什么是復(fù)合材料?

復(fù)合材料或纖維增強(qiáng)復(fù)合材料由至少兩種可區(qū)分的材料組成，這些材料組合的基本目的是提高材料性能。纖維結(jié)構(gòu)通常嵌入樹脂（基體材料）中，然后固化。

為實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，會(huì)將纖維和纖維束被加工成紡織品或織物。用纖維制造的大多數(shù)方法起源于紡織工業(yè)，因此該領(lǐng)域中使用的大多數(shù)術(shù)語(yǔ)也用于增強(qiáng)纖維加工。纖維決定了復(fù)合材料的強(qiáng)度和剛度。與沒(méi)有纖維的同種材料相比，排列纖維的材料的強(qiáng)度要大得多。當(dāng)力垂直于纖維的方向施加時(shí)，剛度的增加不太明顯。這個(gè)方向的強(qiáng)度較低。在應(yīng)用中，在不同方向排列的纖維經(jīng)常被組合在一起。

復(fù)合材料可能的設(shè)計(jì)

纖維對(duì)復(fù)合材料強(qiáng)度的影

復(fù)合材料由什么材料組成？

常用的纖維包括：

• 玻璃纖維（GFRP）
• 碳纖維
• 芳綸纖維（AFRP）
• 陶瓷纖維
• 聚合物纖維
• 礦物纖維
• 天然纖維（NFRP）

所用樹脂包括環(huán)氧樹脂、聚酯樹脂和聚氨酯樹脂。

復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域有哪些？

• 航空工業(yè)（機(jī)身、驅(qū)動(dòng)部件、氣動(dòng)部件等）
• 汽車（底盤部件、空氣動(dòng)力部件）
• 大型車體（火車、卡車和公共汽車）
• 海洋（船體結(jié)構(gòu)）
• 風(fēng)力渦輪機(jī)（轉(zhuǎn)子葉片）
• 運(yùn)動(dòng)器材
• 基礎(chǔ)設(shè)施和建筑物（建筑物維修、玻璃鋼橋梁）
• 醫(yī)學(xué)工程（假肢，X光片）

復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域有哪些？

• 優(yōu)異的強(qiáng)度重量比和燃油效率
• 高強(qiáng)度和彈性彎曲性能
• 材料自由成形（強(qiáng)度、剛度、熱阻、電阻、形狀、功能）
• 耐溫性
• 耐化學(xué)性
• 高耐腐蝕性

為何要對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行應(yīng)變測(cè)量？

復(fù)合材料和結(jié)構(gòu)的特性對(duì)于確保材料耐久性至關(guān)重要。為了達(dá)到這個(gè)目的，必須進(jìn)行不同的測(cè)試。測(cè)量構(gòu)件變形是非常必要的。材料的應(yīng)變是決定損傷效應(yīng)和耐久性的關(guān)鍵因素。

1. 試驗(yàn)臺(tái)或現(xiàn)場(chǎng)構(gòu)件/結(jié)構(gòu)耐久性確定
2. 標(biāo)準(zhǔn)化試樣材料性能的測(cè)定。復(fù)合材料有許多不同的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，涉及應(yīng)變片的使用。典型的測(cè)試包括：

• 彎曲試驗(yàn)（3點(diǎn)，4點(diǎn)）
• 拉伸試驗(yàn)
• 剪切試驗(yàn)（層間）
• 搭接剪切（粘合試驗(yàn)）
• 裸眼/實(shí)眼
• 沖擊后壓縮
• 壓縮試驗(yàn)
• 槽鋼沖擊彎曲試驗(yàn)
• 鉆孔承載試驗(yàn)

復(fù)合材料試驗(yàn)的挑戰(zhàn)

計(jì)算結(jié)構(gòu)性能需要復(fù)雜的方法/工具。力學(xué)性能與方向有關(guān)（強(qiáng)度、彈性模量、泊松比等），許多纖維復(fù)合材料的行為與金屬材料相反：材料在不同方向（正交各向異性）具有不同的剛度特性。

這些材料以前的計(jì)算方法只能應(yīng)用于特定情況（如 Tsai Wu）。沒(méi)有通用的計(jì)算方法，也沒(méi)有類似于FKM金屬構(gòu)件指南標(biāo)準(zhǔn)。由于是層合板結(jié)構(gòu)，包括準(zhǔn)各向同性層合板。目前，復(fù)合材料的一些計(jì)算方法已經(jīng)發(fā)展出來(lái)。

另一個(gè)挑戰(zhàn)是將應(yīng)變信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械應(yīng)力：

