从材料特性到实操技巧 | 在纤维增强塑料上安装应变片

什么是复合材料?

复合材料或纤维增强复合材料由至少两种可区分的材料组成，这些材料组合的基本目的是提高材料性能。纤维结构通常嵌入树脂（基体材料）中，然后固化。

为实现这一点，会将纤维和纤维束被加工成纺织品或织物。用纤维制造的大多数方法起源于纺织工业，因此该领域中使用的大多数术语也用于增强纤维加工。纤维决定了复合材料的强度和刚度。与没有纤维的同种材料相比，排列纤维的材料的强度要大得多。当力垂直于纤维的方向施加时，刚度的增加不太明显。这个方向的强度较低。在应用中，在不同方向排列的纤维经常被组合在一起。

复合材料可能的设计

纤维对复合材料强度的影

复合材料由什么材料组成？

常用的纤维包括：

• 玻璃纤维（GFRP）
• 碳纤维
• 芳纶纤维（AFRP）
• 陶瓷纤维
• 聚合物纤维
• 矿物纤维
• 天然纤维（NFRP）

所用树脂包括环氧树脂、聚酯树脂和聚氨酯树脂。

复合材料的应用领域有哪些？

• 航空工业（机身、驱动部件、气动部件等）
• 汽车（底盘部件、空气动力部件）
• 大型车体（火车、卡车和公共汽车）
• 海洋（船体结构）
• 风力涡轮机（转子叶片）
• 运动器材
• 基础设施和建筑物（建筑物维修、玻璃钢桥梁）
• 医学工程（假肢，X光片）

复合材料的应用领域有哪些？

• 优异的强度重量比和燃油效率
• 高强度和弹性弯曲性能
• 材料自由成形（强度、刚度、热阻、电阻、形状、功能）
• 耐温性
• 耐化学性
• 高耐腐蚀性

为何要对复合材料进行应变测量？

复合材料和结构的特性对于确保材料耐久性至关重要。为了达到这个目的，必须进行不同的测试。测量构件变形是非常必要的。材料的应变是决定损伤效应和耐久性的关键因素。

1. 试验台或现场构件/结构耐久性确定
2. 标准化试样材料性能的测定。复合材料有许多不同的试验标准，涉及应变片的使用。典型的测试包括：

• 弯曲试验（3点，4点）
• 拉伸试验
• 剪切试验（层间）
• 搭接剪切（粘合试验）
• 裸眼/实眼
• 冲击后压缩
• 压缩试验
• 槽钢冲击弯曲试验
• 钻孔承载试验

复合材料试验的挑战

计算结构性能需要复杂的方法/工具。力学性能与方向有关（强度、弹性模量、泊松比等），许多纤维复合材料的行为与金属材料相反：材料在不同方向（正交各向异性）具有不同的刚度特性。

这些材料以前的计算方法只能应用于特定情况（如 Tsai Wu）。没有通用的计算方法，也没有类似于FKM金属构件指南标准。由于是层合板结构，包括准各向同性层合板。目前，复合材料的一些计算方法已经发展出来。

另一个挑战是将应变信号转换为机械应力：

• 损伤/失效机制复杂
• - 中间纤维断裂
• - 分层
• - 裂纹与纤维平行
• 一般来说，制造公差较难控制
• - 纤维取向
• - 矩阵偏移
• - 中间纤维化合物
• - 树脂堆积
• - 异物
• - 孔隙率
• - 批量变化
• 比传统金属材料更贵
• 温度敏感
• 对紫外线敏感
• 难回收
• 高投资成本（生产）

此外还必须考虑热弹性效应：

• 热导率降低：复合材料的热导率低于传统金属
• 热系数残余应力（例如混合结构）和各向异性材料行为的差异

HBK推荐哪些应变片用于复合材料测量？

这取决于测试应用：

• 我们建议使用Y系列（最大5%应变）进行静态、高应变和试片试验
• 我们建议使用M系列（最大1%应变）进行交变载荷试验

我们建议对复合材料使用预接线 Y 系列应变片 ，因为复合材料对典型焊接温度具有临界响应。大部分复合材料应变片均备有库存。

• 单直片通常用于结构和样品测试
• T 型应变花用于确定泊松比
• 也可使用3栅应变花; 但是，仅建议使用均匀材料来确定主应变和应力方向

选择测量栅丝长度

应变片测量表面下的所有应变值，然后求出平均应变。正确的测量栅丝长度取决于测试件。栅丝长度 6mm 和 10mm 是复合材料应变测量的常用解决方案。原则上，选择应变片的规则与混凝土相同：应变片长度应至少超过纤维间隔的5倍。应变片的宽度也应覆盖多根纤维。

