復(fù)合材料拉伸試驗機是一種專門用于測定復(fù)合材料(如碳纖維增強塑料、玻璃纖維增強塑料、芳綸纖維增強塑料等)在軸向拉伸載荷下力學性能的高精度設(shè)備。由于復(fù)合材料具有各向異性、層間強度低、對夾持敏感等特點，其測試與傳統(tǒng)金屬材料有顯著不同，對試驗機提出了特殊要求。
 

　　一、核心功能與測試目的
 

　　復(fù)合材料拉伸試驗的核心目的是獲取以下關(guān)鍵力學性能參數(shù)：
 

　　1.拉伸強度：材料在斷裂前所能承受的最大拉伸應(yīng)力。
 

　　2.彈性模量：材料在彈性變形階段應(yīng)力與應(yīng)變的比值，表征材料的剛度。
 

　　3.泊松比：材料在受拉時，橫向應(yīng)變與軸向應(yīng)變的比值。
 

　　4.斷裂伸長率：材料斷裂時的應(yīng)變值，表征材料的延展性。
 

　　5.應(yīng)力-應(yīng)變曲線：完整記錄材料從開始加載到斷裂的全過程行為，是分析材料性能的基礎(chǔ)。
 

　　這些數(shù)據(jù)對于材料研發(fā)、質(zhì)量控制、產(chǎn)品設(shè)計、模擬仿真和失效分析至關(guān)重要。

 

　　二、主要組成部分
 

　　一臺復(fù)合材料拉伸試驗機通常由以下幾個核心系統(tǒng)構(gòu)成：
 

　　1.加載框架
 

　　類型：主要有門式框架和單立柱框架兩種。門式框架剛性更好，容量更大(從幾kN到幾百kN甚至上千kN)，是測試復(fù)合材料常用的類型。
 

　　作動器：通常采用伺服電機驅(qū)動精密滾珠絲杠來實現(xiàn)橫梁的移動，提供平穩(wěn)、精確的加載。
 

　　2.力測量系統(tǒng) - 測力傳感器
 

　　安裝在橫梁或底座上，用于精確測量試樣所承受的載荷。選擇傳感器時，其量程應(yīng)與預(yù)期最大載荷匹配，通常保證試驗載荷在傳感器量程的10%~90%之間，以確保最佳精度。
 

　　3.變形測量系統(tǒng) - 引伸計
 

　　這是復(fù)合材料測試中至關(guān)重要的部分。由于復(fù)合材料的各向異性，不能僅靠橫梁位移來計算應(yīng)變。
 

　　接觸式引伸計：常用的是雙軸引伸計，可以同時測量軸向和橫向應(yīng)變，從而精確計算彈性模量和泊松比。測試到一定應(yīng)變值后需手動或自動脫離，以防摔壞。
 

　　非接觸式引伸計(視頻引伸計)：利用高清攝像頭追蹤試樣標距上的散斑圖案，實時測量全場應(yīng)變。非常適合復(fù)合材料測試，因為它避免了接觸對試樣的影響，并能提供更豐富的應(yīng)變分布數(shù)據(jù)，尤其適用于斷裂分析。
 

　　4.夾持系統(tǒng) - 夾具
 

　　這是復(fù)合材料拉伸試驗的難點和關(guān)鍵。不當?shù)膴A持會導(dǎo)致試樣在夾口處提前破壞(鉗口破壞)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)無效。
 

　　楔形夾具：夾緊時，楔形塊在夾具體斜面上滑動，產(chǎn)生自鎖效應(yīng)，夾持力隨載荷增加而增大。
 

　　面內(nèi)加載夾具：為避免對試樣的擠壓，常用加強片(通常用玻璃纖維或鋁片制成)通過膠粘劑粘貼在試樣兩端，夾具夾持在加強片上，使力通過剪切力傳遞到試樣上，確保斷裂發(fā)生在平行段。
 

　　液壓夾具：提供均勻且可控制的夾持力，適用于自動化程度高的實驗室，但成本較高。
 

　　5.控制系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集軟件
 

　　控制系統(tǒng)：控制試驗過程的進行，如橫梁移動速度、保持載荷等。復(fù)合材料拉伸試驗通常采用應(yīng)變速率控制模式，以確保數(shù)據(jù)可比性。
 

　　軟件：是現(xiàn)代試驗機的“大腦”。它不僅控制機器，還負責數(shù)據(jù)采集、處理、分析和報告生成。軟件應(yīng)能符合相關(guān)國際國內(nèi)標準(如ASTM D3039, ISO 527-4/5等)，自動計算上述所有力學參數(shù)。
 

　　三、復(fù)合材料測試的特殊要求與關(guān)鍵技術(shù)特點
 

　　1.高剛性與高同軸度：框架必須具有高剛性，并且上下夾持中心必須精確對中，以消除不必要的彎曲應(yīng)力。許多試驗機配備有自動對中夾具。
 

　　2.多通道數(shù)據(jù)采集：必須能同步高速采集載荷、軸向應(yīng)變和橫向應(yīng)變信號，以確保計算準確。
 

　　3.精確的應(yīng)變控制：軟件需要能夠基于引伸計反饋的應(yīng)變信號來閉環(huán)控制試驗過程，而不僅僅是控制橫梁位移。
 

　　4.夾具設(shè)計：專用的、針對不同復(fù)合材料類型和標準的夾具是獲得有效數(shù)據(jù)的前提。
 

　　5.安全保護：配備緊急停止、過載保護、試樣斷裂檢測等功能，保護設(shè)備和操作人員安全。
 

　　四、主要應(yīng)用領(lǐng)域
 

　　1.航空航天：驗證碳纖維復(fù)合材在機翼、機身等結(jié)構(gòu)件中的性能。
 

　　2.汽車工業(yè)：輕量化設(shè)計中復(fù)合材料部件的性能評估。
 

　　3.風力發(fā)電：測試風機葉片用復(fù)合材料的強度和疲勞性能。
 

　　4.體育器材：評估自行車架、釣魚竿、網(wǎng)球拍等產(chǎn)品的材料性能。
 

　　5.科研與教育：新材料開發(fā)、力學行為研究。