国家标准计划《定向纤维增强聚合物基复合材料超低温度拉伸性能试验方法》由 TC39（全国纤维增强塑料标准化技术委员会）归口 ，主管部门为中国建筑材料联合会。

主要起草单位 中国科学院理化技术研究所 、北京玻璃钢研究设计院有限公司 、重庆大学 、北京有色金属研究总院 。

目的：制定有关《定向纤维增强聚合物基复合材料超低温度（77K-4.2K）拉伸性能试验方法》的国家标准，为满足相关行业对定向纤维增强聚合物基复合材料超低温（77K-4.2K）拉伸力学性能的评判提供测试依据与方法。

意义：制定《定向纤维增强聚合物基复合材料超低温度（77K-4.2K）拉伸性能试验方法》的国家标准，可以为聚合物基复合材料在超低温条件的拉伸性能的检测提供方法，具有重要的意义。

纤维增强聚合物基复合材料特别是碳纤维增强聚合物基复合材料，其具有质量轻、强度高、耐介质等优点，已在航天、航空、汽车、医疗和电子等工业领域获得重要应用。

与现在使用的传统金属材料相比较，纤维聚合物基复合材料的比刚度和比强度更大，采用纤维聚合物基复合材料可有效替代部分金属材料的使用。

纤维聚合物基复合材料在超低温（-196℃至-269℃，即77K-4.2K）环境下的应用主要体现在以下几个方面： 1、航天领域：据相关文献报道，如果用碳纤维树脂基增强复合材料替代火箭燃料贮箱传统材料铝合金和不锈钢，火箭燃料贮箱的质量能够降低27-35%。

减轻了火箭燃料贮箱的质量，就可以有效增加火箭的燃料或增大火箭的有效载荷，提高火箭的推重比节约发射的成本等。

在火箭低温贮箱上采用纤维聚合物基复合材料是达到航天器降低质量的主要途径。

由于低温贮箱所处的环境为超低温条件，所有定向纤维聚合物基复合材料需要在超低温环境下使用，并保持稳定的力学性能。

除此之外，随着未来探月工程、大型空间站、火星探索等外太空的研究深入，航天器和探测设备的部分部件也会使用纤维聚合物基复合材料，这些部件都有可能在超低温的环境下工作使用。

获得相关纤维聚合物基复合材料在超低温条件下拉伸力学性能，不仅能为工程设计提供依据，更能挖掘该类型纤维复合材料在超低温环境下的应用潜力。

所以制定相关纤维聚合物基复合材料超低温环境下力学性能测试的标准显得尤为重要。

2、国防领域：一些今后可能采用液氢-液氧发动机并配备液氢液氧燃料的导弹等武器，燃料箱材料也可以使用纤维增强树脂基复合材料来实现减重。

在解决燃料箱本身减重并增加有效战斗质量的同时，还需确保处于超低温的极端环境中燃料箱材料的稳定性、可靠性。

在采用纤维聚合物基复合材料之前，获得其在超低温环境中的力学性能非常重要。

3、民用领域：大低温工程（如：国际热核反应堆ITER）、超导技术和低温医疗技术等低温领域也需要纤维聚合物基复合材料。

中科院合肥等离子体所建造的国家重大科学工程EAST超导Tokamak热核反应实验装置，英国卢瑟福实验室为日内瓦欧洲核子物理中心设计的大型超导磁体绝缘支撑结构等都会用到耐超低温纤维聚合物基复合材料。

对这些材料的低温力学性能的研究已经引起了美国、欧盟、日本等国家研究机构的高度重视。

综上所述，纤维聚合物基复合材料在超低温环境下的应用越来越广泛、深入。

为了确保纤维聚合物基复合材料在超低温环境下的有效应用，必须先要获得该型材料的低温力学性能如拉伸性能等。

因此根据我国的国情及实际的应用情况，加快建立纤维聚合物基复合材料超低温下的力学性能试验方法（如《定向纤维聚合物基复合材料超低温下的拉伸性能测试方法》）的国家标准迫在眉睫。

