《纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料層合板沖擊后壓縮性能試驗(yàn)方法》編制說明

《纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料層合板沖擊

后壓縮性能試驗(yàn)方法》

編制說明

1、工作簡況

制定本標(biāo)準(zhǔn)任務(wù)來源于CSTM標(biāo)準(zhǔn)委員會航空材料領(lǐng)域委員會2019年下達(dá)的

計(jì)劃，標(biāo)準(zhǔn)計(jì)劃編號為CSTMLX530400286-2019。2019年開始制定工作，2020

年完成。

本標(biāo)準(zhǔn)的主編單位為中國航發(fā)北京航空材料研究院，參編單位有中國航發(fā)商

用航空發(fā)動機(jī)有限責(zé)任公司和沈陽飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司。2019年7月成

立標(biāo)準(zhǔn)制定項(xiàng)目組，項(xiàng)目組成員及單位詳見表1。

表1標(biāo)準(zhǔn)制定項(xiàng)目組成員及單位

序號單位姓名職稱分工

1中國航發(fā)北京航空材料研究院陳新文高工方案制定、標(biāo)準(zhǔn)編寫、驗(yàn)證試驗(yàn)

2中國航發(fā)北京航空材料研究院王海鵬高工驗(yàn)證試驗(yàn)、數(shù)據(jù)處理

3中國航發(fā)北京航空材料研究院鄧立偉高工標(biāo)準(zhǔn)資料收集、驗(yàn)證試驗(yàn)

4中國航發(fā)商用航空發(fā)動機(jī)有限責(zé)任

王禎鑫高工標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)內(nèi)容分析討論

公司

5中國航發(fā)北京航空材料研究院馬麗婷高工標(biāo)準(zhǔn)資料收集、組織初稿討論

6中國航發(fā)北京航空材料研究院王雅娜工程師標(biāo)準(zhǔn)資料收集、組織初稿討論

7沈陽飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司楊國騰研究員標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)內(nèi)容分析討論

8中國航發(fā)北京航空材料研究院楊洋工程師驗(yàn)證試驗(yàn)和分析

9中國航發(fā)北京航空材料研究院王翔工程師試驗(yàn)和數(shù)據(jù)處理

2、標(biāo)準(zhǔn)化對象簡要情況及制修訂標(biāo)準(zhǔn)的原則

2.1標(biāo)準(zhǔn)化對象簡要情況

沖擊后壓縮試驗(yàn)的目的是獲得復(fù)合材料受低能量沖擊后，在含有損傷狀態(tài)下

材料的剩余壓縮強(qiáng)度，也稱為沖擊后壓縮強(qiáng)度。沖擊后壓縮強(qiáng)度是聚合物基復(fù)合

材料結(jié)構(gòu)損傷容限設(shè)計(jì)所考慮的重要力學(xué)參量，也是評定聚合物基復(fù)合材料韌性

的重要指標(biāo)。

沖擊后壓縮試驗(yàn)技術(shù)的關(guān)鍵內(nèi)容在于三個方面：一是在沖擊試驗(yàn)過程中，應(yīng)

保證沖擊加載系統(tǒng)對試樣的沖擊能量是準(zhǔn)確的，且沖擊能量盡可能被試樣吸收，

沖擊頭不能對試樣有二次沖擊；二是壓縮試驗(yàn)過程中試樣不能發(fā)生明顯的彎曲

變形，亦即試樣應(yīng)在壓縮應(yīng)力作用下發(fā)生破壞，而不是在彎矩作用下發(fā)生破壞，

且破壞位置在沖擊損傷位置；三是對于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷容限設(shè)計(jì)用沖擊后壓縮

性能的獲得方面，應(yīng)該在特征損傷條件下測定沖擊后壓縮強(qiáng)度，而特征損傷對應(yīng)

的是條件沖擊能量，而不是標(biāo)準(zhǔn)沖擊能量，因此條件沖擊能量的確定方法是這部

分的關(guān)鍵。

NASA1142.B11“復(fù)合材料沖擊后壓縮性能試驗(yàn)方法”和HB6739-93“碳纖

維復(fù)合材料層合板沖擊后壓縮試驗(yàn)方法”規(guī)定了必須防止對試樣的二次沖擊，但

是對如何保證準(zhǔn)確的沖擊能量、壓縮彎曲變形的定量控制等沒有規(guī)定；SACMASRM

2R-94“定向纖維樹脂基復(fù)合材料沖擊后壓縮試驗(yàn)方法”規(guī)定了應(yīng)防止二次沖擊，

可以用沖擊速率來校核沖擊能量的準(zhǔn)確性，應(yīng)該用應(yīng)變片來檢測試樣的屈曲變形

但沒有定量化；GB/T21239-2007“纖維增強(qiáng)塑料層合板沖擊后壓縮性能試驗(yàn)方

法”在防止二次沖擊、壓縮屈曲變形定量監(jiān)測方面作了規(guī)定；ASTMD7136-2015

和ASTMD7137-2017在防止二次沖擊、沖擊能量準(zhǔn)確性校核、壓縮試驗(yàn)時定量監(jiān)

