1前言

     樹脂基復(fù)合材料作為一種新型材料，以其輕量、耐腐蝕及良好的力學(xué)性能等而倍受青睞。由于其優(yōu)良的特性，復(fù)合材料的研究和應(yīng)用得到了廣泛的關(guān)注，目前已被廣泛應(yīng)用于航空航天、電子、超導(dǎo)、汽車及建筑等領(lǐng)域。為了進(jìn)一步擴(kuò)大復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域，作
為材料性能和安全可靠性保證的手段，試驗(yàn)技術(shù)和評(píng)價(jià)方法的研究是必不可少的。

    復(fù)合材料力學(xué)性能的試驗(yàn)與評(píng)價(jià)在復(fù)合材料的開發(fā)與應(yīng)用中發(fā)揮著極其重要的作用，尤其是在材料設(shè)計(jì)中。試驗(yàn)與評(píng)價(jià)在優(yōu)化加工工藝、分析組分材料性能對復(fù)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(fù)合材料的設(shè)計(jì)
與加工，需要充分把握復(fù)合材料的力學(xué)性能，從而明確開發(fā)目標(biāo)與既用材料的差別，以確立高性能復(fù)合材料的開發(fā)方針。同時(shí)，為了根據(jù)使用條件和環(huán)境合理準(zhǔn)確地設(shè)計(jì)復(fù)合材料，需要可靠和真實(shí)的復(fù)合材料力學(xué)性能數(shù)據(jù)、設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，來源于可靠的測試評(píng)價(jià)方法，因而復(fù)合材料力學(xué)性能的測試與評(píng)價(jià)方法的確立是正確設(shè)計(jì)復(fù)合材料，確保力學(xué)性能和使用質(zhì)量、擴(kuò)大應(yīng)用范圍的重要研究課題。在制定復(fù)合材料的實(shí)驗(yàn)法與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，特別需要考慮的是與國際標(biāo)準(zhǔn)接軌以促進(jìn)復(fù)合材料產(chǎn)品的市場發(fā)展，將我國的標(biāo)準(zhǔn)化作同國際組織的標(biāo)準(zhǔn)化研究逐步銜接起來，使測試準(zhǔn)更加規(guī)范，消除貿(mào)易上的技術(shù)障礙，有效地促進(jìn)息交流和共享。實(shí)驗(yàn)方法的標(biāo)準(zhǔn)化也是復(fù)合材料發(fā)和應(yīng)用中必須解決的問題，具有重要的經(jīng)濟(jì)效益和會(huì)效益。  

       2、實(shí)驗(yàn)、評(píng)價(jià)、方法與標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀

       2.1  特性評(píng)價(jià)的物理意義

       與通常的金屬材料及其他結(jié)構(gòu)材料相比，復(fù)合材料具有無延伸性和異向性顯著的特點(diǎn)，因此與通常的金屬材料不同，存在三個(gè)問題：(1)在夾持部無因塑性變形而引起的緩和應(yīng)力集中作用；(2)在測試部難以獲得均勻的應(yīng)力分布；(3)在應(yīng)力傳遞部容易引起破壞等問題。目前，復(fù)合材料的力學(xué)特性試驗(yàn)與評(píng)價(jià)方法作為既定標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)”，但同樣存在不盡如人意之處。理想的情況下，力學(xué)特性試驗(yàn)法應(yīng)該是評(píng)價(jià)材料某一物理特性值的，但許多情況下都由于應(yīng)力集中等影響而只能獲得表現(xiàn)值，得不到材料的真實(shí)數(shù)據(jù)，因此在應(yīng)用這些試驗(yàn)方法和標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，必須充分理解和認(rèn)識(shí)它們的物理意義。

