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    纖維增強復合材料失效知多少?

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    瀏覽:- 發布日期:2020-03-27 18:54:02【

    復合材料由于其優異的性能,已經發展成與金屬材料、高分子材料、無機非金屬材料并列的四大材料體系之一。有預測認為,復合材料是唯一還具有20%~25%性能提升潛力的材料。目前,纖維增強聚合物基復合材料是發展最為成熟的一種復合材料,被廣泛應用于航天航空、風電等領域,在汽車行業也有廣闊的應用前景。

    纖維增強聚合物基復合材料雖然性能優異,但由于多相固體材料的特殊結構,其失效模式相對其他材料更加復雜。比如金屬的斷裂那,金屬在靜態和循環載荷下斷裂大多是由單個裂紋或幾個裂紋的成核和擴展,其失效模式較為單一 。復合材料的斷裂則是由于多種失效(如基體開裂、界面脫粘、纖維斷裂及分層)的起始以及相互作用而形成。正是由于損傷的多樣性和復雜性,失效分析工作者在面對復合材料損傷失效時,常常感到無從下手。

    大多數工程上使用的復合材料都是有多向鋪層的單向板組成。因此,本文就簡單介紹復合材料中最基本的單向板主要失效模式。

    1、拉伸載荷失效模式

    在縱向拉伸載荷下,單向板中最薄弱的橫截面內會出現少量纖維斷裂。每根纖維的斷裂后,會通過基體將載荷轉移至鄰近的纖維。 隨著載荷的持續增加,越來越多的纖維出現斷裂。當某個靜截面承載能力減少到低于施加載荷時,發生最終失效。失效模式可以歸結為三種模式:脆性破壞、帶纖維拔出的脆性破壞和不規則破壞,如圖1。由纖維斷裂引起的裂紋在隨后的加載過程中會擴展到基體中去,其路徑主要依賴于基體和界面的性能。如果基體與纖維之間的粘接強度高,那么裂紋沿垂直于載荷的方向在基體中擴展,表現為相當光滑的斷面,如圖1a。反之,裂紋則主要沿界面擴展,表現為在一些薄弱界面纖維與基體界面剝離和斷裂纖維從基體中拔出,如圖 1b。中間狀態則為不規則破壞,如圖 1c。

    縱向拉伸失效模式

    圖1 縱向拉伸失效模式

    (a) 脆性(b)帶纖維拔出(c)不規則

    復合材料橫向拉伸失效肯不發生纖維破壞,即“基體模式”失效。當橫向拉伸載荷作用于單向板,在基體內和界面上產生高的應力集中。因此,主要失效模式為基體內和/或界面上的拉伸開裂。橫向拉伸下的失效模式如圖2所示。


    橫向拉伸失效模式

    圖 2 橫向拉伸失效模式

    (a)基體開裂 (b) 脫粘

    2、壓縮載荷失效模式

    由于基體和界面與纖維相比相對較弱,因而單向層合板在壓縮載荷作用下可沿纖維方向在基體內或界面上產生斷裂,如圖 3a。 這是因為基體和纖維的泊松比存在差異導致橫向拉伸應力的結果。 如果纖維產生屈曲,界面可剪切破壞并導致最終失效。 但是,如果基體韌性較好且界面強度較高,則纖維可以彎曲而不發生基體破壞,最終的失效形式是彎曲。宏觀上,縱向壓縮載荷下的主要失效模式是剪切屈曲,如圖 3b,它就象是面內的與載荷成一定角度的剪切破壞。

    圖 3 壓縮失效模式

    圖 3 壓縮失效模式

    (a)脆性(b) 帶纖維拔出(c)純壓縮

    橫向壓縮載荷下,失效可能沿平行于纖維軸的基體界面出現剪切破壞,類似于均質材料的壓縮破壞。

    3、剪切載荷失效模式

    單向板的剪切破壞一般發生在平行于纖維的樹脂和纖維/樹脂界面 ,而且 ,界面的完整性對剪切強度是一個重要因素。 圖 4示出了面內剪切失效模式.



    圖 4 剪切載荷下的失效模式

    圖 4 剪切載荷下的失效模式


    參考文獻:

    [1] 崔海濤, 孫志剛.航空復合材料及其力學分析[ M] .北京:科學出版社

    [2] 習年生,于志成,陶春虎.纖維增強復合材料的損傷特征及失效分析方法[J].航空材料學報, 2000, 20(2):55-63.


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