測試樣屈曲變形、損傷檢測、有效彈性模量測定、預(yù)加載等方面都作了規(guī)定，并

且提到測定材料抵抗某種明顯可見損傷或穿透性能時，可以選擇其他規(guī)格沖擊頭。

以上現(xiàn)有沖擊后壓縮試驗(yàn)方法或多或少都存在技術(shù)缺陷，ASTMD7136和ASTM

D7137技術(shù)內(nèi)容相對完整和先進(jìn)，但是在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)用沖擊后壓縮強(qiáng)度測

定方面的規(guī)定僅是提示性的，依然不具有可操作性。

通過項(xiàng)目組多年的研究，逐步形成了相對完整的沖擊后壓縮性能測試技術(shù)，

不僅克服了現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)內(nèi)容的缺點(diǎn)，還補(bǔ)充了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)用沖擊后壓縮

性能數(shù)據(jù)獲取的詳細(xì)技術(shù)內(nèi)容，并在工程項(xiàng)目中得到了很好的應(yīng)用?？梢?，復(fù)合

材料沖擊后壓縮性能測試技術(shù)已具備制定一個相對完善的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法的條件，

并在相關(guān)領(lǐng)域推廣應(yīng)用，促進(jìn)我國復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

2.2制修訂標(biāo)準(zhǔn)的原則

制定本標(biāo)準(zhǔn)須堅(jiān)持四點(diǎn)原則：

（1）符合GB/T1.1-2009規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)和編寫規(guī)則；

（2）技術(shù)內(nèi)容完整：不僅可以試驗(yàn)表征和測定均衡對稱復(fù)合材料層合板的

材料級沖擊后壓縮性能，也包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)用典型鋪層材料的沖擊后壓縮性能（損

傷容限設(shè)計(jì)許用值確定用）。

（3）技術(shù)內(nèi)容準(zhǔn)確合理：施加的關(guān)鍵試驗(yàn)技術(shù)參數(shù)要準(zhǔn)確，如：施加到試

樣上的真實(shí)沖擊能量與設(shè)定能量的一致性須有校核規(guī)定；壓縮試驗(yàn)中試樣不能有

明顯屈曲變形，須規(guī)定定量的監(jiān)測方法；測定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)用典型鋪層材料的沖擊后

壓縮性能時，條件沖擊能量的確定須有統(tǒng)一可靠的方法等。

（4）試驗(yàn)步驟規(guī)定的關(guān)鍵技術(shù)內(nèi)容須有可操作性：對試驗(yàn)結(jié)果有重大影響

的技術(shù)內(nèi)容，必須具備現(xiàn)實(shí)可操作性，不能做籠統(tǒng)要求，盡量可量化實(shí)施。

3、采用國際標(biāo)準(zhǔn)和國外先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)情況

1993年我國等效采用NASA1142.B11“復(fù)合材料沖擊后壓縮性能試驗(yàn)方法”

制定了HB6739-93“碳纖維復(fù)合材料層合板沖擊后壓縮試驗(yàn)方法”，該方法試樣

尺寸大（300×175mm），消耗材料多，試驗(yàn)操作繁雜。沖擊后的試樣須再次加工

成250×125mm尺寸，近幾年已很少采用；SACMASRM2R-94“定向纖維樹脂基復(fù)

合材料沖擊后壓縮試驗(yàn)方法”規(guī)定試樣尺寸為150mm×100mm，且對試樣鋪層形

式限制較死，選擇余地不大；GB/T21239-2007“纖維增強(qiáng)塑料層合板沖擊后壓

縮性能試驗(yàn)方法”參照ASTMD7136－05“纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料對落錘沖

