金屬基聚合物復(fù)合材料短纖維橋接界面強(qiáng)化機(jī)理

計(jì) 操，周國(guó)發(fā)*

（南昌大學(xué)資源環(huán)境與化工學(xué)院，南昌330031）

0 前言

金屬基聚合物復(fù)合材料廣泛應(yīng)用于航空和汽車行業(yè)，而復(fù)合材料界面是金屬基復(fù)合材料各相連接的“紐帶”［1-3］，復(fù)合材料粘接界面剝離失效是其主要失效形式［4-7］。而如何強(qiáng)化金屬基聚合物復(fù)合材料的界面強(qiáng)度是其工業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。本文提出了金屬基聚合物復(fù)合材料的短纖維橋接界面強(qiáng)化技術(shù)。通過(guò)多層復(fù)合組裝注射成型，先在金屬基表面進(jìn)行模內(nèi)涂覆注射1～2 mm 厚的粘接層，然后在粘接層表面，二次注塑具有短纖維橋接增強(qiáng)的聚合物復(fù)合層，在其復(fù)合界面形成短纖維橋接，實(shí)現(xiàn)復(fù)合界面強(qiáng)化。盡管國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料進(jìn)行了較為廣泛的研究［8-11］，但至今罕見(jiàn)短纖維橋接強(qiáng)化復(fù)合界面的研究報(bào)道。針對(duì)這一工程背景，本文基于內(nèi)聚力剝離損傷模型，構(gòu)建了金屬基聚合物復(fù)合材料短纖維橋接強(qiáng)化復(fù)合界面的剝離裂紋擴(kuò)展斷裂失效的模擬仿真技術(shù)。模擬研究了纖維橋接對(duì)其復(fù)合界面剝離裂紋擴(kuò)展斷裂失效過(guò)程的影響，詮釋了其界面纖維橋接的強(qiáng)化機(jī)理，研究構(gòu)建了橋接纖維特性—界面斷裂韌性—界面剝離裂紋擴(kuò)展斷裂失效臨界載荷的協(xié)同關(guān)聯(lián)理論，提出了預(yù)防纖維橋接強(qiáng)化界面誘發(fā)剝離裂紋擴(kuò)展斷裂失效的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

1 內(nèi)聚力剝離損傷模型

本文采用圖1 所示的雙線性內(nèi)聚力模型［12-13］。圖中T0為張開(kāi)應(yīng)力最大值，δ0、δa和δn分別為最大張開(kāi)應(yīng)力的張開(kāi)位移值、任意時(shí)刻張開(kāi)位移值和最大張開(kāi)位移值，Ga為δa時(shí)的應(yīng)變能釋放率，Gc為臨界應(yīng)變能釋放率。本文采用B-K 損傷準(zhǔn)則［14-15］，其損傷系數(shù)CSDMG按式（1）計(jì)算：

式中 CCSDMG——損 傷 系 數(shù)，CCSDMG∈[0，1]，CSDMG 取值為1，表示剝離裂紋出現(xiàn)擴(kuò)展損傷

GIc、GIIc——分別為法向和切向的臨界應(yīng)變能釋放率

GI、GII、GIII——分別為法向和2個(gè)切向的應(yīng)變能釋放率

圖1 雙線性內(nèi)聚力模型Fig.1 Model of bilinear cohesion

2 模擬條件

以圖2 所示短纖維橋接界面強(qiáng)化復(fù)合界面剝離失效過(guò)程為研究對(duì)象。材料參數(shù)如表1所示?；趯?duì)稱，采用1/4 模型進(jìn)行模擬，邊界條件為：左端與下端面為對(duì)稱面，聚合物層上表面施加圖3 所示拉伸位移載荷。表2 和表3 分別為聚合物—粘接層、聚合物—碳纖維界面斷裂韌性參數(shù)［16-18］。

圖2 實(shí)體模型Fig.2 Solid model

表1 材料參數(shù)Tab.1 Material parameters

表2 聚合物-粘接層斷裂韌性參數(shù)Tab.2 Fracture toughness parameters of polypropylene-epoxy structural adhesive interface

表3 聚合物-碳纖維界面斷裂韌性參數(shù)Tab.3 Fracture toughness parameters of polypropylene-carbon fiber interface

