復(fù)合材料的測試方法指南

研究者們對復(fù)合材料抱有很高的期望，比如：火箭材料需要承受起飛時(shí)的高溫，風(fēng)力渦輪機(jī)必須能夠承受強(qiáng)陣風(fēng)，運(yùn)動鞋需要具有長跑所需的耐用性和支撐性。那么如何開發(fā)適合此類特定用途的復(fù)合材料并驗(yàn)證其性能呢？

復(fù)合材料由兩種或多種材料組成，這些材料粘合在一起，但在成品結(jié)構(gòu)的宏觀或微觀尺度上仍然是截然不同的材料。由此產(chǎn)生的復(fù)合材料具有不同于任何單一材料的特性。因此，材料科學(xué)家需要能夠針對特定應(yīng)用優(yōu)化復(fù)合材料配方，但首先必須進(jìn)行充分的測試，以驗(yàn)證材料特性。

復(fù)合材料開發(fā)商利用分析技術(shù)滿足當(dāng)今對輕質(zhì)、可靠產(chǎn)品的高要求。他們首先對材料和產(chǎn)品原型進(jìn)行表征，以解決客戶期望的關(guān)鍵性能屬性，包括強(qiáng)度、耐熱性、附著力和耐用性。

各地實(shí)驗(yàn)室的復(fù)合材料科學(xué)家如何利用材料分析來提高其產(chǎn)品性能？以下是材料科學(xué)家在不同應(yīng)用和行業(yè)中利用這些技術(shù)來測試復(fù)合材料的真實(shí)研究示例：

1、差示掃描量熱儀（DSC）

差示掃描量熱儀（DSC）測量與材料的熱轉(zhuǎn)變相關(guān)的溫度和熱流。DSC 可量化復(fù)合材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）、凝膠時(shí)間和固化時(shí)間等關(guān)鍵指標(biāo)。

Mohamed Rady 教授在波爾多大學(xué)使用 DSC 來支持他對顆粒復(fù)合材料相變的研究。他專門研究了熔化和凝固，設(shè)計(jì)了一個(gè)簡單的程序來從 DSC 中獲得準(zhǔn)確的結(jié)果。

保羅薩巴蒂爾大學(xué) CIRIMAT 實(shí)驗(yàn)室的研究人員 Rivière、Caussé、Lonjon、Dantras 和 Lacabanne 使用調(diào)制 DSC 來研究了在聚合物（聚醚醚酮）基體中添加銀納米粒子的效果。準(zhǔn)確的熱導(dǎo)率和比熱測量使他們能夠了解材料的熱傳導(dǎo)機(jī)制。他們的數(shù)據(jù)可用于優(yōu)化材料的混合，以形成適合特定應(yīng)用的復(fù)合材料。

TA Instruments 的 Discovery DSC 系列配備了 Tzero™ DSC 技術(shù)，在基線平坦度、過渡分辨率和靈敏度方面均有所改進(jìn)，可進(jìn)行更精確的熱流測量。TA DSC 可更快、更準(zhǔn)確地運(yùn)行Modulated® DSC（MDSC®）實(shí)驗(yàn)。X3 DSC 可同時(shí)測量多達(dá)三個(gè)樣品的熱流，從而提高生產(chǎn)率。

2、流變學(xué)

流變學(xué)是研究材料流動和變形的學(xué)科。變形和流動分別稱為應(yīng)變和應(yīng)變率，表示物體在外力或應(yīng)力的影響下移動的距離。

埃博尼州立大學(xué)的 Ogah 教授使用流變儀測量填料和添加劑對木塑復(fù)合材料加工的影響。3 Ogah 以熱塑性聚合物為基體材料對天然纖維進(jìn)行加工，創(chuàng)造出天然纖維復(fù)合材料。然后，他在 TA Instruments Discovery 混合流變儀上分析了不同的纖維類型、含量、顆粒尺寸和形狀對最終復(fù)合材料的流變特性的影響。

流變儀具有測量黏度和黏彈性的功能。TA Instruments 的 Discovery 混合流變儀還可幫助用戶輕松識別粘度計(jì)或毛細(xì)管流變儀無法研究的微觀結(jié)構(gòu)的差異。在研究復(fù)合材料如何在微觀層面上相互作用時(shí)，這些測量尤其有用。

3、力學(xué)分析

力學(xué)測試可幫助研究人員表征材料的機(jī)械性能，或確定結(jié)構(gòu)對某種特定力量的反應(yīng)。復(fù)合材料開發(fā)人員對材料的失效、疲勞、剪切或蠕變進(jìn)行量化，并利用這些信息為特定應(yīng)用設(shè)計(jì)出更好的產(chǎn)品。

來自阿爾伯塔大學(xué)的 Garces 和 Ayranci 開發(fā)了一種新方法，他們利用基于擠壓的增材制造技術(shù)，通過電阻加熱來制造和激活形狀記憶聚合物復(fù)合材料（SMPC）。他們使用 TA Instruments 的 ElectroForce 熱調(diào)節(jié)拉伸測試儀評估特定加工條件下的變形對 SMPC 的影響。他們的研究使其他人能夠利用該技術(shù)成功制造 SMPC，并將其廣泛應(yīng)用于 “生物醫(yī)學(xué)支架、運(yùn)動器材和無人駕駛飛行器（UAV）”等領(lǐng)域。

無論是開發(fā)堅(jiān)固的建筑材料還是生物相容性骨替代物，各地的實(shí)驗(yàn)室都依靠 ElectroForce 機(jī)械測試儀器來驗(yàn)證復(fù)合材料的機(jī)械性能。ElectroForce 負(fù)載框架涵蓋了廣泛的作用力范圍，而多樣本疲勞儀器可同時(shí)測試多達(dá) 16 個(gè)樣本，可加速疲勞研究。