从聚合物基复合材料到夹层复合材料：追溯测试方法标准化的路径

过去几年，本专栏的一个反复出现的主题是夹层复合材料新测试方法的开发。这主要是因为我有机会参与这些测试方法的开发和ASTM标准化工作，而本专栏 也为向更广泛的复合材料领域提供最新信息提供了一个极佳的平台。

近年来，夹层复合材料的标准化测试方法层出不穷，而传统聚合物基复合材料（PMCs）的标准化测试方法发展速度则显著放缓。这种标准化的差异很大程度上反映了这两种复合材料在测试方法发展进程中所处的阶段不同。随着这些复合材料应用日趋成熟，对材料性能的需求也日益凸显，相应的测试方法也随之开发和标准化以满足这些需求。PMCs的测试方法发展进程已基本完成，而夹层复合材料的测试方法发展仍处于过程中。

以下讨论重点关注夹层复合材料测试方法标准化的持续进展。文章着重阐述了夹层复合材料与传统聚合物基复合材料在发展进程中的异同，以及两者测试方法发展在过去几十年中的差异。

20世纪50年代E玻璃的出现和60年代碳纤维的问世推动了聚合物基复合材料（PMC）的发展。ASTM正式制定的测试方法标准始于20世纪60年代。早期测试方法的开发主要集中于测定材料在拉伸、压缩和剪切载荷下的刚度和强度。然而，20世纪60年代碳纤维刚度和强度的显著提升带来了巨大的测试挑战，并成为20世纪70年代多种新型PMC测试方法诞生的驱动力。20世纪80年代，随着碳纤维/环氧树脂复合材料的成熟，PMC的发展趋于稳定，并开启了第二个测试方法开发阶段，以应对新引入的增韧环氧树脂和热塑性塑料，以及高温双马来酰亚胺和聚酰亚胺树脂。为了评估这些材料的损伤容限，需要新的测试方法，由此催生了开孔拉伸和压缩测试方法，以及后来的冲击后压缩测试方法。到2000年代中期，ASTM制定的PMC标准化测试方法已趋于成熟。表1左列总结了PMC测试方法发展的时间线。

夹层复合材料标准化测试方法的发展历程与之类似，但时间跨度更长，从20世纪50年代初一直延续至今。如表1右栏所示，最早的夹层复合材料标准化测试方法出现在20世纪50年代初中期，当时蜂窝芯材和薄面板结构首次应用于航空航天领域。

最初的芯材剪切试验（ASTM C273¹）、平面拉伸试验（ASTM C297²）和侧向压缩试验（ASTM C364³）方法仅能满足当时相对狭窄的材料性能要求范围。然而，随着夹层复合材料在要求更高的航空航天和船舶应用领域得到扩展，新的材料性能要求也随之出现。这些要求促使人们开发出其他试验方法，例如用于评估面板与芯材的粘结完整性（ASTM C363⁴）以及通过梁弯曲试验测定芯材的剪切强度（ASTM C393⁵）。

与21世纪初就已成熟的聚合物基复合材料（PMC）测试方法开发不同，夹层复合材料测试方法的开发也于同期进入了第二个活跃期。2000年至2020年间，共推出了七种新的测试方法，包括夹层复合材料板的二维弯曲试验（ASTM D6416⁶）、用于强度（ASTM D7249 ⁷）和刚度（ASTM D7250⁸ ）的长梁弯曲试验，以及框架式剪切试验（ASTM D8067^9-10）。这些测试方法扩展了材料性能的测试范围，使其不再局限于以芯材为主的基础测试，并反映了夹层结构日益增长的结构要求。