擊的損傷阻抗試驗(yàn)方法”和ASTMD7137－05“含損傷聚合物基復(fù)合材料層壓板

壓縮剩余強(qiáng)度性能試驗(yàn)方法”制定，在損傷檢測、有效彈性模量測定、預(yù)加載等

方面都做了省略，規(guī)定試樣尺寸為150mm×100mm，沖擊后不需再加工，節(jié)省材

料，對復(fù)合材料厚度和鋪層作了細(xì)致規(guī)定，以上三個方法得到的剩余強(qiáng)度數(shù)據(jù)是

材料規(guī)范和應(yīng)用研究常用的，因?yàn)榉椒ㄋ?guī)定的試樣幾何尺寸和物理狀態(tài)是特定

的，不適用于評估復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的損傷容限性能；經(jīng)過數(shù)次修訂，ASTM

D7136-2015和ASTMD7137-2017技術(shù)內(nèi)容都有了一定變化，如：ASTMD7136規(guī)

定評估材料抵抗某種明顯可見損傷或穿透性能時，可以選擇其他規(guī)格沖擊頭，

ASTMD7137在文本邏輯和格式編排方面作了較大變動。

美國軍用手冊MIL-HDBK-17E、MIL-HDBK-17F和最新版FAA手冊CMH-17均把

ASTMD7136、ASTMD7137和SACMASRM2R-94作為評估復(fù)合材料損傷阻抗、受

沖擊后壓縮剩余強(qiáng)度，以及用典型鋪層材料、厚度、鋪層順序等制造的復(fù)合材料

結(jié)構(gòu)的損傷容限能力的指南。

GB/T21239-2007不僅在標(biāo)準(zhǔn)試樣損傷阻抗和沖擊后壓縮性能測定方面表現(xiàn)

出技術(shù)落后，與ASTMD7136、ASTMD7137和SACMASRM2R-94相同，都沒有提

供用于任意鋪層復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷容限評定的試驗(yàn)依據(jù)，而這是當(dāng)前國內(nèi)復(fù)合材

料結(jié)構(gòu)研制所迫切需求的。

本標(biāo)準(zhǔn)主要參考ASTMD7136-2015和ASTMD7137-2017，確定了均衡對稱層

合板試驗(yàn)的主要技術(shù)內(nèi)容，包括試樣尺寸、試驗(yàn)?zāi)芰康拇_定方法、防二次沖擊的

規(guī)定、壓縮屈曲變形的定量監(jiān)測方法等。另外，本標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)工程實(shí)際需要，結(jié)合

多年工程項(xiàng)目研究經(jīng)驗(yàn)補(bǔ)充了典型結(jié)構(gòu)鋪層材料在條件沖擊能量作用后的剩余

壓縮性能試驗(yàn)方法，核心內(nèi)容為條件沖擊能量的確定方法。

4、標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容確定依據(jù)

4.1試樣

推薦的標(biāo)準(zhǔn)試樣參考了GB/T21239-2007、ASTMD7136－2015和ASTM

D7137-2017規(guī)定，同時增加了對典型結(jié)構(gòu)鋪層材料的考慮。

4.2試驗(yàn)條件

推薦的試驗(yàn)條件6.67J/mm參考了GB/T21239-2007、ASTMD7136－2015和

ASTMD7137-2017規(guī)定。根據(jù)實(shí)際需要和多年的研究結(jié)果增加了條件沖擊能量的

確定方法，主要借鑒了疲勞試驗(yàn)中條件疲勞極限“升降法”的原理，這部分內(nèi)容

是本標(biāo)準(zhǔn)區(qū)別其他現(xiàn)有方法的主要地方，解決了典型結(jié)構(gòu)復(fù)合材料損傷容限設(shè)計(jì)

所需沖擊后壓縮性能數(shù)據(jù)測定無方法可依的問題。

4.3試驗(yàn)設(shè)備和試樣裝置

試驗(yàn)設(shè)備和試樣裝置的規(guī)定參考了GB/T21239-2007的規(guī)定。

4.4落錘高度

參考了GB/T21239-2007、ASTMD7136－2015和ASTMD7137-2017。

4.5屈曲變形的定量監(jiān)測

參考了GB/T21239-2007和ASTMD7137-2017。

4.6結(jié)果計(jì)算

沖擊后壓縮強(qiáng)度和模量參考了ASTMD7137-2017。根據(jù)工程實(shí)際需要增加了

沖擊后壓縮破壞應(yīng)變的內(nèi)容。

5、主要試驗(yàn)（或驗(yàn)證）結(jié)果的分析

采用該方法對T700SC/NY9200GB、T300/5405和T300/HD03三種復(fù)合材料的

CAI性能進(jìn)行了測試，試驗(yàn)結(jié)果列在表1中。同種材料同種條件下的試驗(yàn)結(jié)果穩(wěn)

