1前言

     樹脂基復合材料作為一種新型材料，以其輕量、耐腐蝕及良好的力學性能等而倍受青睞。由于其優(yōu)良的特性，復合材料的研究和應用得到了廣泛的關注，目前已被廣泛應用于航空航天、電子、超導、汽車及建筑等領域。為了進一步擴大復合材料的應用領域，作
為材料性能和安全可靠性保證的手段，試驗技術和評價方法的研究是必不可少的。

    復合材料力學性能的試驗與評價在復合材料的開發(fā)與應用中發(fā)揮著極其重要的作用，尤其是在材料設計中。試驗與評價在優(yōu)化加工工藝、分析組分材料性能對復合材料整體性能的影響及降低材料成本等方面均具有十分重要的意義。高性能復合材料的設計
與加工，需要充分把握復合材料的力學性能，從而明確開發(fā)目標與既用材料的差別，以確立高性能復合材料的開發(fā)方針。同時，為了根據(jù)使用條件和環(huán)境合理準確地設計復合材料，需要可靠和真實的復合材料力學性能數(shù)據(jù)、設計數(shù)據(jù)，來源于可靠的測試評價方法，因而復合材料力學性能的測試與評價方法的確立是正確設計復合材料，確保力學性能和使用質量、擴大應用范圍的重要研究課題。在制定復合材料的實驗法與標準時，特別需要考慮的是與國際標準接軌以促進復合材料產(chǎn)品的市場發(fā)展，將我國的標準化作同國際組織的標準化研究逐步銜接起來，使測試準更加規(guī)范，消除貿(mào)易上的技術障礙，有效地促進息交流和共享。實驗方法的標準化也是復合材料發(fā)和應用中必須解決的問題，具有重要的經(jīng)濟效益和會效益。  

       2、實驗、評價、方法與標準化現(xiàn)狀

       2.1  特性評價的物理意義

       與通常的金屬材料及其他結構材料相比，復合材料具有無延伸性和異向性顯著的特點，因此與通常的金屬材料不同，存在三個問題：(1)在夾持部無因塑性變形而引起的緩和應力集中作用；(2)在測試部難以獲得均勻的應力分布；(3)在應力傳遞部容易引起破壞等問題。目前，復合材料的力學特性試驗與評價方法作為既定標準已不鮮見，但多數(shù)都存在上述問題。其中有些已歷經(jīng)修改而成為具有較高水平的“標準”，但同樣存在不盡如人意之處。理想的情況下，力學特性試驗法應該是評價材料某一物理特性值的，但許多情況下都由于應力集中等影響而只能獲得表現(xiàn)值，得不到材料的真實數(shù)據(jù)，因此在應用這些試驗方法和標準時，必須充分理解和認識它們的物理意義。

       2.2評價方法存在的問題

       關于復合材料力學性能的評價，迄今已有許多實驗方法，其中有些方法比較簡單，而且已經(jīng)制定了標準。有些實驗方法涉及復合材料固有的復雜性，尚不夠成熟，有待進一步研究。與普通的金屬材料等相比，復合材料具有可設計、多功能和高性能的特點，與普通材料有質的區(qū)別，但也有難以克服的特點。與傳統(tǒng)的金屬材料相比，復合材料延伸性小，各向異性顯著，內(nèi)部結構復雜。這些特點使試驗材料產(chǎn)生理想的破壞方式極其困難。目前國際上借用金屬材料的測試評價方法較多，在實際使用中存在的問題也較多，許多方法是在沒有更好方法的情況下而采取的權宜之計。試樣的破壞方式往往與所期望的破壞方式相差較大，復合材料的力學性能無法準確反映，只能用于同一材料的比較和生產(chǎn)控制，而不能作為獲得材料設計數(shù)據(jù)的方法與手段。對于傳統(tǒng)的金屬材料，其實驗方法的不完善部分往往會被材料本身的延伸性所抵消與克服，而復合材料實驗方法的缺陷和問題會直接影響測試結果，許多情況下由于應力集中等影響而只能獲得材料的表觀測試值，特別是試驗結果常常依賴于試樣形狀與尺寸，存在所謂的“尺寸效應”，得不到材料的客觀真實物性值。用作設計數(shù)據(jù)常常會產(chǎn)生錯誤，影響使用壽命和浪費資源，甚至危及安全。因此，研究和開發(fā)科學可靠的復合材料力學性能測試與評價方法是復合材料發(fā)展中亟待解決的課題。隨著復合材料科學的發(fā)展，試驗與評價方法也應不斷更新。