3 短纖維橋接對(duì)復(fù)合界面強(qiáng)化的影響

圖3 位移載荷與時(shí)間關(guān)系曲線Fig.3 Displacement load vs. time

為了詮釋金屬基聚合物復(fù)合材料的短纖維橋接界面強(qiáng)化機(jī)理，現(xiàn)進(jìn)行了有、無(wú)短纖維橋接強(qiáng)化復(fù)合界面剝離裂紋擴(kuò)展失效過(guò)程的對(duì)比模擬研究。圖4為初始預(yù)裂紋面積比為10%，在有、無(wú)短纖維橋接強(qiáng)化時(shí)，復(fù)合界面剝離裂紋擴(kuò)展損傷系數(shù)演化云圖對(duì)比模擬結(jié)果。圖4（a）～（c）為無(wú)短纖維橋接強(qiáng)化的模擬研究結(jié)果，結(jié)果表明，無(wú)短纖維橋接強(qiáng)化時(shí)，其復(fù)合界面在0～0.122 s的拉伸位移加載中，界面裂紋面積比由10 %擴(kuò)展至31%，而在0.122～0.132 s 的拉伸位移加載中，裂紋面積比由31%增大為100%，復(fù)合界面產(chǎn)生剝離裂紋完全擴(kuò)展斷裂失效，裂紋平均擴(kuò)展速度是前者的32.86倍。圖4（d～f）為有短纖維橋接強(qiáng)化的界面損傷系數(shù)演化云圖。在有短纖維橋接強(qiáng)化時(shí)，其復(fù)合界面在0～0.144 s 的拉伸位移加載中，界面裂紋面積比由10%擴(kuò)展至26.5%，而在0.144～0.154 s的拉伸位移加載中，裂紋面積比由26.5%增大為100%，裂紋平均擴(kuò)展速度是前者的50.54倍，此時(shí)有短纖維橋接強(qiáng)化的復(fù)合界面才產(chǎn)生剝離裂紋完全擴(kuò)展斷裂失效。研究表明，通過(guò)復(fù)合界面的短纖維橋接強(qiáng)化，可使聚合物復(fù)合層與粘接層復(fù)合界面產(chǎn)生剝離裂紋完全擴(kuò)展斷裂失效的加載時(shí)間由0.132 s延后至0.154 s，可使其失效的位移載荷由0.013 2 mm增至0.015 4 mm，增幅為16.7%。

圖5為有/無(wú)纖維橋接作用的復(fù)合界面裂紋擴(kuò)展面積比與時(shí)間關(guān)系曲線的對(duì)比結(jié)果。研究表明，復(fù)合界面剝離裂紋擴(kuò)展面積先隨著位移加載的增加而緩慢擴(kuò)展，當(dāng)復(fù)合界面剝離裂紋擴(kuò)展面積達(dá)到某一臨界值后，復(fù)合界面剝離裂紋擴(kuò)展面積則隨著位移加載的進(jìn)一步增加，而快速失穩(wěn)擴(kuò)展。由此可見(jiàn)，當(dāng)復(fù)合界面剝離裂紋擴(kuò)展面積達(dá)到臨界界面剝離裂紋擴(kuò)展面積時(shí)，復(fù)合界面必然產(chǎn)生剝離裂紋快速失穩(wěn)擴(kuò)展斷裂失效，此時(shí)的加載載荷可視為復(fù)合界面產(chǎn)生裂紋快速失穩(wěn)擴(kuò)展斷裂失效的臨界載荷。

圖4 有/無(wú)短纖維橋接強(qiáng)化復(fù)合界面剝離裂紋擴(kuò)展損傷系數(shù)云圖演化對(duì)比Fig.4 Evolution cloud diagram of the damage coefficient of the interface with or without short fiber bridge strengthening