• 損傷/失效機(jī)制復(fù)雜
• - 中間纖維斷裂
• - 分層
• - 裂紋與纖維平行
• 一般來(lái)說(shuō)，制造公差較難控制
• - 纖維取向
• - 矩陣偏移
• - 中間纖維化合物
• - 樹脂堆積
• - 異物
• - 孔隙率
• - 批量變化
• 比傳統(tǒng)金屬材料更貴
• 溫度敏感
• 對(duì)紫外線敏感
• 難回收
• 高投資成本（生產(chǎn)）

此外還必須考慮熱彈性效應(yīng)：

• 熱導(dǎo)率降低：復(fù)合材料的熱導(dǎo)率低于傳統(tǒng)金屬
• 熱系數(shù)殘余應(yīng)力（例如混合結(jié)構(gòu)）和各向異性材料行為的差異

HBK推薦哪些應(yīng)變片用于復(fù)合材料測(cè)量？

這取決于測(cè)試應(yīng)用：

• 我們建議使用Y系列（最大5%應(yīng)變）進(jìn)行靜態(tài)、高應(yīng)變和試片試驗(yàn)
• 我們建議使用M系列（最大1%應(yīng)變）進(jìn)行交變載荷試驗(yàn)

我們建議對(duì)復(fù)合材料使用預(yù)接線 Y 系列應(yīng)變片 ，因?yàn)閺?fù)合材料對(duì)典型焊接溫度具有臨界響應(yīng)。大部分復(fù)合材料應(yīng)變片均備有庫(kù)存。

• 單直片通常用于結(jié)構(gòu)和樣品測(cè)試
• T 型應(yīng)變花用于確定泊松比
• 也可使用3柵應(yīng)變花; 但是，僅建議使用均勻材料來(lái)確定主應(yīng)變和應(yīng)力方向

選擇測(cè)量柵絲長(zhǎng)度

應(yīng)變片測(cè)量表面下的所有應(yīng)變值，然后求出平均應(yīng)變。正確的測(cè)量柵絲長(zhǎng)度取決于測(cè)試件。柵絲長(zhǎng)度 6mm 和 10mm 是復(fù)合材料應(yīng)變測(cè)量的常用解決方案。原則上，選擇應(yīng)變片的規(guī)則與混凝土相同：應(yīng)變片長(zhǎng)度應(yīng)至少超過(guò)纖維間隔的5倍。應(yīng)變片的寬度也應(yīng)覆蓋多根纖維。

由于材料的不均勻性，可能出現(xiàn)局部應(yīng)變峰值。在這種情況下，鏈?zhǔn)綉?yīng)變片可用于確定應(yīng)變梯度。通常，纖維之間的應(yīng)力峰值是平均應(yīng)變的倍數(shù)。因此，應(yīng)變片可能在某些點(diǎn)過(guò)載，超過(guò)其最大伸長(zhǎng)率，盡管放大器顯示出更小的應(yīng)變。因此，應(yīng)變片有可能在個(gè)別點(diǎn)過(guò)載（永久損壞）或?qū)е抡麄€(gè)裝置故障。通過(guò)在應(yīng)變片和工件之間插入一層聚酰亞胺薄膜可以消除這個(gè)問(wèn)題。薄膜被粘在元件和應(yīng)變片之間并進(jìn)行初步整合，也就是“平均化”應(yīng)變柵絲的應(yīng)力峰值。 但只有在預(yù)期高應(yīng)變的情況下才應(yīng)使用薄膜。

應(yīng)變片電阻

HBK建議在緩慢冷卻材料上使用1000 歐姆應(yīng)變片。也可以選擇使用 350歐姆應(yīng)變片。但是，建議檢查應(yīng)變片或復(fù)合材料是否存在不允許的溫升。

激勵(lì)電壓

每個(gè)應(yīng)變片上的電壓都會(huì)轉(zhuǎn)換成熱量。纖維復(fù)合材料是導(dǎo)電性差的材料，因此發(fā)熱量更大。為了保證測(cè)量的穩(wěn)定性，熱流Q必須與外加功率P相對(duì)應(yīng)。

P = Q

350 歐姆應(yīng)變片測(cè)量柵絲在緩慢冷卻材料上的發(fā)熱過(guò)程

測(cè)量點(diǎn)中的熱量很容易在金屬一起產(chǎn)生；尤其是與鋁一起，會(huì)導(dǎo)致更高的熱量傳遞。復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)要低得多。

當(dāng)測(cè)量系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，確保在一定的加熱階段后才開始對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行測(cè)量。以下可用于激勵(lì)電壓為5V的四分之一橋應(yīng)用：

