復合材料單向板的拉伸失效

范金娟，劉 杰，隋曉燕

(1.北京航空材料研究院，北京 100095;2.凌云集團，湖北 宜昌 443100)

0 引言

聚合物基復合材料具有較高的比強度、比剛度，耐腐蝕，可設計性強，在航空航天領域得到了廣泛的應用，成為飛機、導彈、火箭、人造衛(wèi)星、艦船、兵工武器等結構上不可或缺的戰(zhàn)略材料。隨著聚合物基復合材料的大量應用，復合材料構件的失效也逐漸增多，且可能造成災難性事故［1-3］。如:2001年美國飛往多米尼加的A300-605R 客機，由于聚合物基復合材料水平垂尾失效導致機上251 人、地面5 人遇難［4-5］;我國研制并應用的復合材料調節(jié)板壁板，在使用中發(fā)生斷裂［6］;不同機型的雷達罩在使用過程中相繼發(fā)生脫粘、開裂故障等［7-8］。由于聚合物基復合材料復雜性與多樣性，對聚合物基復合材料制件的設計、失效行為與斷裂行為認識不足，是構件失效的主要原因。

近些年，國內外在復合材料失效行為與斷裂機理方面進行了大量的工作，如美國形成一套復合材料失效分析手冊，詳細介紹了復合材料的失效分析技術與方法，失效分析的結果將對復合材料制件的設計、制造提供很好的技術反饋。一些研究人員將復合材料層壓板的斷裂模式歸為穿層斷裂、層間斷裂(分層斷裂)和層內斷裂3 類［9-11］，并分析了各類斷裂的擴展過程，但缺乏所受載荷類型以及大小與斷裂特征之間的關系，認為斷裂模式與層板的基體、纖維及試驗溫度有關。由于復合材料斷裂的復雜性，研究人員很難將斷口微觀特征與應力狀態(tài)相聯系，主要在宏觀范圍尋找斷裂的規(guī)律性。本研究主要通過試驗研究多種碳纖維與玻璃纖維增強復合材料層壓板的斷裂特征與斷裂過程，分析復合材料單向板在0°拉伸載荷下的斷裂模式、失效行為及其影響因素。

1 試驗材料與方法

試驗選用2 種碳纖維(U3160 和CCF300)、1種玻璃纖維(QF210)、2 種基體材料(5224 與3238A)，碳纖維與玻璃纖維增強復合材料單向板由北京航空材料研究院制備。按照標準GB/T 3354—1999 加工拉伸試樣，采用INSTRON5882試驗機進行拉伸試驗，試驗溫度分別為-55、23、70 ℃，試驗過程中觀察試件的失效過程，試驗后對試樣斷口特征進行觀察，分析其失效特征。

2 結果分析與討論

2.1 拉伸載荷-位移曲線

碳纖維增強復合材料單向板23 ℃下0°拉伸的載荷-位移曲線基本保持線性，說明單向板拉伸失效前主要為彈性變形，無明顯的塑性變形，類似脆性材料(圖1)。在0°拉伸的曲線上可見多個小彎折。試驗中首次聽到響聲時，拉伸-載荷位移曲線上出現第1 個小彎折，試樣出現首束纖維斷裂。后面的每一個彎折都對應1 束或多束纖維斷裂。

碳纖維增強復合材料單向板在-55、70 ℃下的拉伸載荷-位移曲線與23 ℃下相似。玻璃纖維增強復合材料單向板在不同溫度下0°拉伸的載荷-位移曲線與碳纖維增強復合材料單向板的形狀相似，曲線基本保持線性，0°拉伸的曲線上也可見多個小彎折。

2.2 失效特征

碳纖維增強復合材料單向板0°拉伸存在散絲劈裂、脆性斷裂、不規(guī)則斷口、界面開裂等多種斷裂(圖2)。不同材料在不同溫度下的斷裂宏觀特征見表1。從表中可以看出，相同材料試驗溫度較低時，主要為脆性斷裂，隨著試驗溫度升高，斷口高差變大，劈裂增加?；w材料相同，增強材料不同，相同的試驗溫度下斷裂特征相差也較大，如0.2 MPa 壓制的U3160/5224 23 ℃拉伸后為不規(guī)則斷裂的特征，而0.2 MPa 壓制的U3160/3234 23 ℃拉伸斷口為散絲劈裂特征。增強材料相同，基體材料不同，相同的試驗溫度下斷裂特征也不同，如0.5 MPa 壓制的U3160/3238A 23 ℃下為散絲劈裂斷口，而0.5 MPa 壓制的CCF300/3238A 23 ℃下為脆性斷裂特征。

圖1 碳纖維增強復合材料單向板0°拉伸載荷-位移曲線Fig.1 0° tensile loading-displacement curves of unidirectional composite laminates

玻璃纖維增強復合材料單向板23 ℃主要為散絲劈裂斷裂特征(圖3)，低溫時劈裂較少。

2.3 失效模式與失效過程

文獻［12］報道，Tsai 等認為在縱向拉伸下，隨著載荷的增加，單向板首先在最薄弱的橫截面內出現少量的纖維斷裂。每個纖維的斷裂，都將引起載荷的轉移，即載荷通過基體傳遞到鄰近纖維。爾后，由于載荷的增加，引起更多的纖維斷裂。當某個靜截面承載能力減少到低于施加的應力時，發(fā)生最終失效。盡管失效會出現一些孤立的在樹脂或界面且平行于纖維的剪切破壞，單向板的縱向拉伸失效可以歸結為3 種失效模式:脆性斷裂、帶纖維拔出的脆性斷裂和無規(guī)則破壞(圖4)。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(圖4a)。相反，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(圖4b)。中間狀態(tài)則為無規(guī)則破壞(圖4c)?；w、纖維、鋪層及試驗溫度等對失效模式均有一定的影響。

