《纤维增强聚合物基复合材料层合板冲击后压缩性能试验方法》编制说明

《纤维增强聚合物基复合材料层合板冲击

后压缩性能试验方法》

编制说明

1、工作简况

制定本标准任务来源于CSTM标准委员会航空材料领域委员会2019年下达的

计划，标准计划编号为CSTMLX530400286-2019。2019年开始制定工作，2020

年完成。

本标准的主编单位为中国航发北京航空材料研究院，参编单位有中国航发商

用航空发动机有限责任公司和沈阳飞机工业（集团）有限公司。2019年7月成

立标准制定项目组，项目组成员及单位详见表1。

表1标准制定项目组成员及单位

序号单位姓名职称分工

1中国航发北京航空材料研究院陈新文高工方案制定、标准编写、验证试验

2中国航发北京航空材料研究院王海鹏高工验证试验、数据处理

3中国航发北京航空材料研究院邓立伟高工标准资料收集、验证试验

4中国航发商用航空发动机有限责任

王祯鑫高工标准技术内容分析讨论

公司

5中国航发北京航空材料研究院马丽婷高工标准资料收集、组织初稿讨论

6中国航发北京航空材料研究院王雅娜工程师标准资料收集、组织初稿讨论

7沈阳飞机工业（集团）有限公司杨国腾研究员标准技术内容分析讨论

8中国航发北京航空材料研究院杨洋工程师验证试验和分析

9中国航发北京航空材料研究院王翔工程师试验和数据处理

2、标准化对象简要情况及制修订标准的原则

2.1标准化对象简要情况

冲击后压缩试验的目的是获得复合材料受低能量冲击后，在含有损伤状态下

材料的剩余压缩强度，也称为冲击后压缩强度。冲击后压缩强度是聚合物基复合

材料结构损伤容限设计所考虑的重要力学参量，也是评定聚合物基复合材料韧性

的重要指标。

冲击后压缩试验技术的关键内容在于三个方面：一是在冲击试验过程中，应

保证冲击加载系统对试样的冲击能量是准确的，且冲击能量尽可能被试样吸收，

冲击头不能对试样有二次冲击；二是压缩试验过程中试样不能发生明显的弯曲

变形，亦即试样应在压缩应力作用下发生破坏，而不是在弯矩作用下发生破坏，

且破坏位置在冲击损伤位置；三是对于复合材料结构损伤容限设计用冲击后压缩

性能的获得方面，应该在特征损伤条件下测定冲击后压缩强度，而特征损伤对应

的是条件冲击能量，而不是标准冲击能量，因此条件冲击能量的确定方法是这部

分的关键。

NASA1142.B11“复合材料冲击后压缩性能试验方法”和HB6739-93“碳纤

维复合材料层合板冲击后压缩试验方法”规定了必须防止对试样的二次冲击，但

是对如何保证准确的冲击能量、压缩弯曲变形的定量控制等没有规定；SACMASRM

2R-94“定向纤维树脂基复合材料冲击后压缩试验方法”规定了应防止二次冲击，

可以用冲击速率来校核冲击能量的准确性，应该用应变片来检测试样的屈曲变形

但没有定量化；GB/T21239-2007“纤维增强塑料层合板冲击后压缩性能试验方

法”在防止二次冲击、压缩屈曲变形定量监测方面作了规定；ASTMD7136-2015

和ASTMD7137-2017在防止二次冲击、冲击能量准确性校核、压缩试验时定量监

测试样屈曲变形、损伤检测、有效弹性模量测定、预加载等方面都作了规定，并

且提到测定材料抵抗某种明显可见损伤或穿透性能时，可以选择其他规格冲击头。

以上现有冲击后压缩试验方法或多或少都存在技术缺陷，ASTMD7136和ASTM

D7137技术内容相对完整和先进，但是在复合材料结构设计用冲击后压缩强度测

定方面的规定仅是提示性的，依然不具有可操作性。

通过项目组多年的研究，逐步形成了相对完整的冲击后压缩性能测试技术，

不仅克服了现有标准技术内容的缺点，还补充了复合材料结构设计用冲击后压缩

性能数据获取的详细技术内容，并在工程项目中得到了很好的应用。可见，复合

材料冲击后压缩性能测试技术已具备制定一个相对完善的标准试验方法的条件，

并在相关领域推广应用，促进我国复合材料产业的发展。

2.2制修订标准的原则

制定本标准须坚持四点原则：

（1）符合GB/T1.1-2009规定的标准结构和编写规则；

（2）技术内容完整：不仅可以试验表征和测定均衡对称复合材料层合板的

材料级冲击后压缩性能，也包括结构设计用典型铺层材料的冲击后压缩性能（损

伤容限设计许用值确定用）。

（3）技术内容准确合理：施加的关键试验技术参数要准确，如：施加到试

样上的真实冲击能量与设定能量的一致性须有校核规定；压缩试验中试样不能有

明显屈曲变形，须规定定量的监测方法；测定结构设计用典型铺层材料的冲击后

压缩性能时，条件冲击能量的确定须有统一可靠的方法等。

（4）试验步骤规定的关键技术内容须有可操作性：对试验结果有重大影响

的技术内容，必须具备现实可操作性，不能做笼统要求，尽量可量化实施。

3、采用国际标准和国外先进标准情况

1993年我国等效采用NASA1142.B11“复合材料冲击后压缩性能试验方法”