       2.2評(píng)價(jià)方法存在的問題

       關(guān)于復(fù)合材料力學(xué)性能的評(píng)價(jià)，迄今已有許多實(shí)驗(yàn)方法，其中有些方法比較簡單，而且已經(jīng)制定了標(biāo)準(zhǔn)。有些實(shí)驗(yàn)方法涉及復(fù)合材料固有的復(fù)雜性，尚不夠成熟，有待進(jìn)一步研究。與普通的金屬材料等相比，復(fù)合材料具有可設(shè)計(jì)、多功能和高性能的特點(diǎn)，與普通材料有質(zhì)的區(qū)別，但也有難以克服的特點(diǎn)。與傳統(tǒng)的金屬材料相比，復(fù)合材料延伸性小，各向異性顯著，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜。這些特點(diǎn)使試驗(yàn)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(píng)價(jià)方法較多，在實(shí)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(quán)宜之計(jì)。試樣的破壞方式往往與所期望的破壞方式相差較大，復(fù)合材料的力學(xué)性能無法準(zhǔn)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(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的方法與手段。對于傳統(tǒng)的金屬材料，其實(shí)驗(yàn)方法的不完善部分往往會(huì)被材料本身的延伸性所抵消與克服，而復(fù)合材料實(shí)驗(yàn)方法的缺陷和問題會(huì)直接影響測試結(jié)果，許多情況下由于應(yīng)力集中等影響而只能獲得材料的表觀測試值，特別是試驗(yàn)結(jié)果常常依賴于試樣形狀與尺寸，存在所謂的“尺寸效應(yīng)”，得不到材料的客觀真實(shí)物性值。用作設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)常常會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤，影響使用壽命和浪費(fèi)資源，甚至危及安全。因此，研究和開發(fā)科學(xué)可靠的復(fù)合材料力學(xué)性能測試與評(píng)價(jià)方法是復(fù)合材料發(fā)展中亟待解決的課題。隨著復(fù)合材料科學(xué)的發(fā)展，試驗(yàn)與評(píng)價(jià)方法也應(yīng)不斷更新。

       2、3國內(nèi)外研究與應(yīng)用情況

       復(fù)合材料的試驗(yàn)方法與標(biāo)準(zhǔn)化，與普通材料的情況不同。它是在標(biāo)準(zhǔn)化對象材料的加工技術(shù)、試驗(yàn)方法的使用效果尚未經(jīng)過長時(shí)間的社會(huì)性實(shí)踐和積累階段而進(jìn)行的。若將普通材料的標(biāo)準(zhǔn)化稱為滯后型，則復(fù)合材料的標(biāo)準(zhǔn)化可稱為超前型。超前型的標(biāo)準(zhǔn)化制定，更需要對其進(jìn)行認(rèn)真研究。國際上以美國ASTM標(biāo)準(zhǔn)及日本JIS標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)建立起一套測試評(píng)價(jià)復(fù)合材料各種力學(xué)性能的方法和標(biāo)準(zhǔn)，并根據(jù)實(shí)際使用情況和存在問題組織目際合作研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)年多個(gè)階段的研究。對現(xiàn)行的復(fù)合材料試驗(yàn)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(jìn)行了反復(fù)修改與補(bǔ)充，以達(dá)到獲得各種測試目標(biāo)下材料的真實(shí)數(shù)據(jù)和易于實(shí)施的目的，同時(shí)也為復(fù)合材料力學(xué)性能評(píng)價(jià)技術(shù)的國際標(biāo)準(zhǔn)化奠定了基礎(chǔ)。此外，歐洲一些國家于1992年、1994年在德國召開了兩屆歐洲復(fù)合材料會(huì)議，專門討論了擴(kuò)大復(fù)合材料應(yīng)用領(lǐng)域所必不可少的試驗(yàn)方法與標(biāo)準(zhǔn)化，從評(píng)價(jià)方法的基礎(chǔ)研究到試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的推廣應(yīng)用等進(jìn)行了廣泛的研究和討論，并對復(fù)合材料的市場規(guī)模和試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)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(fù)合材料發(fā)達(dá)國家于1984年開始對材料的試驗(yàn)與評(píng)價(jià)進(jìn)行了國際合作研究，制定了該組織的協(xié)作計(jì)劃VAMAS，并于1987年起對復(fù)合材料試驗(yàn)方法存在的問題及改進(jìn)展開了巡回合作研究。除常溫下的試驗(yàn)方法外，對特殊環(huán)境下使用的復(fù)合材料的試驗(yàn)方法，如超低溫下的試驗(yàn)與評(píng)價(jià)方法進(jìn)行大量的研究，加快了復(fù)合材料向超導(dǎo)領(lǐng)域的應(yīng)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(qiáng)塑料標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)歸口的復(fù)合材料主要試驗(yàn)方法的國家標(biāo)準(zhǔn)已有許多。但多數(shù)也是20世紀(jì)80年代初借用金屬材料的試驗(yàn)方法或參照國外同類方法制定的標(biāo)準(zhǔn)，許多試驗(yàn)方法有待于進(jìn)一步改進(jìn)。目前我國低檔次的產(chǎn)品較多，產(chǎn)品的力學(xué)性能不高。一些企業(yè)不注重產(chǎn)品性能的合理、經(jīng)濟(jì)設(shè)計(jì)和質(zhì)量控制，導(dǎo)致產(chǎn)品使用壽命短和材料資源的浪費(fèi)。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(guān)稅，避免貿(mào)易歧視。這對商品出口較為有利。試驗(yàn)方法的優(yōu)化與標(biāo)準(zhǔn)化的推行將為我國復(fù)合材料企業(yè)積極參與國際競爭作好準(zhǔn)備，為提高產(chǎn)品質(zhì)量及增強(qiáng)國際競爭能力提供保證。