       2、3國內(nèi)外研究與應用情況

       復合材料的試驗方法與標準化，與普通材料的情況不同。它是在標準化對象材料的加工技術、試驗方法的使用效果尚未經(jīng)過長時間的社會性實踐和積累階段而進行的。若將普通材料的標準化稱為滯后型，則復合材料的標準化可稱為超前型。超前型的標準化制定，更需要對其進行認真研究。國際上以美國ASTM標準及日本JIS標準為基礎建立起一套測試評價復合材料各種力學性能的方法和標準，并根據(jù)實際使用情況和存在問題組織目際合作研究機構進行了數(shù)年多個階段的研究。對現(xiàn)行的復合材料試驗方法的適用范圍、測試方法、測試夾具及試樣形狀及尺寸等進行了反復修改與補充，以達到獲得各種測試目標下材料的真實數(shù)據(jù)和易于實施的目的，同時也為復合材料力學性能評價技術的國際標準化奠定了基礎。此外，歐洲一些國家于1992年、1994年在德國召開了兩屆歐洲復合材料會議，專門討論了擴大復合材料應用領域所必不可少的試驗方法與標準化，從評價方法的基礎研究到試驗標準的推廣應用等進行了廣泛的研究和討論，并對復合材料的市場規(guī)模和試驗方法標準化的國際性協(xié)作提出了規(guī)劃和建議。以美、日、英、法等為首的復合材料發(fā)達國家于1984年開始對材料的試驗與評價進行了國際合作研究，制定了該組織的協(xié)作計劃VAMAS，并于1987年起對復合材料試驗方法存在的問題及改進展開了巡回合作研究。除常溫下的試驗方法外，對特殊環(huán)境下使用的復合材料的試驗方法，如超低溫下的試驗與評價方法進行大量的研究，加快了復合材料向超導領域的應用。

       在我國，由國家建材局及中國船舶工業(yè)總公司提出的、由全國纖維增強塑料標準化技術委員會歸口的復合材料主要試驗方法的國家標準已有許多。但多數(shù)也是20世紀80年代初借用金屬材料的試驗方法或參照國外同類方法制定的標準，許多試驗方法有待于進一步改進。目前我國低檔次的產(chǎn)品較多，產(chǎn)品的力學性能不高。一些企業(yè)不注重產(chǎn)品性能的合理、經(jīng)濟設計和質量控制，導致產(chǎn)品使用壽命短和材料資源的浪費。我國加入世界貿(mào)易組織(WTO)后，將獲得穩(wěn)定的國際貿(mào)易環(huán)境，作為WTO成員國可享受低關稅，避免貿(mào)易歧視。這對商品出口較為有利。試驗方法的優(yōu)化與標準化的推行將為我國復合材料企業(yè)積極參與國際競爭作好準備，為提高產(chǎn)品質量及增強國際競爭能力提供保證。

        3  試驗方法標準化動向

        3.1評價項目的多樣性

       樹脂基復合材料的力學性能通常包括拉伸、壓縮、彎曲、剪切、沖擊、硬度、疲勞、耐磨、斷裂韌性等。但由于材料的各向異性，強度與彈性系數(shù)等測定項目非常之多，為此必須進行多種試驗。特別是破壞強度，對于各向同性材料，如果進行應力變換，多數(shù)情況基本上都可以用單一的破壞形態(tài)來描述。而對于復合材料，材料特性、載荷方式（拉伸、壓縮、剪切等）、增強材料方向與主應力方向間關系等的組合使得破壞形態(tài)多種多樣，必須對每一種破壞形態(tài)進行試驗。然而，對于所評價的強度特性值是否為所期望的破壞形態(tài)之表現(xiàn)，例如拉伸試驗時是否產(chǎn)生試樣根部破壞，彎曲試驗時有無剪切破壞，層間剪切試驗時有無搭橋纖維的斷裂等，如果不進行細致的分析和確認，就有可能得出錯誤的判斷和結論。

       3.2材料種類的多樣性

       復合材料集多學科知識為一體，是原材料通過特定的組合方式所構成的結構物和材料的統(tǒng)一。增強材料、樹脂基體及其組合方式種類較多，靈活多變，就增強形態(tài)來講，目前有粒子增強、纖維增強及分子間復合型等。纖維增強型中還有短纖維、長纖維，一維、二維及三維增強方式等，而且由于其可設計性，各種新材料不斷出現(xiàn)。因此，評價材料同一特性的試驗方法也有多種，但究竟哪種方法更合理、更可靠有待于進一步研究。復合材料還是一種正在不斷開發(fā)的新型的材料。隨著新材料逐步向高科技領域擴展，對試驗與
評價方法的可靠性要求將越來越高。

