)目組成員及單位

序號(hào)單位姓名職稱分工

1方案制定、標(biāo)準(zhǔn)編寫、驗(yàn)證

中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院陳新文高工

試驗(yàn)

2中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院王海鵬高工驗(yàn)證試驗(yàn)、數(shù)據(jù)處理

3中國(guó)航空制造技術(shù)研究院包建文研究員數(shù)據(jù)分析、技術(shù)討論

4中國(guó)第一飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院楊利研究員數(shù)據(jù)分析、技術(shù)討論

5中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院鄧立偉高工標(biāo)準(zhǔn)資料收集、驗(yàn)證試驗(yàn)

6標(biāo)準(zhǔn)資料收集、組織初稿討

中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院馬麗婷高工

論

7沈陽飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司楊國(guó)騰研究員標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)內(nèi)容分析討論

8標(biāo)準(zhǔn)資料收集、組織初稿討

中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院王雅娜工程師

論

9中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院楊洋工程師驗(yàn)證試驗(yàn)和分析

10中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院王翔工程師試驗(yàn)和數(shù)據(jù)處理

2、標(biāo)準(zhǔn)化對(duì)象簡(jiǎn)要情況及制修訂標(biāo)準(zhǔn)的原則

2.1標(biāo)準(zhǔn)化對(duì)象簡(jiǎn)要情況

壓縮試驗(yàn)的目的是獲得復(fù)合材料壓縮強(qiáng)度、壓縮模量和壓縮破壞應(yīng)變等性能，

壓縮強(qiáng)度和模量是復(fù)合材料研制和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所需的重要力學(xué)參量。

壓縮試驗(yàn)技術(shù)的關(guān)鍵內(nèi)容在于兩個(gè)方面：一是壓縮試驗(yàn)過程中試樣不能發(fā)生

明顯的彎曲變形，亦即試樣應(yīng)在壓縮應(yīng)力作用下發(fā)生破壞，而不是在彎矩作用下

發(fā)生破壞；二是壓縮失效模式應(yīng)正確，失效位置應(yīng)在試樣工作段，所測(cè)定的壓縮

強(qiáng)度應(yīng)能反映纖維的高性能特點(diǎn)，對(duì)于復(fù)合材料單向板平行纖維方向的壓縮強(qiáng)度

試驗(yàn)，失效模式應(yīng)考慮實(shí)際結(jié)構(gòu)中復(fù)合材料不同纖維方向?qū)娱g的約束。

GB/T1448-2005、ASTM/D695-96和ISO604-2002是塑料壓縮性能試驗(yàn)方法，

最嚴(yán)重的缺陷是對(duì)壓縮過程中試驗(yàn)的屈曲變形沒有監(jiān)測(cè)，沒有試驗(yàn)有效性判斷內(nèi)

容；GB/T3856-2005、HB5485-91和ASTMD3410-94是通過夾具與試樣摩擦引

入壓縮應(yīng)力，同樣沒有試驗(yàn)有效性判斷內(nèi)容；GB/T5258-2008實(shí)質(zhì)是對(duì)ASTM

D3410、ASTMD6641和ASTMD695的機(jī)械整合，多種夾具和試樣，造成使用者的

選擇困難。

美國(guó)最新版FAA手冊(cè)CMH-17也推薦采用SRM6-94測(cè)定復(fù)合材料單向板平行

纖維方向壓縮強(qiáng)度，并指出該方法存在需要另外試樣測(cè)定壓縮模量的缺點(diǎn)，而且

不能獲得壓縮破壞應(yīng)變。

Q/6S3071-2016借鑒了SRM6-94成功測(cè)試和評(píng)定了T800級(jí)碳纖維增強(qiáng)聚

合物基復(fù)合材料單向?qū)雍习迤叫欣w維方向的壓縮強(qiáng)度，正確表征了其抗壓能