碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料薄壁管件力學(xué)性能試驗(yàn)方法 第3部分 懸臂梁彎曲試驗(yàn) 編制說明

1本標(biāo)準(zhǔn)是國標(biāo)委[20240848-T-469號]術(shù)及其應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會（SAC/TC425）提出并歸口，航計(jì)劃名稱：碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料薄壁管件力學(xué)性能試驗(yàn)方法—第碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有輕質(zhì)、高強(qiáng)等特點(diǎn)，滿足航天器求，在航天器結(jié)構(gòu)中應(yīng)用范圍越來越廣。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合元，廣泛應(yīng)用于天線、太陽翼、承力桁架等航天器結(jié)構(gòu)產(chǎn)管件外徑尺寸一般在15mm~50mm之間，為滿足輕量化需求，薄壁碳纖維復(fù)合材料管件作為航天領(lǐng)域桁架結(jié)構(gòu)等產(chǎn)品的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)單元，要承受和傳遞航天器上所有載荷，或撐，或作為重要設(shè)備的連接結(jié)構(gòu)，其服役性能直接關(guān)系到星船載荷支撐、高中主要承受拉壓載荷和彎矩載荷，結(jié)構(gòu)要求具有足失穩(wěn)破壞，不能產(chǎn)生過大變形。但是該類產(chǎn)品的結(jié)限載荷及載荷-應(yīng)變/位移特性曲線，研究其破壞形式，為產(chǎn)品整體和全面的評價(jià)。但現(xiàn)行相關(guān)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)均為三點(diǎn)或四點(diǎn)彎曲性能試樣件制備等方面均不適用于碳纖維復(fù)合材料薄壁管件產(chǎn)品的懸臂梁2據(jù)三點(diǎn)或四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確推算出產(chǎn)品的懸臂梁彎曲性能。管件懸臂梁彎曲性能試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)方面尚存在空白，無法提供真實(shí)位缺乏統(tǒng)一有效的試驗(yàn)方法，制約了該類結(jié)構(gòu)的推廣應(yīng)用。因此準(zhǔn)，規(guī)范懸臂梁彎曲性能測試方法，獲得管件真實(shí)有效性能數(shù)據(jù)國內(nèi)外碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料薄壁管件產(chǎn)品研制技術(shù)十分成熟，在航空航天、武器裝備和民用領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。國內(nèi)目前還沒有專門針對碳纖維復(fù)合材料薄壁管件產(chǎn)品級懸臂梁彎曲試驗(yàn)方法和標(biāo)準(zhǔn)。目前國內(nèi)外關(guān)于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料彎曲試驗(yàn)常用的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)是ISO178:2010（E）《塑料復(fù)合材料彎曲性能的測定》、GB/T1449-2005《纖維增強(qiáng)塑料彎曲性能試驗(yàn)方法》、GB/T3356-2014《定向纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料彎曲性能試驗(yàn)方法》，這些標(biāo)準(zhǔn)主要適用于連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的三點(diǎn)彎曲/四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)方法，其方法原理、制樣、裝卡等均不適用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料薄管件懸臂梁彎曲試驗(yàn)，相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果無法有效評價(jià)碳纖為了得到有效的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，需要提出一種專門針對梁彎曲試驗(yàn)方法，并編制形成統(tǒng)一的