制定了HB6739-93“碳纤维复合材料层合板冲击后压缩试验方法”，该方法试样

尺寸大（300×175mm），消耗材料多，试验操作繁杂。冲击后的试样须再次加工

成250×125mm尺寸，近几年已很少采用；SACMASRM2R-94“定向纤维树脂基复

合材料冲击后压缩试验方法”规定试样尺寸为150mm×100mm，且对试样铺层形

式限制较死，选择余地不大；GB/T21239-2007“纤维增强塑料层合板冲击后压

缩性能试验方法”参照ASTMD7136－05“纤维增强聚合物基复合材料对落锤冲

击的损伤阻抗试验方法”和ASTMD7137－05“含损伤聚合物基复合材料层压板

压缩剩余强度性能试验方法”制定，在损伤检测、有效弹性模量测定、预加载等

方面都做了省略，规定试样尺寸为150mm×100mm，冲击后不需再加工，节省材

料，对复合材料厚度和铺层作了细致规定，以上三个方法得到的剩余强度数据是

材料规范和应用研究常用的，因为方法所规定的试样几何尺寸和物理状态是特定

的，不适用于评估复合材料结构的损伤容限性能；经过数次修订，ASTM

D7136-2015和ASTMD7137-2017技术内容都有了一定变化，如：ASTMD7136规

定评估材料抵抗某种明显可见损伤或穿透性能时，可以选择其他规格冲击头，

ASTMD7137在文本逻辑和格式编排方面作了较大变动。

美国军用手册MIL-HDBK-17E、MIL-HDBK-17F和最新版FAA手册CMH-17均把

ASTMD7136、ASTMD7137和SACMASRM2R-94作为评估复合材料损伤阻抗、受

冲击后压缩剩余强度，以及用典型铺层材料、厚度、铺层顺序等制造的复合材料

结构的损伤容限能力的指南。

GB/T21239-2007不仅在标准试样损伤阻抗和冲击后压缩性能测定方面表现

出技术落后，与ASTMD7136、ASTMD7137和SACMASRM2R-94相同，都没有提

供用于任意铺层复合材料结构损伤容限评定的试验依据，而这是当前国内复合材

料结构研制所迫切需求的。

本标准主要参考ASTMD7136-2015和ASTMD7137-2017，确定了均衡对称层

合板试验的主要技术内容，包括试样尺寸、试验能量的确定方法、防二次冲击的

规定、压缩屈曲变形的定量监测方法等。另外，本标准根据工程实际需要，结合

多年工程项目研究经验补充了典型结构铺层材料在条件冲击能量作用后的剩余

压缩性能试验方法，核心内容为条件冲击能量的确定方法。

4、标准主要内容确定依据

4.1试样

推荐的标准试样参考了GB/T21239-2007、ASTMD7136－2015和ASTM

D7137-2017规定，同时增加了对典型结构铺层材料的考虑。

4.2试验条件

推荐的试验条件6.67J/mm参考了GB/T21239-2007、ASTMD7136－2015和

ASTMD7137-2017规定。根据实际需要和多年的研究结果增加了条件冲击能量的

确定方法，主要借鉴了疲劳试验中条件疲劳极限“升降法”的原理，这部分内容

是本标准区别其他现有方法的主要地方，解决了典型结构复合材料损伤容限设计

所需冲击后压缩性能数据测定无方法可依的问题。

4.3试验设备和试样装置

试验设备和试样装置的规定参考了GB/T21239-2007的规定。

4.4落锤高度