        3  試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)化動(dòng)向

        3.1評(píng)價(jià)項(xiàng)目的多樣性

       樹脂基復(fù)合材料的力學(xué)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(qiáng)度與彈性系數(shù)等測定項(xiàng)目非常之多，為此必須進(jìn)行多種試驗(yàn)。特別是破壞強(qiáng)度，對于各向同性材料，如果進(jìn)行應(yīng)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(fù)合材料，材料特性、載荷方式（拉伸、壓縮、剪切等）、增強(qiáng)材料方向與主應(yīng)力方向間關(guān)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(jìn)行試驗(yàn)。然而，對于所評(píng)價(jià)的強(qiáng)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(yàn)時(shí)是否產(chǎn)生試樣根部破壞，彎曲試驗(yàn)時(shí)有無剪切破壞，層間剪切試驗(yàn)時(shí)有無搭橋纖維的斷裂等，如果不進(jìn)行細(xì)致的分析和確認(rèn)，就有可能得出錯(cuò)誤的判斷和結(jié)論。

       3.2材料種類的多樣性

       復(fù)合材料集多學(xué)科知識(shí)為一體，是原材料通過特定的組合方式所構(gòu)成的結(jié)構(gòu)物和材料的統(tǒng)一。增強(qiáng)材料、樹脂基體及其組合方式種類較多，靈活多變，就增強(qiáng)形態(tài)來講，目前有粒子增強(qiáng)、纖維增強(qiáng)及分子間復(fù)合型等。纖維增強(qiáng)型中還有短纖維、長纖維，一維、二維及三維增強(qiáng)方式等，而且由于其可設(shè)計(jì)性，各種新材料不斷出現(xiàn)。因此，評(píng)價(jià)材料同一特性的試驗(yàn)方法也有多種，但究竟哪種方法更合理、更可靠有待于進(jìn)一步研究。復(fù)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(lǐng)域擴(kuò)展，對試驗(yàn)與
評(píng)價(jià)方法的可靠性要求將越來越高。

       33試驗(yàn)方法的國際標(biāo)準(zhǔn)化

       樹脂基復(fù)合材料的力學(xué)性能數(shù)據(jù)的取得有賴于標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法的建立，因?yàn)樵囼?yàn)方法、試驗(yàn)條件，諸如試樣的制備、形狀、尺寸，試驗(yàn)的溫度、濕度、速度，試驗(yàn)機(jī)的規(guī)格種類等，直接影響測試結(jié)果的可比性和重復(fù)性。尤其是試樣的形狀與尺寸對測試結(jié)果影響較大，試驗(yàn)結(jié)果常常顯示出試樣的尺寸效應(yīng)。目前國內(nèi)外各公司及廠家提供的復(fù)合材料力學(xué)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(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和方法進(jìn)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(yàn)方法都沒有明確的規(guī)定，只是給出一個(gè)范圍。部分試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)由于實(shí)施困難，各公司與企業(yè)常按照自己開發(fā)的試驗(yàn)方法和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行材料特性評(píng)價(jià)與認(rèn)定等。因此，即使對相同的材料測試相同的項(xiàng)目，其測試結(jié)果也存在著較大的差異。無庸置疑，材料的物性使客觀上應(yīng)該是惟一的，但究竟何者更加合理、真實(shí)，如前所述，在試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的尺寸范圍內(nèi)，所選擇試樣的尺寸不同，測試結(jié)果就不同。所以研究科學(xué)、合理的試驗(yàn)方法，制定國際標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)國際統(tǒng)一的試驗(yàn)方法和試樣尺寸，對獲得共同認(rèn)可的材料真實(shí)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(shí)數(shù)據(jù)，對于某些只能得到表觀值的試驗(yàn)方法，可以采用實(shí)驗(yàn)與有限元解析并用的方法來評(píng)價(jià)材料的真實(shí)物性值。以此設(shè)計(jì)的材料經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)是安全可靠和經(jīng)濟(jì)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(jié)果更加真實(shí)。但實(shí)驗(yàn)與有限元解
析并用的方法作為標(biāo)準(zhǔn)來實(shí)施較為困難。

