复合材料力学压缩性能实验教学研究与探索

李立兵

摘要：复合材料力学压缩性能实验与金属材料力学压缩性能实验不同，由于其影响因素多、实验实施过程复杂等原因，实验比较难以得到准确数据而且实验教学效果也不好。文章针对复合材料力学压缩性能实验教学中存在的问题进行了分析与研究，结合国内外复合材料压缩性能试验的现状与自身教学实践，探索性地给出了复合材料力学压缩性能实验教学中问题的解决方法，并通过自身实验教学验证取得了比较好的效果。

关键词：复合材料力学;压缩性能;实验教学

中图分类号：G642.0     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2019）51-0118-02

一、引言

复合材料[1]是由两种以上不同材料通过复合工艺组合而成的新型材料。具有重量轻、比强度高、比刚度高、加工成型方便以及热稳定性能、抗疲劳性能和减振性能好等优点，被广泛应用于航空航天、汽车、化工、纺织、建筑、健身器材等领域。普通工程金属材料通常具有各向同性和均质特点，而复合材料则不同，它一般具有各向异性和非均质特点。复合材料的性能取决于合理设计和合理复合工艺。通过合理设计，在所需要的方向上增大材料的强度和刚度，消除材料的冗余，最大限度地发挥材料的潜力。通过合理控制复合工艺方法、参数和过程，最大限度地保证材料产品的一致性。由于材料成形工艺过程中很难准确控制工藝参数，因此同批次材料的性能分散性较大。另外，复合材料在成形工艺过程中形成的缺陷对材料的力学性能影响也大。因此，在工程应用中对复合材料力学性能的测定就变得十分重要，而其中复合材料压缩性能测定，由于影响因素多、试验实施过程复杂等原因[2]，比较难以测得准确数据。作为复合材料力学压缩性能实验教学，就很有必要研究与探索如何让学生掌握此实验的技术，达到实验教学目的。金属材料力学压缩性能实验[3]比较简单，实施过程也比较方便，首先根据国家相关标准制作圆柱形试样，例如低碳钢压缩试样高度与直径之比为3∶2，铸铁压缩试样高度与直径之比为2∶1，然后在万能材料试验机上进行加载实验，实验加载过程中试样两端必须保持平行，且与轴线垂直，最后观察金属压缩变形和破坏形式与理论分析结果相吻合。

二、复合材料力学压缩实验中教学问题研究

目前，复合材料力学性能实验为复合材料力学课程课内实验，而不是独立的一门实验课程，这与金属材料力学实验课程不同。压缩性能实验是其中力学性能的一个实验项目，实验主要作用是验证复合材料压缩理论，是课堂教学的一个补充。研究发现存在以下几个问题：

1.实验教学模式与学生能力培养相背离。压缩性能实验作为复合材料力学压缩理论教学的补充，经过多年教学跟踪发现学生在实验教学过程中，由于实验教学时间短，不能参与实验准备，一直处于被动学习状态，通常做完实验，处理一下实验数据，提交一个报告就结束了。等到毕业设计进入科研阶段学习的时候，要做相同材料力学性能实验，学生又不会做了。这表明实验教学只顾验证理论教学不行，忽略了对学生实践和创新能力的培养。

2.实验教学内容与实验方法有待改进。复合材料压缩性能比其他力学性能难测定。自20世纪70年代初期以来，有关复合材料压缩性能的研究项目和试验课题一直在进行，迄今为止，已建立了多项用于测试复合材料压缩性能的试验标准，其中包括美国ASTM标准、材料供应商SACMA标准和中国国家标准等，而且不同标准其压缩试验方法和使用的夹具也不同，但是没有一个统一的压缩性能试验方法。在实验教学实施过程中，一本指导书一直沿用，多年不变，没有及时进行压缩性能试验方法和内容的更新。

3.实验考核内容有待改进。正在进行的“双一流”建设，要求大学培养拔尖创新人才。实验室作为大学生能力培养的前沿，实验教学考核内容不能仅限于提交一份实验报告，还要包含能力培养考核。只有这样才能达到以能力培养的实验教学目标，而不是简单验证一下理论。

三、复合材料力学压缩实验教学模式探索

针对目前复合材料力学压缩实验教学中存在的不足，对照“双一流”建设对人才培养的要求，结合学校学生和实验室的实际情况，在以下几个方面做了探索：

1.改进实验教学模式。以创新能力培养为目标，调整压缩性能实验教学内容，在原有理论验证的同时适当增加能力培养环节。由于上课课时有限，目前还无法独立开设实验课，因此能力培养环节暂放在课后执行，作为课堂实验教学的补充。

2.改进实验教学内容与实验方法。相对于复合材料其他力学性能测定，压缩性能测定由于影响因素多、试验实施过程复杂等原因，比较难以测准。因此必须结合实验对象、实验标准和实验设备等，选择合适的实验教学内容，采用合适的实验方法，准确完成压缩性能指标的测定，达到实验教学目的。（1）在选择实验对象上，根据目前复合材料中应用最广、用量最大的纤维增强材料，其特点是比重小、比强度和比模量大，采用碳纤维与环氧树脂复合的材料制作压缩试样。考虑到复合材料的性能取决于合理设计和合理复合工艺，试样用碳纤维材料由学生在复合材料工艺实验课中制造获得，采用单向预浸料多层碳纤维层合板。考虑到制造过程中产生缺陷对材料压缩性能的影响，在试样切割之前，进行超声无损检测。试样制备过程中，需要注意试样厚度是否均匀、尺寸是否准确，以及形位公差是否满足图纸要求等，这是确保实验数据准确的关键因素之一。（2）在选择实验标准上，根据目前国内外现有复合材料压缩性能试验标准多的特点，确定了一个国内标准作为实验标准，这里选择GB/T 5258-2008纤维增强塑料面内压缩性能试验方法，该标准包含复合材料压缩性能试验通用全部三种加载方式（剪切加载、端部加载和联合加载）和试验方法。原来压缩实验采用的是ASTM D695标准，该标准只是采用端部加载的方式。通过此环节既规范了实验的内容和实验方法，又拓宽了知识面。（3）在实验设备上，主要考虑现有的万能材料试验机主要应用于金属材料力学性能测试，载荷大、夹具少，不太适合复合材料力学性能试验。因此，在教学实验过程中，必须使用专用复合材料夹具。实验过程中，要注意三点：①合适试样夹紧力（用扭力扳手控制试样加载的夹紧力）;②确保试样对中（确保设备加载压力作用线与试样轴线重合）;③合适加载速度（在应变计算范围内加载速度不要快）。这三个注意点是确保实验数据准确的关键因素之二。

3.改进实验考核内容。实验教学考核分为两个部分：课内与课后。课内主要考核学生实验与实验数据处理能力;课后主要考核学生的实践和创新能力。实验成绩不仅仅看实验报告，同时还包括项目研究的成绩。

四、结论

本文针对复合材料力学压缩性能实验教学中存在的问题进行了分析与研究，结合国内外复合材料压缩性能试验的现状与自身教学实践，探索性地给出了复合材料力学压缩性能实验教学中问题的解决方法，并通过自身实验教学验证，取得了比较好的效果。

参考文献：

[1]师昌绪.材料大辞典[M].北京：化学工业出版社，1994.

[2]陈新文，王海鹏，等.聚合物基复合材料力学试验的一些关键问题[J].纤维复合材料，2013，（4）：31-40.

[3]刘鸿文，吕荣坤.材料力学实验[M].北京：高等教育出版社，2006.