技术干货丨复合材料拉伸试验机分享

　　复合材料拉伸试验机是一种专门用于测定复合材料(如碳纤维增强塑料、玻璃纤维增强塑料、芳纶纤维增强塑料等)在轴向拉伸载荷下力学性能的高精度设备。由于复合材料具有各向异性、层间强度低、对夹持敏感等特点，其测试与传统金属材料有显著不同，对试验机提出了特殊要求。
 

　　一、核心功能与测试目的
 

　　复合材料拉伸试验的核心目的是获取以下关键力学性能参数：
 

　　1.拉伸强度：材料在断裂前所能承受的最大拉伸应力。
 

　　2.弹性模量：材料在弹性变形阶段应力与应变的比值，表征材料的刚度。
 

　　3.泊松比：材料在受拉时，横向应变与轴向应变的比值。
 

　　4.断裂伸长率：材料断裂时的应变值，表征材料的延展性。
 

　　5.应力-应变曲线：完整记录材料从开始加载到断裂的全过程行为，是分析材料性能的基础。
 

　　这些数据对于材料研发、质量控制、产品设计、模拟仿真和失效分析至关重要。

 

　　二、主要组成部分
 

　　一台复合材料拉伸试验机通常由以下几个核心系统构成：
 

　　1.加载框架
 

　　类型：主要有门式框架和单立柱框架两种。门式框架刚性更好，容量更大(从几kN到几百kN甚至上千kN)，是测试复合材料常用的类型。
 

　　作动器：通常采用伺服电机驱动精密滚珠丝杠来实现横梁的移动，提供平稳、精确的加载。
 

　　2.力测量系统 - 测力传感器
 

　　安装在横梁或底座上，用于精确测量试样所承受的载荷。选择传感器时，其量程应与预期最大载荷匹配，通常保证试验载荷在传感器量程的10%~90%之间，以确保最佳精度。
 

　　3.变形测量系统 - 引伸计
 

　　这是复合材料测试中至关重要的部分。由于复合材料的各向异性，不能仅靠横梁位移来计算应变。
 

　　接触式引伸计：常用的是双轴引伸计，可以同时测量轴向和横向应变，从而精确计算弹性模量和泊松比。测试到一定应变值后需手动或自动脱离，以防摔坏。
 

　　非接触式引伸计(视频引伸计)：利用高清摄像头追踪试样标距上的散斑图案，实时测量全场应变。非常适合复合材料测试，因为它避免了接触对试样的影响，并能提供更丰富的应变分布数据，尤其适用于断裂分析。
 

　　4.夹持系统 - 夹具
 

　　这是复合材料拉伸试验的难点和关键。不当的夹持会导致试样在夹口处提前破坏(钳口破坏)，导致数据无效。
 

　　楔形夹具：夹紧时，楔形块在夹具体斜面上滑动，产生自锁效应，夹持力随载荷增加而增大。
 

　　面内加载夹具：为避免对试样的挤压，常用加强片(通常用玻璃纤维或铝片制成)通过胶粘剂粘贴在试样两端，夹具夹持在加强片上，使力通过剪切力传递到试样上，确保断裂发生在平行段。
 

　　液压夹具：提供均匀且可控制的夹持力，适用于自动化程度高的实验室，但成本较高。
 

　　5.控制系统与数据采集软件
 

　　控制系统：控制试验过程的进行，如横梁移动速度、保持载荷等。复合材料拉伸试验通常采用应变速率控制模式，以确保数据可比性。
 

　　软件：是现代试验机的“大脑”。它不仅控制机器，还负责数据采集、处理、分析和报告生成。软件应能符合相关国际国内标准(如ASTM D3039, ISO 527-4/5等)，自动计算上述所有力学参数。
 

　　三、复合材料测试的特殊要求与关键技术特点
 

　　1.高刚性与高同轴度：框架必须具有高刚性，并且上下夹持中心必须精确对中，以消除不必要的弯曲应力。许多试验机配备有自动对中夹具。
 

　　2.多通道数据采集：必须能同步高速采集载荷、轴向应变和横向应变信号，以确保计算准确。
 

　　3.精确的应变控制：软件需要能够基于引伸计反馈的应变信号来闭环控制试验过程，而不仅仅是控制横梁位移。
 

　　4.夹具设计：专用的、针对不同复合材料类型和标准的夹具是获得有效数据的前提。
 

　　5.安全保护：配备紧急停止、过载保护、试样断裂检测等功能，保护设备和操作人员安全。
 

　　四、主要应用领域
 

　　1.航空航天：验证碳纤维复合材在机翼、机身等结构件中的性能。
 

　　2.汽车工业：轻量化设计中复合材料部件的性能评估。
 

　　3.风力发电：测试风机叶片用复合材料的强度和疲劳性能。
 

　　4.体育器材：评估自行车架、钓鱼竿、网球拍等产品的材料性能。
 

　　5.科研与教育：新材料开发、力学行为研究。