参考了GB/T21239-2007、ASTMD7136－2015和ASTMD7137-2017。

4.5屈曲变形的定量监测

参考了GB/T21239-2007和ASTMD7137-2017。

4.6结果计算

冲击后压缩强度和模量参考了ASTMD7137-2017。根据工程实际需要增加了

冲击后压缩破坏应变的内容。

5、主要试验（或验证）结果的分析

采用该方法对T700SC/NY9200GB、T300/5405和T300/HD03三种复合材料的

CAI性能进行了测试，试验结果列在表1中。同种材料同种条件下的试验结果稳

定，分散性小。

表1验证试验结果（试样尺寸150mm×100mm，冲击能量：6.7J/mm）

，MPa

σCAI

材料试样编号厚度，mm

单个值平均值离散系数，％

15.48195

T700SC/NY9200GB①25.46221

2056.4

35.52209

[45/0/-45/90]5S

45.47193

11.79133

21.78124

T300/5405①

31.771201226.2

[45/0/-45/90]3S41.95122

51.79112

11.75117

21.75118

T300/5405②

31.791081134.8

[45/0/-45/90]3S41.74115

51.78106

11.73137

T300/5405③21.74133

1324.6

[45/0/-45/90]3S31.73125

12.44150

T300/HD03①22.22146

1481.4

[45/0/-45/90]3S32.31147

12.60133

22.18136

T300/HD03②

32.331311287.0

[45/0/-45/90]3S42.32129

52.15113

12.16141

T300/HD03③22.43156

1547.8

[45/0/-45/90]3S32.37165

注：①—新试样；②—试样在北京自然曝露2年；③—试样在海南自然曝露2年。

6、与有关的现行的方针、政策、法律、法规和强制性标准的关系

本标准不违反有关的现行的方针、政策、法律、法规，与相关强制性标准不

冲突。

7、重大分歧意见的处理经过和依据

无。

8、预期的社会、经济效果

冲击后压缩性能时复合材料损伤容限设计所关注的最主要性能，也是评定复

合材料韧性的重要指标，本标准是在参考现行国内外权威相关标准的基础上，结

合大量工程研究结果编制而成，不仅继承了大量现行有效成果，还增加了针对典

型结构铺层复合材料损伤容限设计用冲击后压缩性能试验的相关技术内容，解决

了当前工程项目这部分试验无标准可依的难题。该标准的制定完善了复合材料冲

击后压缩性能试验方法，对复合材料研制和结构设计具有重要的基础技术支撑作

用。

9、贯彻标准的要求和措施建议

应组织相关领域人员，以培训形式对本标准进行全面的宣贯。

10、废止有关标准的建议

无。

11、标准涉及专利情况说明

无。

12、重要需要说明的事项

无。

CSTM团体标准

编制说明

标准名称纤维增强聚合物基复合材料层合板冲击后

压缩性能试验方法

主编单位中国航发北京航空材料研究院

计划编号

填报时间

《纤维增强聚合物基复合材料层合板冲击

后压缩性能试验方法》

