CFRP，全稱為CarbonFiberReinforcedPlastics。碳纖維復(fù)合材料因其優(yōu)異的力學(xué)性能，在諸如航天航空、能源建筑、軍事工業(yè)等領(lǐng)域得到了越來多的重視和應(yīng)用。而碳纖維復(fù)合材料相較于金屬鈑金材料，其在耐腐蝕、耐疲勞、比強(qiáng)度、比模量等方面的優(yōu)勢(shì)，也在汽車設(shè)計(jì)領(lǐng)域受到越來越多的青睞。今天Aigtek安泰電子就給大家介紹一下由高電壓放大器組成的碳纖維材料疲勞測試系統(tǒng)。

在碳纖維材料疲勞測試中，因?yàn)閾p傷形式的多樣性影響，這些失效形式的耦合作用使得碳纖維復(fù)合材料的疲勞失效與現(xiàn)有汽車產(chǎn)業(yè)使用的常規(guī)鈑金材料有著很大的不同。以疲勞失效導(dǎo)致的裂紋為例，傳統(tǒng)金屬的裂紋擴(kuò)展形式較為單一，而碳纖維復(fù)合材料的疲勞失效往往體現(xiàn)為裂紋場的擴(kuò)展形式。所以疲勞測試的規(guī)劃按照其物理意義，以一個(gè)加載周期為表征且用一個(gè)波形來表示。

整個(gè)疲勞力學(xué)性能因規(guī)劃為主要針對(duì)加載頻率和碳纖維復(fù)合材料的疲勞壽命之間的影響關(guān)系。所以基于相同應(yīng)力水平下，針對(duì)本文的碳纖維復(fù)合材料的樣片進(jìn)行不同加載頻率的恒幅疲勞測試實(shí)驗(yàn)，其加載頻率分別為：1Hz、5Hz和15Hz，與之相對(duì)應(yīng)的疲勞性能試驗(yàn)可以按照典型的應(yīng)力比分為拉伸載荷疲勞力學(xué)試驗(yàn)（R=0.1），壓縮載荷疲勞力學(xué)試驗(yàn)（R=-0.5），其中拉伸載荷疲勞試驗(yàn)分為0°和45°兩個(gè)方向進(jìn)行，壓縮疲勞試驗(yàn)為0°方向進(jìn)行。

這些試驗(yàn)中，其測試樣片與準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)試驗(yàn)所采用的相同。測試環(huán)境的設(shè)定根據(jù)ASTMD3479標(biāo)準(zhǔn)模擬室溫進(jìn)行，溫度設(shè)定在20±5℃，濕度設(shè)定在45±5％。在應(yīng)力比R=0.1的應(yīng)力水平下共進(jìn)行了不同加載頻率下的疲勞壽命試驗(yàn)。

每組試驗(yàn)進(jìn)行3個(gè)壽命樣本的測試，試驗(yàn)結(jié)果如表5所列。本文所采用的碳纖維復(fù)合材料的疲勞極限為236MPa，其對(duì)應(yīng)的最大應(yīng)力與抗拉強(qiáng)度的比值為0.70。與常規(guī)鈑金材料的比值0.30~0.50的范圍相比較，可以看出碳纖維復(fù)合材料在疲勞極限上體現(xiàn)出了更好的力學(xué)性能。

試驗(yàn)后的樣片圖片可參見圖4，從失效樣片的斷口可以看出，由于不同的加載載荷所導(dǎo)致的應(yīng)力水平不同，對(duì)于最高循環(huán)應(yīng)力水平在疲勞循環(huán)的應(yīng)力峰值（650MPa，相當(dāng)于90%的抗拉強(qiáng)度）的失效樣件，其斷口呈脆性斷裂的特征且有部分纖維束被拉出。

而對(duì)于最低循環(huán)應(yīng)力水平在疲勞循環(huán)的應(yīng)力峰值（520MPa，相當(dāng)于70%的抗拉強(qiáng)度）的失效樣件，并未出現(xiàn)宏觀失效。而其他幾級(jí)應(yīng)力水平的樣片，分別出現(xiàn)了部分纖維斷裂乃至分層失效等宏觀表征。

應(yīng)力比R=-0.5的應(yīng)力水平下共進(jìn)行了不同加載頻率下的疲勞壽命試驗(yàn)。每組試驗(yàn)進(jìn)行3個(gè)壽命樣本的測試，其試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

從試驗(yàn)后的樣片圖5可以看出，除了一組試樣沒有出現(xiàn)斷裂的疲勞失效（對(duì)應(yīng)于最低循環(huán)應(yīng)力水平）外，其余幾組試樣都不同程度的出現(xiàn)了與準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)后相類似的失效模式，即試樣的斷面與加載方向都呈現(xiàn)出了一定的角度。

應(yīng)力比R=-0.5下的材料疲勞極限(180MPa)小于應(yīng)力比R=0.1疲勞載荷下的疲勞極限(236MPa)，即此碳纖維復(fù)合材料的拉伸疲勞性能要好于其壓縮性能。

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審核編輯 黃宇