纖維增強(qiáng)復(fù)合材料失效知多少？

復(fù)合材料由于其優(yōu)異的性能，已經(jīng)發(fā)展成與金屬材料、高分子材料、無(wú)機(jī)非金屬材料并列的四大材料體系之一。有預(yù)測(cè)認(rèn)為，復(fù)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(qiáng)聚合物基復(fù)合材料是發(fā)展最為成熟的一種復(fù)合材料，被廣泛應(yīng)用于航天航空、風(fēng)電等領(lǐng)域，在汽車行業(yè)也有廣闊的應(yīng)用前景。

纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料雖然性能優(yōu)異，但由于多相固體材料的特殊結(jié)構(gòu)，其失效模式相對(duì)其他材料更加復(fù)雜。比如金屬的斷裂那，金屬在靜態(tài)和循環(huán)載荷下斷裂大多是由單個(gè)裂紋或幾個(gè)裂紋的成核和擴(kuò)展，其失效模式較為單一 。復(fù)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(fù)雜性，失效分析工作者在面對(duì)復(fù)合材料損傷失效時(shí)，常常感到無(wú)從下手。

大多數(shù)工程上使用的復(fù)合材料都是有多向鋪層的單向板組成。因此，本文就簡(jiǎn)單介紹復(fù)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(nèi)會(huì)出現(xiàn)少量纖維斷裂。每根纖維的斷裂后，會(huì)通過(guò)基體將載荷轉(zhuǎn)移至鄰近的纖維。 隨著載荷的持續(xù)增加，越來(lái)越多的纖維出現(xiàn)斷裂。當(dāng)某個(gè)靜截面承載能力減少到低于施加載荷時(shí)，發(fā)生最終失效。失效模式可以歸結(jié)為三種模式：脆性破壞、帶纖維拔出的脆性破壞和不規(guī)則破壞，如圖1。由纖維斷裂引起的裂紋在隨后的加載過(guò)程中會(huì)擴(kuò)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(qiáng)度高，那么裂紋沿垂直于載荷的方向在基體中擴(kuò)展，表現(xiàn)為相當(dāng)光滑的斷面，如圖1a。反之，裂紋則主要沿界面擴(kuò)展，表現(xiàn)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(tài)則為不規(guī)則破壞，如圖 1c。

圖1 縱向拉伸失效模式

（a） 脆性（b）帶纖維拔出（c）不規(guī)則

復(fù)合材料橫向拉伸失效肯不發(fā)生纖維破壞，即“基體模式”失效。當(dāng)橫向拉伸載荷作用于單向板，在基體內(nèi)和界面上產(chǎn)生高的應(yīng)力集中。因此，主要失效模式為基體內(nèi)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。

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(duì)較弱，因而單向?qū)雍习逶趬嚎s載荷作用下可沿纖維方向在基體內(nèi)或界面上產(chǎn)生斷裂，如圖 3a。 這是因?yàn)榛w和纖維的泊松比存在差異導(dǎo)致橫向拉伸應(yīng)力的結(jié)果。 如果纖維產(chǎn)生屈曲，界面可剪切破壞并導(dǎo)致最終失效。 但是，如果基體韌性較好且界面強(qiáng)度較高，則纖維可以彎曲而不發(fā)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(nèi)的與載荷成一定角度的剪切破壞。

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(xiàn)剪切破壞，類似于均質(zhì)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(fā)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(duì)剪切強(qiáng)度是一個(gè)重要因素。 圖 4示出了面內(nèi)剪切失效模式.

圖 4 剪切載荷下的失效模式

參考文獻(xiàn)：

[1] 崔海濤, 孫志剛.航空復(fù)合材料及其力學(xué)分析[ M] .北京:科學(xué)出版社

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