【检测表征】复合材料测试专题：Part3 测试系统
题记：在前两篇复合材料测试专题文章《Part1 机械性能测试》中介绍了复合材料机械性能测试内容及通用的测试标准（延伸阅读原文），《Part2 机械性能应变测试》中介绍了复合材料力学性能测试时应变情况（延伸阅读原文），本文作为系列文章最后一篇主要介绍了复合材料测试系统分析。
在为复合材料测试配置系统时，需要考虑几个因素（图1）。首先，测试需要按照适当的标准和审计要求进行，这意味着系统必须能够适应每次试验所需的夹具，并满足有关样品对齐和其他因素的要求。其次，需要提供正确的测试环境，以便任何所需的夹具都能在其中可靠地运行。此外，更改测试设置的过程应简单，以保持较高的效率，系统应易于使用，并尽量减少操作员所需的技能水平，从而降低出错的可能性。
图 1.带有环境舱的 Instron 6800 系列通用测试系统，用于在非环境温度下测试复合材料。
试验机应具有较高的轴向刚度，并且非常坚固，以减少和抵抗复合材料破坏时反复的大冲击力造成的磨损。它们还应具有较高的横向刚度和精确的导向系统，以保持样品对齐，特别是在进行压缩试验时。
最好有一个测量范围宽的测力系统，因为这样就不需要在从高压试验（如拉伸/压缩）切换到低压试验（如ILSS）时更换称重传感器。同样重要的是，要保护机器电子设备，防止碳纤维灰尘和碎屑进入，因为碳纤维是导电的，会损坏电子设备。
复合材料最常见的试验环境是高温，一般在80-250℃之间。试验前可在特定环境中对试样进行调节，通常是温度、湿度和液体（如水、燃料和液压液）暴露。聚合物复合材料与调节介质达到平衡所需的时间通常为几天或几周，大多数短时静态性能测试是在仅提供温度环境的试验箱中进行的。
设计用于低温和高温试验的试验室通常配备有电加热元件和用于冷却的低温注入系统（通常是液氮或二氧化碳）。尽管机械系统通常不能提供低温喷射冷却所能达到的高冷却速率和最低温度，但它们适合为长期试验提供恒定温度。
夹具和固定装置
适用于复合材料试验的夹具包括手动和液压楔形夹具。对于要求苛刻的航空航天试验，液压楔形夹具通常是首选，因为它们可精确对齐并可重复。但是，精心设计的机械楔形夹具也可以提供可接受的对齐方式。为了安全可靠，用于非环境试验的液压夹具解决方案通常是将液压元件放置在温度室外部。
在大多数情况下，最好将夹具永久固定在试验机上，并根据需要使用“背负式”适配器将任何试验夹具（如压板或弯曲夹具）安装到夹架上。这种方法减少了搬运重物的需要，并保持了夹持对齐。
对齐
由于复合材料具有各向异性而且具有明显脆性，在测试复合材料时，精确对准非常重要。可调节对准夹具可用于确保测试系统符合航空航天行业使用的特定审计程序（如Nadcap AC7122/1）所要求的标准。对准夹具需要允许在机器负载串处于负载状态时调整同心度和角度。确认校准的公认方法是使用应变计“校准单元或样品”检查负载下的校准。校准单元的尺寸应尽可能接近被测样品。
通常，校准单元将配备两组或三组四个应变计。可以记录压力计的输出并手动计算由未对准引起的弯曲，但这是一个复杂而繁琐的过程。幸运的是，软件可以提供弯曲和同心度和角度误差的实时显示。
对准软件显示
试验机软件
软件负责控制试验机、采集试验数据、分析数据、生成试验结果。最新一代的测试软件能够做到这一切，甚至更多。例如，触摸屏技术可以简化和增强操作员与系统交互的方式。数据和报告还可以导出到网络和数据库，软件可以将系统与其他设备（如温度箱和尺寸测量设备）集成。
安全也是一个重要的考虑因素。安全的关键要素是对用户的核查和确认、电子签名和可追溯性。通常，用户的验证和确认意味着规范特定个人对软件中不同功能的访问。例如，实验室管理员可以创建和修改测试方法，而操作员对测试参数的访问权限有限，只能运行已经预先配置好的方法。电子签名使用户有权批准测试结果和文件。此外，还可以生成方法和测试结果更改的审计跟踪，例如，当发布测试标准的新版本并修改测试方法时，这将与所有更改的列表一起记录在文件修订号中。
复合材料测试的未来
新材料和新工艺的开发以及复合材料新市场的拓展将继续推动复合材料试验发展。复合材料的力学测试是复杂的，涉及到一系列的测试类型和标准，以及在各种环境中进行条件和测试的需要。具有对齐夹具、可互换夹具和具有预配置方法的直观软件的集成测试系统将继续使测试尽可能简单、准确和高效。