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范围：规定了定向纤维增强聚合物基复合材料层合板超低温拉伸性能试验方法的试验设备、试样、试验条件、试验步骤、计算、试验报告及附录等。 主要技术内容： 超低温环境下的试验系统是由试验机及与试验机相连接的低温杜瓦容器、容器内的低温测试连接工装、温度场控制系统、温度场测量系统、应变测量装置及测试试样等共同组成。 主要技术内容包括低温测试连接系统；低温系统的冷却；低温测试系统保温；低温温度场的获得、保持、监控；低温应变的获得、传输；低温下的试样尺寸；低温下试样的加强片；低温环境下试样的面内拉伸试验、破坏及失效判定等。附录主要介绍不同的制冷介质所能获得的温度场。 1、超低温试验装置：低温恒温装置是在现有试验机的基础上根据具体的操作需要定制和设计的，并且低温恒温器可以使用调节载荷方向的旋钮来实现对中调整。低温连接工装及低温夹持工装应选用强度高、韧性好及具有低导热性的低温合金材料制作。目前使用较广泛的是耐低温的不锈钢材料，该种材料能确保试样破坏时测试系统稳定、完好。为防止因连接装置和夹持工装在低温环境下的收缩导致试样的滑脱或试验的失败，应尽量选择同种合金材料或低温热膨胀系数相近的材料来加工制备低温下的测试系统及工装等。 2、恒温超低温温度场：超低温温度场的获得可以采用制冷机、液氮、液氢、液氦等制冷来获得；若采用上述液体介质获得低于77K的温度场，一般采用先用液氮预冷然后再用液氢或液氦汽化制冷达到试验所需的温度场。若选用易燃、易爆的制冷介质如液氢做制冷介质时，需要按有关规定采用特殊的安全防护措施，否则不能使用。若不是易燃、易爆的制冷介质，在气体制冷的氛围中可以采用热电偶加热来微调真空杜瓦瓶内的环境温度，通过制冷介质制冷及局部加热扰动的方式实现温度场的动态稳定。汽化后从杜瓦瓶内排出的气体若是直接排空，相对封闭的实验室环境应注意通风，防止人员窒息。 3、温度的测量：制冷介质或试样的温度用热电偶或其他适当的装置测量；采用在试样的上、下端头部位和中间部位粘贴热电偶的方式来测量试样的温度。温度测量装置的分辨力应达到1℃或更好，试验中试样温度保持在规定试验温度的±2℃范围内，试样标距两端温度差的绝对值应不超过3℃。 4、应变测量装置：应使用能在低温环境下测量的引伸计、应变片等应变测量装置。引伸计在测量使用前应在规定试验温度下进行标定，标定后才能使用；用应变片测量规定试验温度下的应变前，应获取其在该规定温度下的灵敏系数。若采用应变片测量材料的应变，还需在相同的环境中应用应变补偿法测量。 5、超低温环境下试样的尺寸： 超低温下的力学试验使用的试样受制于超低温环境的空间、连接部件的低温力学性能、低温测试系统的导热率、制冷介质的消耗等影响，这就要根据具体的情况在尽可能保证测试数据可靠的情况下制定试样的尺寸。 用液氢作为制冷介质可以获得77K-20K之间的温度场，液氢的价格相对比较便宜，理论上应该是一种理想的制冷介质。但是液氢汽化成氢气后，其爆炸极限较宽，同时对测试设备去除静电的要求条件比较苛刻，常规实验室很少利用液氢实现77K～20K的超低温温度场。目前，实验室内获得的超低温温度场一般是通过液氦作为制冷介质来实现的。由于液氦是一种汽化潜热较小的制冷介质，同时又是一种重要的战略资源，国内需要的液氦绝大部分来自于国外进口，价格昂贵，每次试验的代价很高。因此决定了超低温环境下的力学性能测试比较困难。 超低温环境下的拉伸力学试验困难主要有： （1）超低温环境测试系统内部的测试空间狭小、有限；测试系统的连接工装、各种绝热、隔热材料、信号采集装置、输液管等占据大量空间； （2）超低温环境下获得较大范围、保持较长时间均匀的温度场比较困难； （3）超低温环境下0°方向纤维聚合物基复合材料的夹持非常困难，在测试的过程中有时会出现试样从夹具中滑脱； （4）真空杜瓦装置内的测试工装在满足测试时所需最大载荷的同时，还应尽可能节省自身冷却所耗费的制冷介质。 以上的困难决定了超低温环境下的试样尺寸在保证测试数据可靠的情况下必须适当的减小。根据GB/T 3354-2014及ASTM D 3039M-07中有关尺寸的规定，结合中科院理化所超低温力学实验室近几年关于单向碳纤维复合材料在77K、20K等温度下的测试情况，建议0°方向纤维增强聚合物基复合材料的长度为180mm～200mm，厚度为1mm。在试样两端粘接加强片对超低温环境中试验的成功相当重要，建议使用1.5mm厚的软铝合金材质。