由于材料的不均匀性，可能出现局部应变峰值。在这种情况下，链式应变片可用于确定应变梯度。通常，纤维之间的应力峰值是平均应变的倍数。因此，应变片可能在某些点过载，超过其最大伸长率，尽管放大器显示出更小的应变。因此，应变片有可能在个别点过载（永久损坏）或导致整个装置故障。通过在应变片和工件之间插入一层聚酰亚胺薄膜可以消除这个问题。薄膜被粘在元件和应变片之间并进行初步整合，也就是“平均化”应变栅丝的应力峰值。 但只有在预期高应变的情况下才应使用薄膜。

应变片电阻

HBK建议在缓慢冷却材料上使用1000 欧姆应变片。也可以选择使用 350欧姆应变片。但是，建议检查应变片或复合材料是否存在不允许的温升。

激励电压

每个应变片上的电压都会转换成热量。纤维复合材料是导电性差的材料，因此发热量更大。为了保证测量的稳定性，热流Q必须与外加功率P相对应。

P = Q

350 欧姆应变片测量栅丝在缓慢冷却材料上的发热过程

测量点中的热量很容易在金属一起产生；尤其是与铝一起，会导致更高的热量传递。复合材料的导热系数要低得多。

当测量系统达到稳定状态时，确保在一定的加热阶段后才开始对复合材料进行测量。以下可用于激励电压为5V的四分之一桥应用：

• 1000欧姆测量仪器的升温时间约为3至4分钟
• 120/230欧姆测量仪器的升温时间约为5至6分钟

对于复合材料等冷却不良的材料，HBK建议使用低于2.5 V的激励电压。较高的激励电压会导致应变片显著且持续升温。这种热量可能会在材料中积聚起来。下图显示了350欧姆应变片，0.5、2.5、5和10 V 激励电压（DC）之间的差异：

针对复合材料的推荐（经验）：

• 0.5 V，用于冷却不良的导电性差的材料
• 一般复合材料试验为1 V至2.5 V

四分之一桥温度响应匹配

由于长期测量过程中的温度变化，四分之一桥应用需要最佳温度响应匹配。在这种情况下，应变片温度响应匹配需要最适合热膨胀系数，以最小化热应变信号。然而，应注意的是，由于制造公差（纤维缠绕、层生产、纤维取向、制造方法（自动化或手动）），材料特性也可能不同，因此只有近似的温度响应匹配系数，这取决于纤维复合材料。

通常建议在复合材料（α=0.5·10-6/K）上使用代号为6的应变片进行测量。这在某些情况下可能有所不同：

表面清洁

• 在用溶剂处理塑料时要小心，因为它们可能会引起膨胀或应力腐蚀（例如，丙酮的使用至关重要）。潮湿或应力腐蚀可能产生膨胀风险。
• 白气和异丙醇在很大程度上被认为是不重要的，特别是因为接触时间短。
• 在关键情况下，应始终进行初步试验，因为由于改性塑料的数量非常多，因此无法作出明确的预测。这也适用于使用 RMS1 清洁剂。
• 如有可能，不应使用溶剂清洁表面。替代清洁剂包括：
• - 去离子水
• - 石油醚
• - 香皂

表面粗糙化

• 我们建议按如下方法准备测量点：用砂布（粒度400 ）粗化，然后用水清洗和冲洗（理想情况下：去离子水）。
• 脱模剂和环氧填料需要去除（粒度400）
• 稍微粗糙表面以激活功能（提高表面粘合性能）
• 表面等离子体活化也有可能改善键合性能

请注意：下层纤维不得因过度粗化而损坏。

选择粘合剂并粘合

HBK所有冷固化粘合剂均可用于安装应变片。

• Z70 用于光滑表面
• X60 用于粗糙的复合材料表面
• X280 适用于高温（请注意：需要在建议温度下进行固化，见说明）

对于定向纤维，由于正交异性材料的特性，必须正确对齐应变片：

确保将应变片精确对准材料：

Y系列应变片，焊前固定：

1-LY41-6-350 应变片，专业安装在带有X60粘合剂的CFRP材料上：

官网：

<HBM应变片：应力测试测量优选>

<HBM称重传感器：称重精度，久经验证>

<HBM力传感器： 应变和压电两种测量技术>

<HBM扭矩传感器和转矩传感器>

<电功率测试 - 从部件到车辆能源管理>

<数据采集系统与设备>

您还可以通过如下方式联系我们，了解更多产品与应用详情：

邮箱：cn.info@hbkworld.com

官网：https://www.hbm.com/

电话：400-900-3165（周一至周五9:00-18:00）