自 2020 年以来，ASTM 又制定了五种夹层复合材料试验方法的标准，这些方法都曾在我的CW专栏中介绍过。2022 年，又有四种新的夹层复合材料试验方法被标准化。其中两种针对损伤容限——冲击后压缩试验（ASTM D8287 ¹⁰）和冲击后弯曲试验（ASTM D8388¹¹）——另外两种针对缺口敏感性——开孔弯曲试验（ASTM D8453¹²）和开孔压缩试验（ASTM D8454 ¹³）。2025 年，首个夹层复合材料断裂力学试验方法——I 型单悬臂梁试验（ASTM D8637¹⁴ ） ——被标准化，该试验是我2020 年 5 月和2025 年 11 月CW专栏的主题。

总而言之，无论是聚合物基复合材料（PMC）还是夹层复合材料，其测试方法的发展和标准化历程都表明，标准化遵循着由应用成熟度驱动的自然发展路径。PMC 的发展进程较早，在 21 世纪初就已形成了一套稳定且基本完整的标准体系。相比之下，夹层复合材料仍在不断发展，新的应用推动着更多测试方法的出现。

参考

1 ASTM C273/C273M-20，“夹芯材料剪切性能的标准试验方法”，ASTM International（美国宾夕法尼亚州西康肖霍肯），2020 年（1951 年首次发布）。

2 ASTM C297/C297M-16 (2024)，“夹层结构平面拉伸强度标准试验方法”，ASTM International（美国宾夕法尼亚州西康肖霍肯），2024 年（1952 年首次发布）。

3 ASTM C364/C364M-16 (2024)，“夹层结构边缘抗压强度标准试验方法”，ASTM International（美国宾夕法尼亚州西康肖霍肯），2024 年（1955 年首次发布）。

4 ASTM C363/C363M-24，“蜂窝芯材节点拉伸强度标准试验方法”，ASTM International（美国宾夕法尼亚州西康肖霍肯），2024 年（1955 年首次发布）。

5 ASTM C393/C393M-20，“通过梁弯曲测定夹层结构芯材剪切性能的标准试验方法”，ASTM International（美国宾夕法尼亚州西康肖霍肯），2020 年（1960 年首次发布）。

6 ASTM D6416/D6416M-16 (2024)，“简支夹层复合材料板在分布载荷作用下的二维弯曲性能标准试验方法”，ASTM International（美国宾夕法尼亚州西康肖霍肯），2024 年（2001 年首次发布）。

7 ASTM D7249/D7249M-20，“通过长梁弯曲试验测定夹层结构面板性能的标准试验方法”，ASTM International（美国宾夕法尼亚州西康肖霍肯），2020 年（2006 年首次发布）。

8 ASTM D7250/D7250M-20，“确定夹层梁弯曲和剪切刚度的标准方法”，ASTM International（美国宾夕法尼亚州西康肖霍肯），2020 年（2006 年首次发布）。

9 ASTM D8067/ASTM D8067M-17 (2025)，“使用相框夹具测试夹芯板平面剪切性能的标准试验方法”，ASTM International（美国宾夕法尼亚州西康肖霍肯），2025 年（2017 年首次发布）。

10 ASTM D8287/ASTM D8287M-22，“受损夹层复合板压缩残余强度性能的标准试验方法”，ASTM International（美国宾夕法尼亚州西康肖霍肯），2022 年。

11 ASTM D8388/ASTM D8388M-22，“受损夹层结构弯曲残余强度测试的标准规程”，ASTM International（美国宾夕法尼亚州西康肖霍肯），2022 年。

12 ASTM D8453/ASTM D8453M-22，“夹层结构开孔弯曲强度的标准规范”，ASTM International（美国宾夕法尼亚州西康舍霍肯），2022 年。

13 ASTM D8454/D8454M-22，“夹层结构开孔抗压强度的标准试验方法”，ASTM International（美国宾夕法尼亚州西康肖霍肯），2022 年。

14 ASTM D8637/D8637M-25，“夹层结构 I 型主导面板与芯材断裂韧性的标准试验方法”，ASTM International（美国宾夕法尼亚州西康舍霍肯），2025 年。