為了預(yù)測(cè)復(fù)合界面裂紋快速失穩(wěn)擴(kuò)展斷裂失效的臨界載荷（Pcr），研究了拉伸加載載荷與位移加載時(shí)間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，圖6為有/無(wú)纖維橋接作用時(shí)，復(fù)合界面裂紋擴(kuò)展載荷與位移加載時(shí)間的關(guān)系曲線。圖5與圖6結(jié)果表明，無(wú)纖維橋接強(qiáng)化時(shí)，當(dāng)位移加載時(shí)間為0.12 s時(shí)，其復(fù)合界面才開(kāi)始產(chǎn)生剝離裂紋快速失穩(wěn)擴(kuò)展斷裂失效，此時(shí)對(duì)應(yīng)的Pcr為26.5 N。而有纖維橋接強(qiáng)化時(shí)，當(dāng)加載時(shí)間為0.14 s時(shí)，其復(fù)合界面才開(kāi)始產(chǎn)生剝離裂紋快速失穩(wěn)擴(kuò)展斷裂失效，此時(shí)對(duì)應(yīng)的Pcr為41.3 N。由此可見(jiàn)，通過(guò)短纖維橋接強(qiáng)化，可使復(fù)合界面開(kāi)始誘發(fā)剝離裂紋快速失穩(wěn)擴(kuò)展斷裂失效的Pcr由26.5 N 增至41.3 N，強(qiáng)化增幅高達(dá)55.9%。所以，通過(guò)在復(fù)合聚合物層與粘接層界面增設(shè)短纖維橋接，可以大幅強(qiáng)化其復(fù)合界面的剝離裂紋快速失穩(wěn)擴(kuò)展失效的承載能力。

圖5 裂紋擴(kuò)展面積比與時(shí)間關(guān)系曲線Fig.5 Extending area ratio of crack vs. time

圖6 裂紋擴(kuò)展載荷與位移加載時(shí)間的關(guān)系曲線Fig.6 Crack growing load vs. time

由圖6可知，無(wú)短纖維橋接強(qiáng)化復(fù)合界面在位移加載時(shí)間為0.132 s時(shí)，承受的最大承載載荷為30.2 N，而有短纖維橋接強(qiáng)化復(fù)合界面在位移加載時(shí)間為0.245 s時(shí)，承受的最大承載載荷59.3 N。對(duì)于無(wú)短纖維橋接強(qiáng)化復(fù)合界面，其最大承載載荷僅比誘發(fā)失穩(wěn)擴(kuò)展斷裂失效的臨界載荷大3.7 N，說(shuō)明對(duì)于無(wú)短纖維橋接強(qiáng)化，開(kāi)始誘發(fā)其失穩(wěn)擴(kuò)展斷裂失效的臨界載荷與最大承載載荷較為接近。但對(duì)于有短纖維橋接強(qiáng)化，其最大承載載荷卻比其失穩(wěn)擴(kuò)展斷裂失效的臨界載荷大18 N，說(shuō)明對(duì)于有短纖維橋接強(qiáng)化，復(fù)合界面開(kāi)始誘發(fā)失穩(wěn)擴(kuò)展斷裂失效的臨界載荷與最大承載載荷較相差較大，主要原因是：盡管加載至復(fù)合界面開(kāi)始誘發(fā)失穩(wěn)擴(kuò)展斷裂失效的臨界載荷，很快就發(fā)生復(fù)合界面剝離裂紋完全擴(kuò)展斷裂失效，但此時(shí)復(fù)合聚合物層與粘接層還存在纖維橋接，仍具有抗剝離拉伸承載能力，僅當(dāng)20根短纖維完全拉伸剝離，才會(huì)完全失去承載能力。由此可見(jiàn)，為了安全考慮，本文將復(fù)合界面開(kāi)始誘發(fā)失穩(wěn)擴(kuò)展斷裂失效的臨界載荷視為金屬基聚合物復(fù)合材料的極限載荷。

圖7為無(wú)短纖維橋接強(qiáng)化的復(fù)合界面剝離擴(kuò)展裂紋尖端Mises 應(yīng)力演化規(guī)律的模擬結(jié)果。位移加載時(shí)間為0.021 781 s，裂紋尖端的最大應(yīng)力值為9.152 MPa，小于損傷啟裂應(yīng)力T0，此時(shí)預(yù)裂紋尖端沒(méi)有萌生微裂紋。當(dāng)位移加載時(shí)間進(jìn)一步增至0.122 s時(shí)，裂紋尖端的最大應(yīng)力值增至34.21 MPa，大于損傷啟裂應(yīng)力T0，裂紋尖端誘發(fā)裂紋剝離損傷和剝離裂紋擴(kuò)展。之后，隨著裂紋損傷擴(kuò)展，裂紋尖端Mises 應(yīng)力得到釋放。由此可見(jiàn)，尖端的最大Mises 應(yīng)力是誘發(fā)損傷裂紋擴(kuò)展的直接驅(qū)動(dòng)力。