定，分散性小。

表1驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果（試樣尺寸150mm×100mm，沖擊能量：6.7J/mm）

，MPa

σCAI

材料試樣編號厚度，mm

單個值平均值離散系數(shù)，％

15.48195

T700SC/NY9200GB①25.46221

2056.4

35.52209

[45/0/-45/90]5S

45.47193

11.79133

21.78124

T300/5405①

31.771201226.2

[45/0/-45/90]3S41.95122

51.79112

11.75117

21.75118

T300/5405②

31.791081134.8

[45/0/-45/90]3S41.74115

51.78106

11.73137

T300/5405③21.74133

1324.6

[45/0/-45/90]3S31.73125

12.44150

T300/HD03①22.22146

1481.4

[45/0/-45/90]3S32.31147

12.60133

22.18136

T300/HD03②

32.331311287.0

[45/0/-45/90]3S42.32129

52.15113

12.16141

T300/HD03③22.43156

1547.8

[45/0/-45/90]3S32.37165

注：①—新試樣；②—試樣在北京自然曝露2年；③—試樣在海南自然曝露2年。

6、與有關(guān)的現(xiàn)行的方針、政策、法律、法規(guī)和強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)系

本標(biāo)準(zhǔn)不違反有關(guān)的現(xiàn)行的方針、政策、法律、法規(guī)，與相關(guān)強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)不

沖突。

7、重大分歧意見的處理經(jīng)過和依據(jù)

無。

8、預(yù)期的社會、經(jīng)濟(jì)效果

沖擊后壓縮性能時復(fù)合材料損傷容限設(shè)計(jì)所關(guān)注的最主要性能，也是評定復(fù)

合材料韌性的重要指標(biāo)，本標(biāo)準(zhǔn)是在參考現(xiàn)行國內(nèi)外權(quán)威相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，結(jié)

合大量工程研究結(jié)果編制而成，不僅繼承了大量現(xiàn)行有效成果，還增加了針對典

型結(jié)構(gòu)鋪層復(fù)合材料損傷容限設(shè)計(jì)用沖擊后壓縮性能試驗(yàn)的相關(guān)技術(shù)內(nèi)容，解決

了當(dāng)前工程項(xiàng)目這部分試驗(yàn)無標(biāo)準(zhǔn)可依的難題。該標(biāo)準(zhǔn)的制定完善了復(fù)合材料沖

擊后壓縮性能試驗(yàn)方法，對復(fù)合材料研制和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要的基礎(chǔ)技術(shù)支撐作

用。

9、貫徹標(biāo)準(zhǔn)的要求和措施建議

應(yīng)組織相關(guān)領(lǐng)域人員，以培訓(xùn)形式對本標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行全面的宣貫。

10、廢止有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的建議

無。

11、標(biāo)準(zhǔn)涉及專利情況說明

無。

12、重要需要說明的事項(xiàng)

無。

CSTM團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)

編制說明

標(biāo)準(zhǔn)名稱纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料層合板沖擊后

壓縮性能試驗(yàn)方法

主編單位中國航發(fā)北京航空材料研究院

計(jì)劃編號

填報時間

《纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料層合板沖擊

后壓縮性能試驗(yàn)方法》

編制說明

1、工作簡況

制定本標(biāo)準(zhǔn)任務(wù)來源于CSTM標(biāo)準(zhǔn)委員會航空材料領(lǐng)域委員會2019年下達(dá)的

計(jì)劃，標(biāo)準(zhǔn)計(jì)劃編號為CSTMLX530400286-2019。2019年開始制定工作，2020

年完成。

本標(biāo)準(zhǔn)的主編單位為中國航發(fā)北京航空材料研究院，參編單位有中國航發(fā)商

用航空發(fā)動機(jī)有限責(zé)任公司和沈陽飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司。2019年7月成

立標(biāo)準(zhǔn)制定項(xiàng)目組，項(xiàng)目組成員及單位詳見表1。

表1標(biāo)準(zhǔn)制定項(xiàng)目組成員及單位

序號單位姓名職稱分工

1中國航發(fā)北京航空材料研究院陳新文高工方案制定、標(biāo)準(zhǔn)編寫、驗(yàn)證試驗(yàn)

