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复合材料在高低温环境下测试拉伸性能的差异及注意事项
一、测试标准与方法
1. 、国际/行业标准
A、ISO 527-4/5：适用于复合材料拉伸试验，规定试样尺寸、加载速率及数据采集方法。
B、ISO 14126：针对复合材料压缩试验，适用于高低温环境。
C、ISO 14129：规定剪切试验方法，包括高低温条件下的测试。
D、ASTM标准：
E、ASTM D3039：低温拉伸试验标准，适用于聚合物基复合材料，规定试样制备、温度控制及数据记录要求。
F、ASTM D5083：高温拉伸试验标准，涵盖温度范围、加载速率及失效判断准则。
G、ASTM D695：压缩试验标准，适用于高低温环境下的复合材料。
2、国家标准：
AGB/T 1040：中国拉伸试验标准，结合国际标准制定适合国内需求的测试方法。
BGB/T 3355：压缩试验标准，规定高低温测试条件及数据处理的细节。
3、测试设备
A、高低温环境箱：
B、温度范围：-100℃至350℃，配备液氮或二氧化碳冷却系统（低温）及电阻加热系统（高温）。
C、温度均匀性：高温下控制在±3℃，低温下控制在±2℃。
4、拉伸试验机：
A、载荷精度：0.5级或更高，配备高精度传感器。
B、位移测量：使用引伸计或数字图像相关技术（DIC），高温下需耐高温型号（如高温引伸计）。
5、夹具：
A、材质：耐高温/低温材料（如不锈钢、钛合金），避免热膨胀导致夹持力变化。
B、设计：确保试样对齐，减少应力集中，高温夹具需防氧化，低温夹具需防冷脆。
6、试样制备
A、标准试样：矩形截面（宽25mm，长250mm），厚度根据材料类型调整（如陶瓷基复合材料通常为2-4mm）。
B、方向：根据测试需求（如0°、90°纤维方向）切割试样。
C、打磨：去除加工缺陷，表面粗糙度Ra≤1.6μm。
D、清洗：使用酒精或丙酮清洁，避免油污影响测试结果。
E、高温测试：试样需在测试温度下预处理1小时，消除热历史。
F、低温测试：试样需缓慢降温至目标温度，避免热冲击。
二、高低温对拉伸性能的影响
1、高温环境（如800℃~1200℃）
A、弹性模量：
初始线性段弹性模量与室温相近，但第二线性段（塑性变形阶段）弹性模量显著降低（如SiC/SiC复合材料在高温下第二模量下降30%-50%）。
B、拉伸强度：
强度下降：高温导致基体软化，纤维与基体界面结合减弱，强度降低（如SiC/SiC在1200℃时强度下降约20%）。纤维强度下降：高温下纤维（如SiC纤维）本身强度降低，加速材料失效。
C、断裂伸长率：
增加：高温下基体软化，纤维拔出长度增加，失效应变提高（如1200℃空气环境中，失效应变增加20%-40%）。
D、失效模式：
断口特征：纤维拔出严重，基体开裂，界面脱粘，呈现韧性断裂特征。
微观机制：基体裂纹扩展，纤维断裂，界面滑移主导失效过程。
2、低温环境（如-40℃~-196℃）
A、弹性模量：
增加：低温下基体分子链运动受阻，模量提高（如聚合物基复合材料在-40℃时模量增加10%-20%）。
B、拉伸强度：
强度提高：低温下基体脆性增加，但纤维增强效果维持强度，部分材料（如碳纤维增强复合材料）强度略有上升。
C、断裂伸长率：
显著降低：基体脆性导致塑性变形能力下降，断裂伸长率减少50%-70%。
D、失效模式：
断口特征：脆性断裂，断口平整，纤维断裂为主，基体开裂少。
微观机制：微裂纹扩展，基体与纤维界面结合增强，但低温导致裂纹快速贯穿。
三、测试关键差异与注意事项
1、温度控制
A高温测试：
保护气体：使用惰性气体（如氩气）防止氧化，流量控制在5-10L/min。
温度均匀性：通过热电偶监测，确保试样区域温差≤±3℃。
B、低温测试：
降温速率：控制在3-5℃/min，避免热冲击。冷凝控制：低温箱内湿度≤30%，防止试样表面结霜。
2、数据采集
A高温测试：
非接触式测量：采用DIC技术记录变形，避免高温对引伸计的影响。
数据频率：≥100Hz，捕捉快速变形过程。
B、低温测试：
耐低温引伸计：使用液氮冷却的引伸计，或通过DIC远程测量。数据稳定性：低温下传感器信号需放大处理，确保精度。
3、试样安装
A、高温测试：
夹具预热：夹具与试样同步升温，避免热梯度导致夹持力变化。
试样对齐：使用激光对准系统，确保拉伸轴与试样中心线重合。
B、低温测试：
夹具防冷脆：夹具表面镀镍或使用柔性材料，减少低温下应力集中。
试样固定：采用砂纸或胶粘剂增强夹持，防止低温下试样滑动。
4、结果分析
A、温度依赖性：
绘制应力-应变曲线，对比不同温度下的弹性模量、强度、断裂伸长率。
分析温度对纤维-基体界面、裂纹扩展的影响（如通过SEM观察断口）。
B、失效机制：
高温：关注基体软化、纤维强度下降及氧化效应。
低温：关注基体脆性、热收缩应力及微裂纹扩展。
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