複合材料測試中，為何精準度至關重要：來自全球實驗室間比對研究的見解
作者： Nick Erickson
問題：為何結果會有所不同？
單向碳纖維複合材料非常堅固，但準確測量其強度並非易事。即使實驗室遵循 ASTM 和 ISO 標準，結果也經常不同。這種差異是由材料、試片形狀、設備還是其他因素引起的？這些不一致之處為設計飛機、汽車和風力渦輪機的工程師提出了嚴峻的問題。實驗室間比對研究旨在揭示原因，以及如何獲得更可靠的結果。
保持對準：可靠測試的關鍵
不對正是複合材料測試中變異性的最大來源之一。本白皮書分解了關鍵組件（系統、夾具和對正工具），您需要它們才能每次都正確。
實驗：測試了什麼
該研究比較了六種試片設計：三種矩形（帶矩形錐形和箭頭形標籤）、三明治（夾在兩個外層玻璃纖維層之間的 UD 層壓板）和蝴蝶形（薄和厚）。所有樣品均由同一實驗室製造和切割，然後隨機分配並發送給參與者。
目標是確定試片形狀或不同的實驗室條件是否會影響強度和結果一致性。令人驚訝的是，兩者都不是主要因素。實驗室間的差異大於設計間的差異，但總體而言，它們相對較小。真正的關鍵不是幾何形狀或實驗室，而是細緻的樣品製備。
研究人員發現，切割方法很重要。水刀切割會產生粗糙的邊緣，從而顯著降低強度。相比之下，金剛石圓盤鋸可產生光滑、乾淨的邊緣，從而最大限度地減少缺陷並提供一致的結果。
其他挑戰：驗證斷裂
複合材料試樣通常不會乾淨地斷裂，而是會爆炸性地破碎。這使得很難判斷斷裂是否發生在正確的標距段或靠近夾具的位置，在這些位置應力集中會扭曲結果。那麼，您如何驗證測試？
解決方案：高速攝影機和非接觸式測量
通過以每秒數千幀的速度拍攝測試，研究人員可以精確地確定失效的確切時間和位置。應該注意的是，高速攝影機是一種出色的研究工具，但它不是常規測試的實用解決方案。
應變測量：光學式與應變計
傳統上，許多研究人員認為應變計或接觸式引伸計是測量複合材料測試中應變的最可靠方法。然而，這項研究發現，光學引伸計和全場數位影像相關 (DIC) 的性能與應變計一樣好，在模量測量方面具有相似的標準差。
突出的一點是應變計在測量失效時應變方面的局限性。使用應變計的測試有更多的失效，通常是由於試樣表面的分裂擾亂了應變計的接觸。結論是什麼？光學方法不僅與應變計一樣準確，而且通常更實用，更不易發生故障。它們避免了表面分裂的問題，並降低了應變數據不完整的風險，使其成為複合材料測試的可靠選擇。
研究的主要建議
- 完善切割。 使用金剛石圓盤鋸等精密切割工具，避免邊緣缺陷。
- 採用非接觸式。 光學引伸計提供準確的應變測量，而沒有表面破壞的風險。
- 驗證您的數據。 丟棄在最終斷裂之前顯示早期應力下降（> 3%）的測試，因為樣品可能已損壞。
為何這很重要
這項研究強調了一個重要的事實：準確的複合材料測試與試片形狀或實驗室關係不大，而更多地與製備和精準度有關。通過採用這些最佳實踐，工程師可以設計更安全的飛機、汽車和風力渦輪機，確保這些材料在實際條件下按預期運行。
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該研究強調了非接觸式光學引伸計在複合材料測試中的價值。Instron 的 AVE3 高級視頻引伸計 具有這些建議的功能，可實現高精度、非接觸式應變測量。在我們的複合材料知識中心中探索我們的解決方案並瞭解更多資訊。
閱讀完整報告：
單向複合材料縱向拉伸測試的實驗室間比對計劃：結果、結論和建議
圖片參考
Fazlali, Babak, et al. “單向複合材料縱向拉伸測試的實驗室間比對計劃：結果、結論和建議。” Polymer Testing, vol. 152, Nov. 2025, p. 108974, www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0142941825002880?via%3Dihub, https://doi.org/10.1016/j.polymertesting.2025.108974. Accessed 15 Jan. 2026.