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，對碳纖維復(fù)合本文件提出一種碳纖維復(fù)合材料薄壁管件懸臂梁彎曲試驗(yàn)方與管件試件膠接后，進(jìn)一步與固支工裝板通過螺接的方式進(jìn)行固定試件加載端膠接后，進(jìn)一步通過懸臂梁加載的形式進(jìn)行懸臂梁彎曲以有效保障薄壁管件懸臂梁彎曲試驗(yàn)的開展，試驗(yàn)數(shù)據(jù)能夠反計(jì)劃任務(wù)下達(dá)后，全國宇航標(biāo)委會空間數(shù)據(jù)分技術(shù)委員會（TC425/工藝分技術(shù)委員會）組織成立了標(biāo)準(zhǔn)起草組，成員包括總體技術(shù)人起草單位主要包括：北京衛(wèi)星制造廠有限公司、中國航天復(fù)合材料研究所、航天材料及工藝研究所、上海復(fù)合材料科32024年4月至2024年10月，起草組開展了大量的碳纖維彎曲試驗(yàn)現(xiàn)狀、試驗(yàn)方法等相關(guān)的調(diào)研工作，具體見本文2.2.2024年11月，編制組經(jīng)過開會討論研究，對標(biāo)準(zhǔn)草在制訂本標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，充分考慮了國內(nèi)碳纖維復(fù)合材料薄壁管件懸臂梁彎曲試驗(yàn)情況，目前纖維增強(qiáng)材料構(gòu)件彎曲性能試驗(yàn)方法主要依靠三點(diǎn)/四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)方法，而針對航天器用復(fù)合材料薄壁管件懸臂梁彎曲試驗(yàn)，現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)在方法原理、制樣、裝卡等方面均不適用。經(jīng)調(diào)研國內(nèi)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料薄壁管件生產(chǎn)科研單位北京衛(wèi)星制造廠有限公司、西安航天復(fù)合材料研究所、航天材料及工藝研究所、上海復(fù)合材料科技有限公司、威海拓展纖維有限公司均有采用膠接金屬接頭結(jié)合螺紋連接固支的方式進(jìn)行碳纖維復(fù)合材料薄壁管件懸臂梁彎曲試驗(yàn)。同時(shí)本標(biāo)準(zhǔn)所采用的方法在北京衛(wèi)星制造廠有限公司已經(jīng)成功運(yùn)行了10年，積累了大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和測試經(jīng)驗(yàn)，包括各類碳纖維復(fù)合材料薄壁管件懸臂梁彎曲試驗(yàn)測試結(jié)果，通過多種參數(shù)組合試驗(yàn)驗(yàn)證，最終確定了性能最優(yōu)的試驗(yàn)參數(shù)，測試結(jié)果重復(fù)性良好。同時(shí)與幾家單位的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，試驗(yàn)數(shù)據(jù)再現(xiàn)性較好。本標(biāo)準(zhǔn)中懸臂梁彎曲試驗(yàn)方法等均沿用了傳統(tǒng)的力學(xué)試驗(yàn)方法，試樣采用膠接內(nèi)套筒形式，首先在北京衛(wèi)星制造廠有限公司的航天器碳纖維復(fù)合材料薄壁管件的懸臂梁彎曲試驗(yàn)中廣泛應(yīng)用，試驗(yàn)結(jié)果符合薄壁管件懸臂梁彎曲正常破壞模式，由此推廣到航天五院的航天器碳纖維復(fù)合材料薄壁管件的懸臂梁彎曲試驗(yàn)，最終在北京衛(wèi)星制造廠有限公司、西安航天復(fù)合材料研究所、航天材料及工藝研究所、上海復(fù)合材料科技有限公司、威海拓展纖維有限公司等單位的碳纖維復(fù)合材料薄壁管件類產(chǎn)品懸臂梁彎曲試驗(yàn)上均有4部分壓縮試驗(yàn)》（GB/T43938.2-2024）等相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)、航天五院標(biāo)準(zhǔn)、北京衛(wèi)星制造膠接套管形式試樣采用內(nèi)套管和常溫固化膠黏劑制備彎曲試樣的0.05mm，在加載端端部圓心位置引出加載點(diǎn)，進(jìn)行載荷加載，對試樣預(yù)設(shè)載荷值或者試件破壞，從而實(shí)現(xiàn)對碳纖維復(fù)合材料薄壁管件懸臂測試，其中內(nèi)套管采用鋁合金材料，碳纖維復(fù)合材料薄壁管件與金屬覆膠黏劑，然后通過常溫固化膠黏劑膠接固化制成。試樣制備過程操穩(wěn)定性高。試驗(yàn)過程中一般在試件的測試段靠近固支端的根部上注部位粘貼應(yīng)變片，在試件加載端根部上表面等重點(diǎn)關(guān)注部位布設(shè)取材料的彎曲承載等相關(guān)性能。同時(shí)，在北京衛(wèi)星制造廠有限公司研究所、航天材料及工藝研究所、上海復(fù)合材料科技有限公司等航天材料薄壁管件類產(chǎn)品懸臂梁彎曲試驗(yàn)上應(yīng)用效果良好。