层合板厚度方向性能的测定 国家标准情况综述

摘要：今年8月，GB/T 41762.1-2025《纤维增强塑料复合材料层合板厚度方向性能的测定第1部分：直接拉伸和压缩试验》正式发布，结合GB/T 41762.2-2025《纤维增强塑料复合材料层合板厚度方向性能的测定第2部分：弯曲试验测定碳纤维单向层合板的弹性模量、强度和威布尔尺寸效应》。第1部分是对第2部分的补充，标准制定后将对纤维增强复合材料产品质量检测的标准化、规范化具有重要意义。至此，ISO 20975的两部分内容已全部转化。

关键词：试验方法、层合板、厚度方向性能、拉伸、压缩。

一、背景

选择适合构件性能要求的铺层形式来满足强度、刚度和各种特殊要求，可为结构设计优化提供更大的自由度。相关研究表明，将一组曲线形式的纤维铺层夹在一对±45° 的铺层之间，与相同层数的传统直线纤维层合板相比，承载能力可提高 60%。通过选择合适铺层形式，能为结构设计优化提供更大自由度，显著提升构件性能。

二维的纤维增强复合材料层合板在经向和纬向拥有较高的刚度和强度，现在已经被广泛地应用在汽车工业和航空工业中。波音787梦幻客机大量使用碳纤维复合材料，在机身结构设计中，通过优化复合材料铺层，不仅提高了结构的强度和刚度，还减轻了飞机重量，提高了燃油效率，同时减少了零件数量，简化了制造过程。

二、目的意义

纤维增强复合材料层合板通常在厚度方向有非常弱的性能。碳纤维复合材料层合板在厚度方向（Z 向）缺少增强纤维，仅依靠基体树脂进行承载与粘接，导致其厚度方向承载能力较弱，容易发生分层破坏。

在复合材料的一些应用中，要求有一定的抗脱层性能和抗剪切性能，比如，风力涡轮发动机叶片、机身纵梁和压力容器等，先前的复合材料层合板叶片的研究中发现，在叶片服役时，纤维增强复合材料层合板的分层破坏对叶片的性能有很大影响。

针对航空复合材料结构，美国联邦航空管理局（FAA）要求将复合材料的厚度方向性能作为基础试验数据，而且随着航空领域复合材料从次承力向主承力结构的发展，材料研发和结构设计部门需要对复合材料的厚度方向性能进行试验方法设计、数据准确评估。

分层是复合材料层合板损伤破坏的主要形式之一，受复合材料层合板的厚度方向性能和层间性能影响，复合材料层合板厚度方向性能和层间性能有着完全不同的物理概念，应该加于区别，不能混用。

层间性能顾名思义，是层合板两层之间界面相的性能，反映单纯界面相对外界作用的响应；而厚度方向的性能，则反映整个层合板材料在厚度方向的表观性能，它包括各层及其界面相对外界作用的综合响应。

可应用于纤维增强复合材料产品结构设计、产品性能评定、产品剩余寿命评估等领域。

2022年发布了GB/T 41762.2-2022 《纤维增强塑料复合材料 层合板厚度方向性能的测定 第2部分：弯曲试验测定碳纤维单向层合板的弹性模量、强度和威布尔尺寸效应》，提供了一种弯曲测试方法，用以测定纤维增强塑料复合材料层合板厚度方向性能，包括强度、断裂应变和模量。GB/T 41762.1是对第2部分的补充，标准制定后将对纤维增强复合材料产品质量检测的标准化、规范化具有重要意义。

三、范围和主要技术内容

GB/T 41762.1规定了采用拉伸和压缩试验方式测定纤维增强塑料复合材料厚度方向性能的试验方法，描述了三种试样类型。主要技术内容包含：原理、仪器设备、试样、试样数量、状态调节、试验程序、结果表达、精密度和试验报告等。

Instron开发的试验装置（图源：Instron）

四、国际标准对比

目前国内外专家对于层间性能关注较多，发布了ASTM D2344《聚合物基复合材料及其层压板短梁剪切强度测试方法》、GB/T 1450.1《玻璃纤维增强塑料层间剪切强度试验方法》等标准，对于厚度方向性能的关注较少，因而研究其厚度方向性能对纤维复合材料产品的应用具有非常重要的意义。

ISO 20975-1规定了使用矩形棱柱体和/或腰形块体试样测定纤维增强塑料复合材料全厚度性能（即强度、弹性模量、泊松比和断裂应变）的方法。这些方法适用于多种取向和非取向、连续和不连续的纤维形式，适用于热固性和热塑性基体，厚度范围为20毫米至40毫米。描述了三种试样类型，分别是：

• 类型I——沿试样长度方向具有固定矩形横截面。它是测定弹性性能的首选试样。

• 类型II——腰形矩形横截面，沿试样长度方向横截面可变。它仅适用于测定拉伸强度值，是高度各向异性材料和热塑性材料的首选试样。

• 类型III——腰形矩形横截面，沿试样标距长度方向具有固定横截面。它用于提供弹性和强度性能数据，是生成完整应力-应变响应的首选试样。

类型I和类型II试样也适用于非增强塑料，但不适用于刚性多孔材料以及含有多孔材料的夹层结构。

五、结语

GB/T 41762.2与GB/T 41762.1的相继发布，填补了国内纤维增强塑料复合材料层合板厚度方向性能测定标准化体系的关键空白。两项标准相互补充、各有侧重，共同构建起科学系统的测定体系，为材料研发、结构设计、产品质量检测等提供统一技术依据。

参考文献

[1]张雅会.变刚度复合材料典型结构力学性能研究[D].南京航空航天大学,2023.DOI:10.27239/d.cnki.gnhhu.2023.000142.

[2]全国标准信息公共服务平台，https://std.samr.gov.cn/。

[3]国际标准化组织，https://www.iso.org/。

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