圖2 單向板拉伸斷裂形貌Fig.2 Tensile fracture morphology of unidirectional composite laminates

表1 單向板拉伸斷裂特征Table 1 Tensile fracture characteristics of unidirectional composite laminates

與文獻［12］中Tsai 的結果不同，試驗中發(fā)現盡管拉伸斷口存在多種斷裂特征，但從失效模式上可以歸結為2 種，纖維基體斷裂與界面失效(圖5、圖6)。在纖維基體斷裂失效模式中，裂紋沿垂直于載荷方向擴展，斷口垂直于加載方向，斷口較齊平。界面失效模式中裂紋在纖維間的基體中沿加載方向擴展，試件發(fā)生劈裂。2 種斷裂模式可能存在纖維拔出特征。一般情況下，單向板拉伸斷口中兩種失效模式同時存在，但每種失效模式所占的比例會有所不同，因此會形成多種斷口形態(tài)。

圖3 玻璃纖維增強復合材料單向板拉伸失效特征Fig.3 Tensile fracture characteristics of glass fiber reinforced unidirectional composite laminates

圖4 縱向拉伸失效模式Fig.4 Modes of longitudinally tensile failure

圖5 纖維基體斷裂Fig.5 Fiber and matrix fracture

對于以纖維基體斷裂為主的失效模式，如脆性斷口與不規(guī)則斷口，其斷裂過程可能與Tsai 描述的相同。但對于以界面失效為主的散絲劈裂，其形成過程與Tsai 描述的不同。在拉伸載荷作用下，單向板首先在最薄弱的區(qū)域產生界面開裂與單束纖維斷裂，試件發(fā)出崩斷聲，載荷-位移曲線上出現一小彎折，載荷發(fā)生微小下降;隨著載荷的增加，相鄰纖維束也相繼發(fā)生界面開裂與斷裂，可能同時兩束纖維發(fā)生失效，試件不斷發(fā)出響聲，在載荷-位移曲線上產生多個小彎折，直到最后砰的一聲，多束纖維同時斷裂，形成散絲劈裂斷口(圖7)。

圖6 界面失效Fig.6 Interface failure

圖7 復合材料單向板散絲劈裂斷口形成過程Fig.7 Scattering and splitting fracture formation process of unidirectional composite laminates

2.4 失效模式的影響因素

結合碳纖維單向板的23 ℃力學性能發(fā)現，除CCF300/3238A 拉伸強度偏高，其他層壓板的拉伸強度相差不大，可見單向板拉伸強度與斷裂特征、失效模式之間關系不大。而U3160/3234、U3160/3238A、CCF300/3238A 的界面結合強度(用層間剪切強度進行表征)較低，界面失效較多，U3160/5224、CCF300/5224 的界面強度較高，界面失效較少，可見，界面的結合強度是影響斷裂特征、失效模式的主要因素。界面強度較弱的單向板，一般以界面失效為主，形成散絲劈裂。界面強度較高的單向板，以纖維基體斷裂為主，形成較平整的脆性斷裂斷口，存在較少的界面開裂。當界面、纖維、基體強度相匹配時，發(fā)生不規(guī)則斷裂，這種斷口處于脆斷與散絲劈裂2 種斷口之間，試件只劈裂成幾塊，主要為垂直于加載方向的纖維與基體斷裂特征，也可能存在多個裂紋源。

單向板低溫時以纖維基體斷裂為主，而高溫時以界面失效為主，主要是由于隨著溫度的升高，材料的界面結合性能下降所致。

纖維、基體種類不同，層壓板的拉伸斷裂模式發(fā)生變化，也是由于不同纖維基體匹配后的界面強度不同所致，如相同增強纖維不同基體材料的U3160/5224 與U3160/3234 層壓板，U3160/5224的界面強度較高，為不規(guī)則斷裂，界面失效較少，U3160/3234 界面強度較低，為散絲劈裂斷口，界面失效較多(表2)。

表2 23℃碳纖維增強單向復合材料層合板的拉伸強度和剪切強度Table 2 Tensile and shear strength of carbon fiber reinforced unidirectional composite laminates at 23 ℃

另外，值得注意的是，試驗過程中試樣兩端夾持部位粘貼的加強片對斷裂特征與失效模式的影響較大。在拉伸試驗過程中，經常發(fā)生加強片脫粘或輕微的滑移(圖8)，或斷裂位于加強片邊緣或內部等現象，這些情況下單向板均為非正常斷裂。若試驗人員不關注這些特征，將單向板的非正常斷裂認定為最終失效模式，將影響最終性能測定結果。

圖8 試驗用加強片失效Fig.8 Failure of the reinforcing piece

3 結論

1)復合材料單向板0°拉伸存在多種斷口形態(tài)，但可歸結為2 種基本的失效模式，即纖維基體斷裂與界面失效。

2)拉伸強度與斷裂特征、失效模式關系不大，界面的結合強度是影響失效模式的主要因素。

3)試驗溫度、纖維、基體等對其斷裂特征與失效模式的影響也是界面結合強度變化的結果。

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