綜上，說明本經(jīng)查閱國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定，國內(nèi)外尚未有專門針對碳纖維試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)定。本標(biāo)準(zhǔn)首次規(guī)定了采用膠接套管形式進(jìn)行碳纖本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料薄壁管件懸臂梁彎曲試本標(biāo)準(zhǔn)適用于壁厚不大于1mm（公稱外徑小于50mm）的碳纖本標(biāo)準(zhǔn)的ICS國際分類號為82.120，CC試驗(yàn)條件、儀器設(shè)備、試驗(yàn)試件、試驗(yàn)步驟5（GB/T43938.1-2024）、《碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料薄壁縮試驗(yàn)》（GB/T43938.2-2024）關(guān)于碳纖維復(fù)合材料管件“薄壁”針對其薄壁的結(jié)構(gòu)和性能特點(diǎn)，在現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，對其懸現(xiàn)有國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)中未對碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料薄壁管件懸臂梁彎曲試驗(yàn)試件型綜合考慮薄壁管件自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將試件采用膠接的方式與剛性內(nèi)套管連懸臂梁彎曲試件端面與管件試件初始狀態(tài)的軸線垂直度應(yīng)不大于0.05mm，固支端內(nèi)套管與加載端內(nèi)套管同軸度應(yīng)不大于0.1mm。固支端內(nèi)套管與試件固支端端面同軸度應(yīng)不大于0.1mm，加載端內(nèi)套管與試件加載端端面同軸度應(yīng)不大 1—試件固支端；2—試件加載端；D1—試件外徑；D2—試件內(nèi)徑；L1—試件總長度；L2—固支端裝卡長度；L3—加載端裝卡長度；L4—有效測試段長度。本標(biāo)準(zhǔn)中的懸臂梁試樣方法已經(jīng)過前期試驗(yàn)驗(yàn)證，夾持長度套管、加載端內(nèi)套管與管件試樣膠接長度，即固支端裝卡長度L2、加載件試樣周長）。為了保證彎曲過程膠接區(qū)域不滑移，一般選取剪切強(qiáng)度大于6劑，推薦使用J-133、420等常溫固化膠黏劑，管件試樣與固支經(jīng)過大量試驗(yàn)驗(yàn)證懸臂梁彎曲試驗(yàn)試樣夾持段為上述規(guī)定和形式均屬于有效的彎曲破壞形式，斷裂位置在有效測試長度內(nèi)，此本標(biāo)準(zhǔn)中的懸臂梁彎曲試樣方法已經(jīng)過前期試驗(yàn)驗(yàn)證，10%，滿足試驗(yàn)要求，依據(jù)《碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料薄壁管件力學(xué)性能試驗(yàn)試驗(yàn)儀器設(shè)備相關(guān)要求，依據(jù)GB/T1446—23）一般所選用的測力計(jì)量程為加載設(shè)備使用載荷值的1.懸臂梁彎曲試驗(yàn)過程中，若試件與懸臂梁轉(zhuǎn)接固支工裝發(fā)生脫離，試件與固支端內(nèi)套管發(fā)生脫粘或錯(cuò)位，試件加載端發(fā)生破壞、加載端內(nèi)套管脫粘或錯(cuò)位，則測試結(jié)果反映的不是懸臂梁彎曲試件真實(shí)的彎曲承載性能，不能視作為試樣的彎曲強(qiáng)度，故應(yīng)予作按照本文薄壁碳纖維復(fù)合材料管件彎曲性能試驗(yàn)試驗(yàn)方7件11111按照本標(biāo)準(zhǔn)懸臂梁彎曲性能試驗(yàn)方法對不同規(guī)格管件分別威海拓展纖維有限公司進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)，圖2為本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的彎曲試件中可以看出管件的“載荷—應(yīng)變/位移”曲線均呈線性關(guān)系，且相互效的破壞形式，不同規(guī)格管件測試結(jié)果離散度均不碳纖維復(fù)合材料管件彎曲性能試驗(yàn)方法可以有效避免試驗(yàn)過程中管80001111111111111111111加載量級ao一S78007006005004003002000位移載荷（kg）符合機(jī)械試驗(yàn)測試允許誤差范圍要求。同時(shí)本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的懸臂梁彎試驗(yàn)測試有