高低温万能试验机：解析单向碳-环氧复合材料的高温拉伸性能

在追求轻量化与高性能的今天，碳纤维增强环氧树脂复合材料无疑是材料界的“明星”。它以其卓越的比强度、比刚度和出色的耐疲劳性能，牢牢占据了航空航天、高端装备等领域的核心地位。

然而，当这些先进复合材料应用于高速飞行器、发动机部件等极端环境时，高温便成为其性能稳定性的严峻考验。尽管碳纤维本身耐高温，但作为“骨架”的环氧树脂基体却对温度极为敏感。理解材料在高温下的力学行为，是确保其安全服役的关键。

本文科准测控小编将深入探讨单向碳纤维-环氧复合材料在不同温度下的拉伸测试，详细解析其测试原理、标准、设备及完整流程，为相关领域的研究与质量控制提供专业参考。

一、 测试原理

高温拉伸测试的核心目的在于评估材料在特定高温环境下的力学性能，包括拉伸强度、弹性模量、断裂伸长率以及泊松比等。

纵向（纤维方向）拉伸：性能主要由高强度、高模量的碳纤维控制。高温下，测试主要考察纤维与基体界面结合力的变化，以及基体软化对纤维协同承载能力的影响。

横向（垂直纤维方向）拉伸：性能几乎完全由较弱的环氧树脂基体及其与纤维的界面控制。温度升高会导致树脂从“玻璃态”向“橡胶态”转变，模量和强度急剧下降，这是测试关注的重点。

二、 测试标准

ASTM D3039： 《聚合物基复合材料拉伸性能的标准试验方法》。

ISO 527-4/5： 《塑料 拉伸性能的测定 第4/5部分：各向同性和正交各向异性纤维增强复合材料的试验条件》。

GB/T 3354： 《定向纤维增强聚合物基复合材料拉伸性能试验方法》（中国国家标准）。

三、 测试仪器与设备

1、高低温万能试验机

（示意图）

纵向测试：通常需要高载荷万能试验机（如100kN以上），并配备气动夹具，通过高压气体驱动楔形夹块，提供均匀且强大的夹紧力，有效防止高强度试样在夹具内滑脱或提前破坏。

横向测试：可使用标准万能材料试验机（如10kN或50kN），配备机械夹具或液压夹具即可满足要求。

2、高低温试验箱

该箱体紧密安装在试验机机架上，内部有加热和制冷系统，可在宽温范围内精确控制和维持测试温度。

箱体通常配有观察窗，并开有专门的通孔，用于安装夹具和引伸计导杆。

3、测量系统

A、高温接触式引伸计

B、应变片：尤其适用于高温环境或需要测量泊松比的场景。将电阻应变片（通常采用双轴应变片，一片测量轴向应变，一片测量横向应变）粘贴在试样上，可直接测量局部应变，并精确计算泊松比。

四、 测试流程

1、试样制备

根据标准，从通过丝缠绕工艺制备的高纤维体积分数（~60%）单向碳-环氧层压板上，用水射流或金刚石砂轮切割机加工出标准狗骨状或矩形条状试样。

在试样两端粘贴加强片（通常为玻璃纤维或铝制），以防止应力集中，确保试样在标距段内破坏。

2、设备准备

将合适的夹具（气动或机械）安装到试验机上。

安装高低温试验箱，并确保其能包围住试样工作区域。

根据测试方案，在试样标距段内粘贴好引伸计或双轴应变片。

3、装夹与稳定

将试样牢固地装入夹具中，确保对中良好。

关闭环境箱门，在控制软件中设定目标温度（如0°C, 25°C, 90°C, 110°C）。

启动温控系统，待箱内温度达到设定值并稳定至少10-15分钟，以确保试样整体温度均匀。

4、执行测试

在软件中设置测试参数，包括加载速率（通常为1-2 mm/min）。

启动测试程序，试验机开始施加拉伸载荷。数据采集系统同步记录载荷、位移、应变（轴向和横向）数据。

5、数据采集与结果分析

测试持续进行，直至试样完全断裂。

软件自动生成应力-应变曲线，并计算出关键力学性能参数：

拉伸强度

弹性模量（轴向、横向）

泊松比

断裂伸长率

每个温度条件下应进行至少3-5次有效重复实验，以保证数据的统计可靠性。

6、失效模式分析

记录并观察试样的破坏形貌，分析其失效模式（如纤维拉断、界面脱粘、基体开裂等），这对于理解温度对材料性能的影响机理至关重要。

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