• 1000歐姆測(cè)量?jī)x器的升溫時(shí)間約為3至4分鐘
• 120/230歐姆測(cè)量?jī)x器的升溫時(shí)間約為5至6分鐘

對(duì)于復(fù)合材料等冷卻不良的材料，HBK建議使用低于2.5 V的激勵(lì)電壓。較高的激勵(lì)電壓會(huì)導(dǎo)致應(yīng)變片顯著且持續(xù)升溫。這種熱量可能會(huì)在材料中積聚起來(lái)。下圖顯示了350歐姆應(yīng)變片，0.5、2.5、5和10 V 激勵(lì)電壓（DC）之間的差異：

針對(duì)復(fù)合材料的推薦（經(jīng)驗(yàn)）：

• 0.5 V，用于冷卻不良的導(dǎo)電性差的材料
• 一般復(fù)合材料試驗(yàn)為1 V至2.5 V

四分之一橋溫度響應(yīng)匹配

由于長(zhǎng)期測(cè)量過(guò)程中的溫度變化，四分之一橋應(yīng)用需要最佳溫度響應(yīng)匹配。在這種情況下，應(yīng)變片溫度響應(yīng)匹配需要最適合熱膨脹系數(shù)，以最小化熱應(yīng)變信號(hào)。然而，應(yīng)注意的是，由于制造公差（纖維纏繞、層生產(chǎn)、纖維取向、制造方法（自動(dòng)化或手動(dòng)）），材料特性也可能不同，因此只有近似的溫度響應(yīng)匹配系數(shù)，這取決于纖維復(fù)合材料。

通常建議在復(fù)合材料（α=0.5·10-6/K）上使用代號(hào)為6的應(yīng)變片進(jìn)行測(cè)量。這在某些情況下可能有所不同：

表面清潔

• 在用溶劑處理塑料時(shí)要小心，因?yàn)樗鼈兛赡軙?huì)引起膨脹或應(yīng)力腐蝕（例如，丙酮的使用至關(guān)重要）。潮濕或應(yīng)力腐蝕可能產(chǎn)生膨脹風(fēng)險(xiǎn)。
• 白氣和異丙醇在很大程度上被認(rèn)為是不重要的，特別是因?yàn)榻佑|時(shí)間短。
• 在關(guān)鍵情況下，應(yīng)始終進(jìn)行初步試驗(yàn)，因?yàn)橛捎诟男运芰系臄?shù)量非常多，因此無(wú)法作出明確的預(yù)測(cè)。這也適用于使用 RMS1 清潔劑。
• 如有可能，不應(yīng)使用溶劑清潔表面。替代清潔劑包括：
• - 去離子水
• - 石油醚
• - 香皂

表面粗糙化

• 我們建議按如下方法準(zhǔn)備測(cè)量點(diǎn)：用砂布（粒度400 ）粗化，然后用水清洗和沖洗（理想情況下：去離子水）。
• 脫模劑和環(huán)氧填料需要去除（粒度400）
• 稍微粗糙表面以激活功能（提高表面粘合性能）
• 表面等離子體活化也有可能改善鍵合性能

請(qǐng)注意：下層纖維不得因過(guò)度粗化而損壞。

選擇粘合劑并粘合

HBK所有冷固化粘合劑均可用于安裝應(yīng)變片。

• Z70 用于光滑表面
• X60 用于粗糙的復(fù)合材料表面
• X280 適用于高溫（請(qǐng)注意：需要在建議溫度下進(jìn)行固化，見說(shuō)明）

對(duì)于定向纖維，由于正交異性材料的特性，必須正確對(duì)齊應(yīng)變片：

確保將應(yīng)變片精確對(duì)準(zhǔn)材料：

Y系列應(yīng)變片，焊前固定：

1-LY41-6-350 應(yīng)變片，專業(yè)安裝在帶有X60粘合劑的CFRP材料上：

官網(wǎng)：

<HBM應(yīng)變片：應(yīng)力測(cè)試測(cè)量?jī)?yōu)選>

<HBM稱重傳感器：稱重精度，久經(jīng)驗(yàn)證>

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<HBM扭矩傳感器和轉(zhuǎn)矩傳感器>

<電功率測(cè)試 - 從部件到車輛能源管理>

<數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與設(shè)備>

您還可以通過(guò)如下方式聯(lián)系我們，了解更多產(chǎn)品與應(yīng)用詳情：

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電話：400-900-3165（周一至周五9:00-18:00）