[科普中国]-纤维强化复合材料

简介

复合材料的疲劳与断裂是固体力学的一个重要分支，它研究由两种或多种不同性能的材料在宏观尺度上组成的固体材料，因此具有非均匀性和各向异性。加上材料几何（形状、分布及含量）、铺层几何（单层厚度、铺层方向和顺序等）以及一些特殊的力学问题（层间应力、边界效应、脱胶等）使复合材料疲劳与断裂的研究较常规材料更为复杂。

研究工作一般分为3个层次：

①微观力学研究：通过对分子、晶体和结合键的微观分析，研究基体与纤维的力学特性及其结合问题。

②细观力学研究：通过分别研究纤维与基体的力学行为来分析单层材料的力学特性及其相互的配合问题。

③宏观力学研究：根据单层材料的力学行为研究多层材料与结构的力学特性、设计准则与计算方法。1

失效机制纤维强化复合材料的失效机制有4种：基体开裂、分层、纤维断裂和界面脱胶。·这些失效机制的组合产生了疲劳损伤，从而造成强度和刚度的降低，这些损伤的类型和程度取决于材料性能、铺层排列和顺序以及加载方式等。

下图为复合材料层压板疲劳损伤扩展过程的示意图：

损伤过程分为两个明显阶段：第一阶段是均匀开裂，裂纹仅限于单层内。第二阶段是裂纹相互作用加剧损伤的局部化。1

拉张试验单方向强化炭化纤维/环养树脂复合材料进行静拉张试验以及反复拉张试验，对试验中检出的波形进行分析，得出有关破坏机制的结论如下：2

1、加载之后，试件中的纤维/树脂界面发生剥离的同时，由缺陷或者残留应力引起的应力集中部位出现局部纤维拉断；

2、应力集中缓和之后，重大的破坏很少；

3、当载荷接近破坏强度时。试件中纤维开始拉断，由于界面强度不十分高，裂纹向纤维方向扩展。高温硬化型炭素纤维强化树脂（CFRP）的情况下，因为树脂是脆性的，纤维开始发生破坏时便立即破坏。

同样的炭素纤维/环养树脂复合材料的单方向强化积层板，预制裂纹状切口或者圆孔状切口，然后进行拉张破坏试验，测定AE。得出的结论如下：

1、带有切口的单方向积层板的拉张引起的破坏可分为拉张型破坏和剪切型破坏，并可根据AE加以判别；

2、拉张型破坏的破坏面是由树脂覆盖，很明显破坏在树脂中进行。另一方面。剪切型破坏的破坏面却以纤维/树脂界面的剥离与多数的针排为特征；

3、2种破坏形式的过渡点与AE发生状况和破坏面样式的过渡有良好的一致。

应用20世纪80年代，以Al2O3、B纤维强化Mg与Ti基复合材料迅速发展。该类复合材料疲劳断裂的微观机制包括：①在裂纹尖端前方由于纤维断裂或界面分离形成微裂纹；②主裂纹尖端与纤维和微裂纹的交互作用；③主裂纹与微裂纹的连接；④纤维造成裂纹的弯折。研究表明，高强度和高刚度的纤维，适当弱的基体/纤维界面是抗裂纹扩展最理想的复合材料。

纤维强化复合材料具有单强度高的特征。用于航空器材等广泛领域。高分子材料的基质普遍含有拉张强度高的纤维，因而，纤维方向的强度高，而在与纤维垂直的方向几乎没有强度。这种一个方向上强化的材料几乎不单独使用，通常根据使用目的将纤维方向不同的强化材料堆积成多层的板。

纤维强化复合材料的破坏机理与金属或高分子材料相比，因反映其构成的复杂性而呈现多种模式：主要的是纤维方向不同的积层板间的剥离、纤维与基质的剥离、纤维的断裂、基质的破裂等。纤维强化复合材料的独特特征是一个部件的中央与端部的破坏形式不一样，而且，在有裂纹的情况下，裂纹的扩展方向与纤维方向的相对关系以及裂纹尖端是在基质上还是在纤维上的位置关系对实际发生破坏的形式有决定性的影响。这种破坏形式的差异使对材料破坏强度的评价变得很难。