碳纤维增强树脂基薄壁复合材料管件压缩性能测试方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及碳纤维增强树脂基复合材料管件压缩性能测试方法，适用于测定壁厚 小于1. 5mm(公称直径小于50mm)和直径与壁厚之比大于50(公称直径为50mm-100mm)的 碳纤维增强复树脂基合材料薄壁管件的机械性能，属于碳纤维增强树脂基复合材料结构性 能测试领域。
【背景技术】
[0002] 碳纤维增强树脂基复合材料杆、管结构是组成复合材料构件的一种典型单元，是 航空、航天器结构中常用的结构组件，大型卫星天线支架等大多采用碳纤维增强树脂基复 合材料管件。
[0003] 碳纤维增强树脂基复合材料管件成型一般采用纤维缠绕、预浸料铺层、拉挤成型、 热缩成型等工艺，不同的工艺方法和铺层设计在力学性能上具有较大的差别。
[0004] 在工程实践中，碳纤维增强树脂基复合材料管件力学性能测试结果不但可以对产 品设计构型和铺层进行优化，而且可用于对产品成型质量的检测。在测试过程中，碳纤维增 强树脂基复合材料管件的壁厚、纤维类型以及试验件的尺寸精度对测试结果均有影响。目 前常用的碳纤维增强树脂基复合材料管件的力学压缩性能测试方法为GB/T 5350-2005《纤 维增强热固性塑料管轴向压缩性能试验方法》。该方法规定了制备试验件的方式，即将待测 管件两端壁厚增加，但对于碳纤维增强树脂基薄壁复合材料管材，采用该方法制备的试验 件进行测试时，由于管壁较薄造成管件结构刚度较差，在加载时容易发生失稳，导致对试样 附加弯矩，造成试样发生弯曲破坏，无法真实测量产品的实际压缩性能。
【发明内容】
[0005] 本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供碳纤维增强树脂基薄壁复 合材料管件压缩性能测试方法，保证了测试时试验件自身的稳定性，从而得到测量产品实 际的压缩性能。
[0006] 本发明的技术解决方案是：碳纤维增强树脂基薄壁复合材料管件压缩性能测试方 法，步骤如下：
[0007] (1)利用机械设备从待测试碳纤维增强树脂基薄壁复合材料管件上截取一段作为 测试用，截取时将管件内腔使用玻璃钢棒垫实，并对截取后得到的测试用管件两个端面铣 加工，保证两个端面平行度0. 05mm ;
[0008] (2)为步骤（1)得到的测试用管件的一端分别加工金属接头，所述金属接头包括 内套筒和外套筒，内套筒外径和测试用管件之间、测试用管件和外套筒内径之间的配合间 隙为单边〇· 1~〇· 2謹；
[0009] (3)测量并计算测试用管件内径和外径平均尺寸、实际制备的内套筒外径平均尺 寸以及外套筒内径平均尺寸，计算内套筒和测试用管件之间以及测试用管件和外套筒之间 相互配合的间隙值；
[0010] (4)根据步骤（3)计算得到的间隙值，选择与待测试碳纤维增强树脂基薄壁复合 材料管件相同牌号和规格的碳纤维丝束，使用胶黏剂浸渍碳纤维丝束，然后将浸渍的碳纤 维丝束缠绕胶接在内套筒外径和测试用管件与外套筒胶接区域的外径上，常温固化24小 时后使用800目水砂纸对碳纤维丝束进行打磨，保证内套筒和测试用管件之间以及测试用 管件和外套筒之间的配合间隙值为单边〇. lmm-〇. 2_ ;
[0011] (5)将胶黏剂均匀涂刷在测试用管件、内套筒、外套筒之间的胶接表面，然后将内 套筒和外套筒胶接在测试用管件一端，常温固化7天；
[0012] (6)重复步骤（2) -（5)，为测试用管件的另一端加工并胶接金属接头；
[0013] (7)利用数控加工设备在胶接好金属接头的测试用管件两端加工出装卡平面，加 工完成后得到压缩试验件；
