复合材料冲击后压缩强度（CAI）测试关键要点，确保天舟货运飞船飞行安全性

与传统结构材料相比，聚合物基复合材料（PMC）具有更高的性能和柔韧性。然而，这些优势是采用多种原材料并通过增加材料复杂性为代价的，因而对于这些材料的测试也带来了一定的挑战。

材料特性的基本表征包括在不同的载荷条件下进行一系列试验——拉伸、压缩、剪切和弯曲。复合材料具有各向异性（即力学性能取决于方向）和不均匀性（即材料成分不均匀，如增强纤维与树脂基体）。对于关键的复合材料应用，通常需要进行其他更复杂的试验来确定材料在使用条件下以及在典型环境中的耐久性。比如，评估航空航天工业复合材料冲击后压缩（CAI）试验、风能行业疲劳载荷以及汽车碰撞防护的高速拉伸试验都很重要。

CAI的含义

CAI（冲击后压缩强度）实际上有两种含义：

1） 评定含损伤时的材料性能指标；

2） 复合材料层压板受冲击产生损伤后的压缩强度。前者一定是对特定的层压板，在特定条件下得到的含冲击损伤层压板的压缩强度；而后者可以是任意的层压板（包括结构）在压缩载荷下的压缩剩余强度；

由于CAI值不仅用于评定材料性能的指标，同时也是用于结构设计确定设计值的基础，因此纤维增强复合材料的CAI值测试越来越重要，随着人们对CAI值不断的理解和深入，由初始仅作为评定树脂增韧的标准，到目前已用于从材料研制扩展到为结构设计等提供有关损伤容限能力的知识数据需求。

CAI测试标准及注意事项

常用的测试标准为ASTM D7137/D7137M、ASTM D7136/D7136M、ISO 18352，试验机的同轴度、夹具的选择以及压盘的平行度都会对测试结果产生较大影响。

• ASTM D7136：测量纤维增强聚合物基体复合材料抵抗落锤冲击损伤的能力
• ASTM D7137：受损聚合物基体复合材料板的残余抗压强度性能
• ISO 18352：测定在指定冲击能级下的冲击后压缩性能
• AITM 1.0010：空客试验方法，用于测定冲击后压缩强度
• 波音BSS 7260，II型：复合材料层压板的冲击后抗压强度试验

使用的势能为4.94 ft-lb（6.7J）乘以试样厚度。使用直径为0.625英寸（16mm）的半球形冲击器，将试样支撑在刚性支撑夹具上，并在支撑底座中具有适当尺寸的窗口，使其承受面外集中冲击，材料的抗损伤性根据试样中留下的损伤大小和类型计算。

测试仪器

1、仪器化落锤冲击试验机

锤体的更换，针对用户对不同试样的冲击要求，需不同更换不同质量范围的锤体。锤体通过增加砝码可满足 8kg～23kg 重量的冲击。锤头的更换，用户可根据各种试验方法标准，更换符合标准的冲击锤头。

a、落锤冲击头应有导向装置，冲击点的重复性偏差应不大于3mm。试验装置应有防止二次冲击的装置。如果没有防止二次冲击的装置，可以通过在冲击头离开试样表面反弹后,用一片刚性材料(木头,金属等)插到冲击头和试样之间，以防止二次冲击。

b、落锤高度可调，高度标尺精度为0.5mm。冲击试验支撑夹具上下表面的平行度应能够保证试样支撑夹具上下表面的平行度应能够保证试样在受冲击位置水平放置，导向销必须保证试样中心收到冲击，铰接夹及其橡皮头，在试样收到冲击过程中能够压紧试样。

2、冲击后压缩试验夹具

注：冲击后压缩试验夹具应具有足够的刚度和尺寸精度，以保证试样均匀受压，并且不会发生屈曲。

3、千分尺

4、试验条件

压缩速度：1.25mm/min土0.5mm/min。

试验温度：在室温（23°）和相对湿度小于60%条件下进行

冲击能量的计算：

测试流程

1、试样的制备

1）试样形状及尺寸

试样形状及长度、宽度尺寸如图所示试样尺寸公差为士0.25mm。

2）试样厚度

试样厚度为4.0~6.0mm，尽可能接近5.0mm

3）试样数量

每组的有效试样应不少于5个

4）层合板的铺层方式

a、单向层合板

铺层顺序为[45/0/-45/90]ns，其中n为整数。如果预计的厚度值小于4.0mm则n值应变为n+1。针对不同的固化后单层名义厚度推荐层合板的铺层方式，见表13。层合板的0°纤维方向与试样长度方向一致。

b、机织物层合板

那么应该采用N的后继值即N+1。表1中提供了对不同的固化后单层名义厚度推荐的铺层，层压板的铺层应这样定义，使得0°纤维方向与长度方向尺寸相一致。

c、其他铺层方式

这种层压板必须有多向纤维方位（对预浸带层压板纤维方位至少为3个，对织物层压板至少2个铺层方位），它们相对试验方向是对称均衡的。由其他铺层顺序进行的试验必须指明所记录的铺层顺序，并给出包括所有试验结果的报告。

2、操作步骤

1）初步检查试样外观，确保没有显著的缺陷或损伤。

2）测量试样中心点（冲击点）四周四点的厚度，取平均值，同时测量试样的宽度。

3）计算需要施加在试样中心的冲击能量，并将试样固定在冲击试验支撑夹具上。确保冲头准确对准试样中心，使用硬橡胶垫片固定试样的四个角。计算并设置合适的冲击高度，然后进行冲击测试。

4）在冲击后，测量并记录冲击表面和背面的损伤情况，包括凹坑尺寸和背面的裂纹形状、尺寸。使用游标卡尺测量凹坑的最大深度。另外，使用超声扫描仪观察和分析损伤面积和尺寸。

5）安装试样在试验夹具中，按照规定的速率施加压缩载荷，直至达到最大载荷值。在载荷下降至最大载荷的约30%时，终止试验，以避免真实破坏模式被大范围的畸变所遮蔽，并防止损坏支持夹具。在整个试验过程中，记录时间、位移、载荷等数值，以生成力-位移曲线。

3、计算

1）极限压缩强度

2）有效模量

3）统计——对每个系列试验的压痕深度d，计算平均值、标准差和偏差

系数（百分数）。

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