编制说明

1、工作简况

制定本标准任务来源于CSTM标准委员会航空材料领域委员会2019年下达的

计划，标准计划编号为CSTMLX530400286-2019。2019年开始制定工作，2020

年完成。

本标准的主编单位为中国航发北京航空材料研究院，参编单位有中国航发商

用航空发动机有限责任公司和沈阳飞机工业（集团）有限公司。2019年7月成

立标准制定项目组，项目组成员及单位详见表1。

表1标准制定项目组成员及单位

序号单位姓名职称分工

1中国航发北京航空材料研究院陈新文高工方案制定、标准编写、验证试验

2中国航发北京航空材料研究院王海鹏高工验证试验、数据处理

3中国航发北京航空材料研究院邓立伟高工标准资料收集、验证试验

4中国航发商用航空发动机有限责任

王祯鑫高工标准技术内容分析讨论

公司

5中国航发北京航空材料研究院马丽婷高工标准资料收集、组织初稿讨论

6中国航发北京航空材料研究院王雅娜工程师标准资料收集、组织初稿讨论

7沈阳飞机工业（集团）有限公司杨国腾研究员标准技术内容分析讨论

8中国航发北京航空材料研究院杨洋工程师验证试验和分析

9中国航发北京航空材料研究院王翔工程师试验和数据处理

2、标准化对象简要情况及制修订标准的原则

2.1标准化对象简要情况

冲击后压缩试验的目的是获得复合材料受低能量冲击后，在含有损伤状态下

材料的剩余压缩强度，也称为冲击后压缩强度。冲击后压缩强度是聚合物基复合

材料结构损伤容限设计所考虑的重要力学参量，也是评定聚合物基复合材料韧性

的重要指标。

冲击后压缩试验技术的关键内容在于三个方面：一是在冲击试验过程中，应

保证冲击加载系统对试样的冲击能量是准确的，且冲击能量尽可能被试样吸收，

冲击头不能对试样有二次冲击；二是压缩试验过程中试样不能发生明显的弯曲

变形，亦即试样应在压缩应力作用下发生破坏，而不是在弯矩作用下发生破坏，

且破坏位置在冲击损伤位置；三是对于复合材料结构损伤容限设计用冲击后压缩

性能的获得方面，应该在特征损伤条件下测定冲击后压缩强度，而特征损伤对应

的是条件冲击能量，而不是标准冲击能量，因此条件冲击能量的确定方法是这部

分的关键。

NASA1142.B11“复合材料冲击后压缩性能试验方法”和HB6739-93“碳纤

维复合材料层合板冲击后压缩试验方法”规定了必须防止对试样的二次冲击，但

是对如何保证准确的冲击能量、压缩弯曲变形的定量控制等没有规定；SACMASRM

2R-94“定向纤维树脂基复合材料冲击后压缩试验方法”规定了应防止二次冲击，

可以用冲击速率来校核冲击能量的准确性，应该用应变片来检测试样的屈曲变形

但没有定量化；GB/T21239-2007“纤维增强塑料层合板冲击后压缩性能试验方

法”在防止二次冲击、压缩屈曲变形定量监测方面作了规定；ASTMD7136-2015

和ASTMD7137-2017在防止二次冲击、冲击能量准确性校核、压缩试验时定量监

测试样屈曲变形、损伤检测、有效弹性模量测定、预加载等方面都作了规定，并

且提到测定材料抵抗某种明显可见损伤或穿透性能时，可以选择其他规格冲击头。

以上现有冲击后压缩试验方法或多或少都存在技术缺陷，ASTMD7136和ASTM

D7137技术内容相对完整和先进，但是在复合材料结构设计用冲击后压缩强度测

定方面的规定仅是提示性的，