       國際上，如美國ASTM，日本JIS和歐洲EN標(biāo)準(zhǔn)均已規(guī)定了許多復(fù)合材料的試驗(yàn)方法，而且在不斷改進(jìn)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(jìn)復(fù)合材料的試驗(yàn)方法加緊進(jìn)行審議和標(biāo)準(zhǔn)化工作，在對各國的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較的基礎(chǔ)上制定新的國際標(biāo)準(zhǔn)。ASTM和JIS在制定新標(biāo)準(zhǔn)時(shí)也向ISO推薦，有向ISO逐漸靠近和統(tǒng)一趨勢。為此，我國
也應(yīng)該研究和制定與國際接軌的試驗(yàn)方法和標(biāo)準(zhǔn)，積極參與國際競爭。

       4 數(shù)據(jù)庫的建立與動(dòng)向

       在研究試驗(yàn)方法的同時(shí)，建立數(shù)據(jù)庫對于擴(kuò)大和普及復(fù)合材料的應(yīng)用是非常重要的。研究和把握影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)的試驗(yàn)方法及其標(biāo)準(zhǔn)化動(dòng)向，對創(chuàng)建科學(xué)可靠的復(fù)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(jī)械結(jié)構(gòu)物的設(shè)計(jì)者提供立即可用的有效數(shù)據(jù)，對于擴(kuò)大復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)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(fù)合材料具有可設(shè)計(jì)性且設(shè)計(jì)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(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要非常復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)；(3)由于復(fù)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(yàn)標(biāo)準(zhǔn)難以獲得材料的真實(shí)數(shù)據(jù)。為了擴(kuò)大復(fù)合材料在一般產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用，還需要最基本的組分材料物性值、復(fù)合結(jié)構(gòu)與形態(tài)及常規(guī)的力學(xué)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(jié)構(gòu)材料進(jìn)行精確可靠和經(jīng)濟(jì)合理的設(shè)計(jì)。

      5  結(jié)束語

      合材料是一種可設(shè)計(jì)、多功能、高性能的新型材料。對于這樣的新材料的試驗(yàn)與評(píng)價(jià)方法，目前世界各國均處于制定試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)研究和實(shí)施論證階段。可以直接引用和借鑒的成熟試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)較少。因此我國也必須重新認(rèn)識(shí)復(fù)合材料試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)化的重要性，有必要對現(xiàn)行試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行認(rèn)真研究和改進(jìn)，積極參加標(biāo)準(zhǔn)化研究的國際性協(xié)作活動(dòng)，加緊和加快建立更科學(xué)、更可靠的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，并與國際性標(biāo)
準(zhǔn)接軌。今后應(yīng)密切注視國際上復(fù)合材料力學(xué)性能評(píng)價(jià)的試驗(yàn)方法及動(dòng)向，加快我國復(fù)合材料的推廣和普及，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)評(píng)價(jià)方法的標(biāo)準(zhǔn)化和材料的標(biāo)準(zhǔn)化，增強(qiáng)參與國際性競爭的能力。特別是當(dāng)復(fù)合材料用于各類機(jī)械結(jié)構(gòu)物時(shí)，為了選擇材料和確定材料的設(shè)計(jì)容許值，可靠的力學(xué)特性試驗(yàn)法及真實(shí)的數(shù)據(jù)是至關(guān)重要的。一項(xiàng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的制定需要長時(shí)間的努力，建議政府有關(guān)部門重視和加緊對可獲取真實(shí)可靠材料性能數(shù)據(jù)的試驗(yàn)方法進(jìn)行研究，并組織力量探討和建立全面實(shí)用的復(fù)合材料數(shù)據(jù)庫。