[0014] (8)在压缩试验件中部径向对称各贴一处应变片，然后将压缩试验件装卡在力学 试验机上；
[0015] (9)运行力学试验机，测定压缩模量时，对压缩试验件进行均匀连续加载，加载速 度为lmm/min~2mm/min，记录载荷值及相应的变形值，并根据载荷值及相应的变形值计算 待测试管件的压缩模量，其中施加的最大载荷不超过材料的弹性变形范围；
[0016] (10)测定压缩强度时，对压缩试验件进行均勾连续加载，加载速度为5mm/min~ 6mm/min，直至试样破坏，记录破坏载荷和位移，并根据破坏载荷计算压缩强度。
[0017] 所述步骤（2)中内套筒为空心圆柱体，其一端带有台阶，用于卡在测试用管件的 端口处，外套筒包括一体成型的空心圆柱体和空心圆台，且外套筒空心圆柱体的一端与内 套筒的台阶相匹配。
[0018] 外套筒中空心圆台的锥角为30度，且圆台上表面的半径与测试用管件的半径之 差在0· 5mm-2mm范围内。
[0019] 所述步骤（4)中将浸渍的碳纤维丝束胶接在内套筒外径和测试用管件外径上的 方式为：浸渍的碳纤维丝束沿圆周方向均布，数量为3~8束。
[0020] 所述步骤（7)中利用数控加工设备在胶接好金属接头的测试用管件两端加工出 装卡平面时，要求每端端面平面度为0. 02mm，且两端端面的平行度为0. 05mm。
[0021] 所述步骤（8)中将压缩试验件装卡在力学试验机上时，应使压缩试验件轴线与试 验机上、下夹头的中心线对准。
[0022] 所述步骤（9)中对压缩试验件进行加载时，如果有载荷和变形值的自动记录装置 则均匀连续加载，如果没有，则应分级加载，加载级数不少于五级，相邻两级之间的载荷增 量相同。
[0023] 本发明相比现有技术具有如下优点：
[0024] (1)本发明在待测试管件两端胶接了金属接头，增大了待测试管件整体结构的稳 定性，解决了 GB/T 5350-2005规定的试验件形式在用于薄壁复合材料管件时由于管件结 构刚度较差导致加载时试验件容易发生失稳破坏（非单纯压缩破坏）的问题，从而真实反 映薄壁管件的压缩性能。
[0025] (2)本发明金属内、外套筒设置有限位台阶，可以有效保证内、外套筒与管件试验 件的胶接尺寸，从而保证管件试验件有效测试段尺寸30mm，既满足GB/T 5350-2005的规 定，又有效降低了测试结果的离散度。
[0026] (3)本发明外套筒靠近测试用管件中部一端（外套筒中的空心圆台）加工30度锥 角，可以有效保证对压缩试验件施加压缩载荷时，载荷沿管件轴线传递，避免引入弯矩等影 响测试结果；外套筒30度锥角圆台上表面加工有0. 的平台，可以防止金属接头存 在尖角而损伤试验件，造成试验结果不准确。
[0027] (4)本发测试用管件两端金属接头自身端面平面度0. 02mm，两端端面的平行度 0.05mm，有效保证了加载时传力路径沿管件轴线方向，避免了测试过程中对试样附加弯矩 的可能。
[0028] (5)本发明将碳纤维丝束胶接在内套筒外径和测试用管件与外套筒胶接区域的外 径，大于8束，碳纤维丝束太厚，不利于胶接，小于3束，胶接强度变弱。选择3-8束碳纤维 丝束，一方面能够有效保证内套筒和测试用管件之间以及测试用管件和外套筒之间的配合 间隙值为单边〇. lmm-〇. 2_，另一方面形成类似于螺纹的连接关系，增强了金属接头和测试 用管件的胶接强度，防止测试过程中胶接区域发生破坏而导致试验结果不准确，从而确保 试验结果真实反映产品性能。
[0029] (6)本发明针对现有标准GB/T 5350-2005《纤维增强热固性塑料管轴向压缩性能 试验方法》