2中國航發(fā)北京航空材料研究院王海鵬高工驗(yàn)證試驗(yàn)、數(shù)據(jù)處理

3中國航發(fā)北京航空材料研究院鄧立偉高工標(biāo)準(zhǔn)資料收集、驗(yàn)證試驗(yàn)

4中國航發(fā)商用航空發(fā)動機(jī)有限責(zé)任

王禎鑫高工標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)內(nèi)容分析討論

公司

5中國航發(fā)北京航空材料研究院馬麗婷高工標(biāo)準(zhǔn)資料收集、組織初稿討論

6中國航發(fā)北京航空材料研究院王雅娜工程師標(biāo)準(zhǔn)資料收集、組織初稿討論

7沈陽飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司楊國騰研究員標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)內(nèi)容分析討論

8中國航發(fā)北京航空材料研究院楊洋工程師驗(yàn)證試驗(yàn)和分析

9中國航發(fā)北京航空材料研究院王翔工程師試驗(yàn)和數(shù)據(jù)處理

2、標(biāo)準(zhǔn)化對象簡要情況及制修訂標(biāo)準(zhǔn)的原則

2.1標(biāo)準(zhǔn)化對象簡要情況

沖擊后壓縮試驗(yàn)的目的是獲得復(fù)合材料受低能量沖擊后，在含有損傷狀態(tài)下

材料的剩余壓縮強(qiáng)度，也稱為沖擊后壓縮強(qiáng)度。沖擊后壓縮強(qiáng)度是聚合物基復(fù)合

材料結(jié)構(gòu)損傷容限設(shè)計(jì)所考慮的重要力學(xué)參量，也是評定聚合物基復(fù)合材料韌性

的重要指標(biāo)。

沖擊后壓縮試驗(yàn)技術(shù)的關(guān)鍵內(nèi)容在于三個方面：一是在沖擊試驗(yàn)過程中，應(yīng)

保證沖擊加載系統(tǒng)對試樣的沖擊能量是準(zhǔn)確的，且沖擊能量盡可能被試樣吸收，

沖擊頭不能對試樣有二次沖擊；二是壓縮試驗(yàn)過程中試樣不能發(fā)生明顯的彎曲

變形，亦即試樣應(yīng)在壓縮應(yīng)力作用下發(fā)生破壞，而不是在彎矩作用下發(fā)生破壞，

且破壞位置在沖擊損傷位置；三是對于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷容限設(shè)計(jì)用沖擊后壓縮

性能的獲得方面，應(yīng)該在特征損傷條件下測定沖擊后壓縮強(qiáng)度，而特征損傷對應(yīng)

的是條件沖擊能量，而不是標(biāo)準(zhǔn)沖擊能量，因此條件沖擊能量的確定方法是這部

分的關(guān)鍵。

NASA1142.B11“復(fù)合材料沖擊后壓縮性能試驗(yàn)方法”和HB6739-93“碳纖

維復(fù)合材料層合板沖擊后壓縮試驗(yàn)方法”規(guī)定了必須防止對試樣的二次沖擊，但

是對如何保證準(zhǔn)確的沖擊能量、壓縮彎曲變形的定量控制等沒有規(guī)定；SACMASRM

2R-94“定向纖維樹脂基復(fù)合材料沖擊后壓縮試驗(yàn)方法”規(guī)定了應(yīng)防止二次沖擊，

可以用沖擊速率來校核沖擊能量的準(zhǔn)確性，應(yīng)該用應(yīng)變片來檢測試樣的屈曲變形

但沒有定量化；GB/T21239-2007“纖維增強(qiáng)塑料層合板沖擊后壓縮性能試驗(yàn)方

法”在防止二次沖擊、壓縮屈曲變形定量監(jiān)測方面作了規(guī)定；ASTMD7136-2015

和ASTMD7137-2017在防止二次沖擊、沖擊能量準(zhǔn)確性校核、壓縮試驗(yàn)時定量監(jiān)

測試樣屈曲變形、損傷檢測、有效彈性模量測定、預(yù)加載等方面都作了規(guī)定，并

且提到測定材料抵抗某種明顯可見損傷或穿透性能時，可以選擇其他規(guī)格沖擊頭。

以上現(xiàn)有沖擊后壓縮試驗(yàn)方法或多或少都存在技術(shù)缺陷，ASTMD7136和ASTM

D7137技術(shù)內(nèi)容相對完整和先進(jìn)，但是在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)用沖擊后壓縮強(qiáng)度測

定方面的規(guī)定僅是提示性的，