高低溫萬能試驗機：解析單向碳-環氧復合材料的高溫拉伸性能

在追求輕量化與高性能的今天，碳纖維增強環氧樹脂復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，牢牢占據了航空航天、高端裝備等領域的核心地位。

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

本文科準測控小編將深入探討單向碳纖維-環氧復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、設備及完整流程，為相關領域的研究與質量控制提供專業參考。

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境下的力學性能，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合力的變化，以及基體軟化對纖維協同承載能力的影響。

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

二、 測試標準

ASTM D3039： 《聚合物基復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合材料的試驗條件》。

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

三、 測試儀器與設備

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，內部有加熱和制冷系統，可在寬溫范圍內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桿。

3、測量系統

A、高溫接觸式引伸計

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

四、 測試流程

1、試樣制備

根據標準，從通過絲纏繞工藝制備的高纖維體積分數（~60%）單向碳-環氧層壓板上，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），以防止應力集中，確保試樣在標距段內破壞。

2、設備準備

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域。

根據測試方案，在試樣標距段內粘貼好引伸計或雙軸應變片。

3、裝夾與穩定

將試樣牢固地裝入夾具中，確保對中良好。

關閉環境箱門，在控制軟件中設定目標溫度（如0°C, 25°C, 90°C, 110°C）。

啟動溫控系統，待箱內溫度達到設定值并穩定至少10-15分鐘，以確保試樣整體溫度均勻。

4、執行測試

在軟件中設置測試參數，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。數據采集系統同步記錄載荷、位移、應變（軸向和橫向）數據。

5、數據采集與結果分析

測試持續進行，直至試樣完全斷裂。

軟件自動生成應力-應變曲線，并計算出關鍵力學性能參數：

拉伸強度

彈性模量（軸向、橫向）

泊松比

斷裂伸長率

每個溫度條件下應進行至少3-5次有效重復實驗，以保證數據的統計可靠性。

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重要。

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