在追求輕量化與高性能的今天，碳纖維增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料無疑是材料界的“明星”。它以其卓越的比強度、比剛度和出色的耐疲勞性能，牢牢占據(jù)了航空航天、高端裝備等領(lǐng)域的核心地位。

然而，當這些先進復(fù)合材料應(yīng)用于高速飛行器、發(fā)動機部件等極端環(huán)境時，高溫便成為其性能穩(wěn)定性的嚴峻考驗。盡管碳纖維本身耐高溫，但作為“骨架”的環(huán)氧樹脂基體卻對溫度極為敏感。理解材料在高溫下的力學(xué)行為，是確保其安全服役的關(guān)鍵。

本文科準測控小編將深入探討單向碳纖維-環(huán)氧復(fù)合材料在不同溫度下的拉伸測試，詳細解析其測試原理、標準、設(shè)備及完整流程，為相關(guān)領(lǐng)域的研究與質(zhì)量控制提供專業(yè)參考。

一、 測試原理

高溫拉伸測試的核心目的在于評估材料在特定高溫環(huán)境下的力學(xué)性能，包括拉伸強度、彈性模量、斷裂伸長率以及泊松比等。

縱向（纖維方向）拉伸：性能主要由高強度、高模量的碳纖維控制。高溫下，測試主要考察纖維與基體界面結(jié)合力的變化，以及基體軟化對纖維協(xié)同承載能力的影響。

橫向（垂直纖維方向）拉伸：性能幾乎完全由較弱的環(huán)氧樹脂基體及其與纖維的界面控制。溫度升高會導(dǎo)致樹脂從“玻璃態(tài)”向“橡膠態(tài)”轉(zhuǎn)變，模量和強度急劇下降，這是測試關(guān)注的重點。

二、 測試標準

ASTM D3039： 《聚合物基復(fù)合材料拉伸性能的標準試驗方法》。

ISO 527-4/5： 《塑料 拉伸性能的測定 第4/5部分：各向同性和正交各向異性纖維增強復(fù)合材料的試驗條件》。

GB/T 3354： 《定向纖維增強聚合物基復(fù)合材料拉伸性能試驗方法》（中國國家標準）。

三、 測試儀器與設(shè)備

1、高低溫萬能試驗機

（示意圖）

縱向測試：通常需要高載荷萬能試驗機（如100kN以上），并配備氣動夾具，通過高壓氣體驅(qū)動楔形夾塊，提供均勻且強大的夾緊力，有效防止高強度試樣在夾具內(nèi)滑脫或提前破壞。

橫向測試：可使用標準萬能材料試驗機（如10kN或50kN），配備機械夾具或液壓夾具即可滿足要求。

2、高低溫試驗箱

該箱體緊密安裝在試驗機機架上，內(nèi)部有加熱和制冷系統(tǒng)，可在寬溫范圍內(nèi)精確控制和維持測試溫度。

箱體通常配有觀察窗，并開有專門的通孔，用于安裝夾具和引伸計導(dǎo)桿。

3、測量系統(tǒng)

A、高溫接觸式引伸計

B、應(yīng)變片：尤其適用于高溫環(huán)境或需要測量泊松比的場景。將電阻應(yīng)變片（通常采用雙軸應(yīng)變片，一片測量軸向應(yīng)變，一片測量橫向應(yīng)變）粘貼在試樣上，可直接測量局部應(yīng)變，并精確計算泊松比。

四、 測試流程

1、試樣制備

根據(jù)標準，從通過絲纏繞工藝制備的高纖維體積分數(shù)（~60%）單向碳-環(huán)氧層壓板上，用水射流或金剛石砂輪切割機加工出標準狗骨狀或矩形條狀試樣。

在試樣兩端粘貼加強片（通常為玻璃纖維或鋁制），以防止應(yīng)力集中，確保試樣在標距段內(nèi)破壞。

2、設(shè)備準備

將合適的夾具（氣動或機械）安裝到試驗機上。

安裝高低溫試驗箱，并確保其能包圍住試樣工作區(qū)域。

根據(jù)測試方案，在試樣標距段內(nèi)粘貼好引伸計或雙軸應(yīng)變片。

3、裝夾與穩(wěn)定

將試樣牢固地裝入夾具中，確保對中良好。

關(guān)閉環(huán)境箱門，在控制軟件中設(shè)定目標溫度（如0°C, 25°C, 90°C, 110°C）。

啟動溫控系統(tǒng)，待箱內(nèi)溫度達到設(shè)定值并穩(wěn)定至少10-15分鐘，以確保試樣整體溫度均勻。

4、執(zhí)行測試

在軟件中設(shè)置測試參數(shù)，包括加載速率（通常為1-2 mm/min）。

啟動測試程序，試驗機開始施加拉伸載荷。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同步記錄載荷、位移、應(yīng)變（軸向和橫向）數(shù)據(jù)。

5、數(shù)據(jù)采集與結(jié)果分析

測試持續(xù)進行，直至試樣完全斷裂。

軟件自動生成應(yīng)力-應(yīng)變曲線，并計算出關(guān)鍵力學(xué)性能參數(shù)：

拉伸強度

彈性模量（軸向、橫向）

泊松比

斷裂伸長率

每個溫度條件下應(yīng)進行至少3-5次有效重復(fù)實驗，以保證數(shù)據(jù)的統(tǒng)計可靠性。

6、失效模式分析

記錄并觀察試樣的破壞形貌，分析其失效模式（如纖維拉斷、界面脫粘、基體開裂等），這對于理解溫度對材料性能的影響機理至關(guān)重要。

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