復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)（Sandwich,，三明治結(jié)構(gòu)）由厚度較薄的復(fù)合材料面板以及較厚較大的低密度芯材粘接而成,，芯材將上下兩個高剛度、高強度面板隔離,，形成適合承受彎曲載荷的復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu),。在彎曲載荷作用下，彎矩轉(zhuǎn)化為上下面板面內(nèi)的拉伸應(yīng)力和壓縮應(yīng)力,，而中間芯材主要承受剪切應(yīng)力作用,。因此，夾層復(fù)合材料在彎曲載荷作用下可能會發(fā)生面板破壞,、芯層破壞以及面板與芯材之間的界面破壞,。

目前的試驗測試方法主要是評估這面板和芯材的破壞。不同的試驗標(biāo)準(zhǔn)之間的主要區(qū)別在于試樣的支撐跨度,，夾層梁的長度以及加載方式（三點彎曲,、四點彎曲）

為了使復(fù)合夾層梁試樣發(fā)生面板破壞，從而確定面板的極限強度,，通常使用相對較長的支撐跨度和四點彎曲加載模式,。對應(yīng)的試驗測試標(biāo)準(zhǔn)有ASTM D7249（Standard Test Method for Facing Properties of Sandwich Constructions by Long Beam Flexure），標(biāo)準(zhǔn)試樣600mm長,，76mm寬,。底部支撐跨度560毫米，頂部加載點跨度100毫米,。這種試驗及加載方式旨在最大化復(fù)合材料面板中的彎曲應(yīng)力,，同時最小化芯材內(nèi)的剪切應(yīng)力,。

四點彎曲試驗

需要注意的是,，由于大多數(shù)復(fù)合材料的抗壓強度低于抗拉強度，因此通常會發(fā)生上部受壓面板失效,。此外,，ASTM D7249標(biāo)準(zhǔn)為試樣設(shè)計提供了一些經(jīng)驗法則：支撐跨度應(yīng)至少是夾層厚度的20倍。另外還有可能在加載點處發(fā)生局部面板損壞或芯體破碎,，為了解決這一問題,，ASTM測試方法規(guī)定使用25毫米寬的平加載頭，以幫助將力分配到更大的區(qū)域（下圖所示）,。此外,，為了減少應(yīng)力集中，建議在加載頭上使用3毫米厚的橡膠壓力墊,。

為了實現(xiàn)在彎曲載荷下,，復(fù)合材料夾層梁試樣發(fā)生芯材破壞，通常使用相對較短的支撐跨度和三點彎曲加載方式。參考標(biāo)準(zhǔn)有ASTM C393 （Standard Test Method for Core Shear Properties of Sandwich Constructions by Beam Flexure）,，標(biāo)準(zhǔn)推薦試樣尺寸為200mm長,，76mm寬，底部支撐跨度150mm,，上部中心加載,。這樣可將上下面板中的彎曲應(yīng)力降至最低，易產(chǎn)生芯材剪切破壞,。

與ASTM D7249標(biāo)準(zhǔn)相似地,，三點彎曲試驗中同樣需要使用橡膠墊來避免局部應(yīng)力集中引起的試樣破壞。

ASTM C393中給出了支撐跨距,、芯材剪切強度,、芯材壓縮強度的計算公式，用于評估在面板破壞之前產(chǎn)生芯材剪切破壞或在中心載荷點處發(fā)生局部芯材壓縮破壞,。芯材剪切破壞以及芯材與面板之間的界面粘結(jié)破壞均為有效破壞模式,。

三點彎曲試驗

在2006年之前，ASTM C393是唯一的用于夾層復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的測試方法,，該標(biāo)準(zhǔn)的較早版本即包含短梁夾層試樣三點彎曲測試又包含長梁夾層試樣四點載荷彎曲測試,。此外，提供了關(guān)于樣品設(shè)計和測試配置的最小指導(dǎo),，以產(chǎn)生所需的失效模式,。在2006年ASTM D7249被標(biāo)準(zhǔn)化用于長梁夾層結(jié)構(gòu)彎曲測試之后，ASTM C393即被改寫為僅針對短梁彎曲測試,。但是,，在該標(biāo)準(zhǔn)的早期版本中，仍然保留了四點加載這種方式,。

此外,，在2006年，ASTM D7250（Standard Practice for Determining Sandwich Beam Flexural and Shear Stiffness）出現(xiàn),，主要用于測試夾層結(jié)構(gòu)彎曲剛度及剪切剛度,，該標(biāo)準(zhǔn)提供了夾層結(jié)構(gòu)彎曲剛度D及剪切模量G的公式。

參考資料

ASTM D7249 / D7249M

ASTM C393 / C393M

ASTM D7250 / D7250M

復(fù)合材料力學(xué)