       33試驗方法的國際標準化

       樹脂基復合材料的力學性能數(shù)據(jù)的取得有賴于標準試驗方法的建立，因為試驗方法、試驗條件，諸如試樣的制備、形狀、尺寸，試驗的溫度、濕度、速度，試驗機的規(guī)格種類等，直接影響測試結果的可比性和重復性。尤其是試樣的形狀與尺寸對測試結果影響較大，試驗結果常常顯示出試樣的尺寸效應。目前國內(nèi)外各公司及廠家提供的復合材料力學性能數(shù)據(jù)與材料物性值基本上均是根據(jù)各國現(xiàn)行試驗標準和方法進行測定的。對試樣的制作方法、測試條件等，特別是試樣尺寸，多數(shù)試驗方法都沒有明確的規(guī)定，只是給出一個范圍。部分試驗標準由于實施困難，各公司與企業(yè)常按照自己開發(fā)的試驗方法和標準進行材料特性評價與認定等。因此，即使對相同的材料測試相同的項目，其測試結果也存在著較大的差異。無庸置疑，材料的物性使客觀上應該是惟一的，但究竟何者更加合理、真實，如前所述，在試驗標準規(guī)定的尺寸范圍內(nèi)，所選擇試樣的尺寸不同，測試結果就不同。所以研究科學、合理的試驗方法，制定國際標準，實現(xiàn)國際統(tǒng)一的試驗方法和試樣尺寸，對獲得共同認可的材料真實數(shù)據(jù)和材料性能是非常垂要的。VAMAS曾提議，為了獲得材料的真實數(shù)據(jù)，對于某些只能得到表觀值的試驗方法，可以采用實驗與有限元解析并用的方法來評價材料的真實物性值。以此設計的材料經(jīng)實踐檢驗是安全可靠和經(jīng)濟合理的。也可通過有限元解析來獲得最佳試樣形狀與尺寸，從而減小試樣形狀與尺寸帶來的影響，使測試結果更加真實。但實驗與有限元解
析并用的方法作為標準來實施較為困難。

       國際上，如美國ASTM，日本JIS和歐洲EN標準均已規(guī)定了許多復合材料的試驗方法，而且在不斷改進和修訂。但近幾年來，以歐洲為主的ISO的作用及影響越來越大，并逐漸顯示出其重要性。目前，ISO正在對許多先進復合材料的試驗方法加緊進行審議和標準化工作，在對各國的標準進行比較的基礎上制定新的國際標準。ASTM和JIS在制定新標準時也向ISO推薦，有向ISO逐漸靠近和統(tǒng)一趨勢。為此，我國
也應該研究和制定與國際接軌的試驗方法和標準，積極參與國際競爭。

       4 數(shù)據(jù)庫的建立與動向

       在研究試驗方法的同時，建立數(shù)據(jù)庫對于擴大和普及復合材料的應用是非常重要的。研究和把握影響試驗數(shù)據(jù)的試驗方法及其標準化動向，對創(chuàng)建科學可靠的復合材料數(shù)據(jù)庫更加重要。目前國際上也尚未建成全面可靠的數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫的制作與更新將為機械結構物的設計者提供立即可用的有效數(shù)據(jù)，對于擴大復合材料的應用領域和提高其使用的可靠性是很重要的。尚未建成全面可靠的數(shù)據(jù)庫的原因主要在于：(1)復合材料具有可設計性且設計自由度很大，所需數(shù)據(jù)量非常龐大；(2)考慮材料的異向性與數(shù)據(jù)的離散性進行設計時，需要非常復雜的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)；(3)由于復合材料處于開發(fā)階段，數(shù)據(jù)需要不斷更新；(4)現(xiàn)行的試驗標準難以獲得材料的真實數(shù)據(jù)。為了擴大復合材料在一般產(chǎn)業(yè)中的應用，還需要最基本的組分材料物性值、復合結構與形態(tài)及常規(guī)的力學性能數(shù)據(jù)庫。板材，有孔板、連接部件等的數(shù)據(jù)也須去研究和建立。否則無法對各類結構材料進行精確可靠和經(jīng)濟合理的設計。

      5  結束語

      合材料是一種可設計、多功能、高性能的新型材料。對于這樣的新材料的試驗與評價方法，目前世界各國均處于制定試驗標準的基礎研究和實施論證階段。可以直接引用和借鑒的成熟試驗標準較少。因此我國也必須重新認識復合材料試驗方法標準化的重要性，有必要對現(xiàn)行試驗標準進行認真研究和改進，積極參加標準化研究的國際性協(xié)作活動，加緊和加快建立更科學、更可靠的試驗標準，并與國際性標
準接軌。今后應密切注視國際上復合材料力學性能評價的試驗方法及動向，加快我國復合材料的推廣和普及，實現(xiàn)試驗評價方法的標準化和材料的標準化，增強參與國際性競爭的能力。特別是當復合材料用于各類機械結構物時，為了選擇材料和確定材料的設計容許值，可靠的力學特性試驗法及真實的數(shù)據(jù)是至關重要的。一項試驗標準的制定需要長時間的努力，建議政府有關部門重視和加緊對可獲取真實可靠材料性能數(shù)據(jù)的試驗方法進行研究，并組織力量探討和建立全面實用的復合材料數(shù)據(jù)庫。