圖7 裂紋尖端Mises應(yīng)力演化云圖Fig.7 Mises stress evolution at the crack tip

4 關(guān)鍵影響參數(shù)—臨界載荷的關(guān)聯(lián)關(guān)系

4.1 橋接纖維密度對(duì)復(fù)合界面臨界載荷影響

為了研究橋接纖維密度對(duì)界面裂紋擴(kuò)展的影響，分別取橋接纖維密度為0、4、8、12、16、20根/mm2，初始預(yù)裂紋面積比為10%，圖8 為Pcr與橋接纖維密度的關(guān)系曲線。結(jié)果表明，金屬基聚合物復(fù)合材料誘發(fā)復(fù)合界面剝離裂紋快速失穩(wěn)擴(kuò)展斷裂失效的Pcr與橋接纖維密度呈線性正關(guān)聯(lián)關(guān)系，隨著橋接纖維密度的增加而增大。當(dāng)橋接纖維密度由0 增至20 根/mm2時(shí)，Pcr由26.5 N 增至41.3 N，增幅為55.9%。說(shuō)明短纖維橋接作用可有效提高復(fù)合界面的Pcr，強(qiáng)化界面強(qiáng)度，且橋接纖維密度越高，界面強(qiáng)化作用越明顯。

圖8 臨界載荷與橋接纖維密度的關(guān)系曲線Fig.8 Critical load vs bridging fiber density

4.2 界面預(yù)裂紋面積對(duì)失穩(wěn)擴(kuò)展臨界載荷影響

為了研究界面預(yù)裂紋面積對(duì)失穩(wěn)擴(kuò)展Pcr的影響，保持橋接纖維密度為4 根/mm2，聚丙烯-環(huán)氧樹(shù)脂粘接層復(fù)合界面損傷啟裂應(yīng)力為32 MPa，臨界應(yīng)變能釋放率為800 J/m2，分別研究了初始預(yù)裂紋面積比為0、5%、10%、15%、20%時(shí)的界面Pcr。圖9為Pcr與界面初始預(yù)裂紋面積比的關(guān)系曲線。結(jié)果表明：金屬基聚合物復(fù)合材料誘發(fā)復(fù)合界面剝離裂紋快速失穩(wěn)擴(kuò)展斷裂失效的Pcr與初始預(yù)裂紋面積比近似呈線性負(fù)關(guān)聯(lián)關(guān)系，隨著界面初始預(yù)裂紋面積比增加而減小。當(dāng)界面預(yù)裂紋面積比由0增至20%，其界面Pcr由32.1 N 降至24.6 N，降幅為30.6%。所以可以通過(guò)減小界面預(yù)裂紋面積比，提高Pcr，增強(qiáng)界面強(qiáng)度。

4.3 斷裂韌性對(duì)纖維橋接強(qiáng)化界面臨界載荷的影響

為了研究斷裂韌性參數(shù)對(duì)纖維橋接界面剝離裂紋快速失穩(wěn)擴(kuò)展損傷的影響。先研究了損傷啟裂應(yīng)力對(duì)纖維橋接強(qiáng)化界面Pcr的影響，模擬條件為初始預(yù)裂紋面積比為10%，聚丙烯-環(huán)氧樹(shù)脂粘接層復(fù)合界面損傷啟裂應(yīng)力在［16 MPa，32 MPa］之間變化，而其他參數(shù)同4.2 節(jié)。圖10為Pcr與損傷啟裂應(yīng)力的關(guān)系曲線。結(jié)果表明，臨界載荷與損傷啟裂應(yīng)力近似呈線性正關(guān)聯(lián)關(guān)系，隨著損傷啟裂應(yīng)力的增大而增大。當(dāng)其由16 MPa增至32 MPa，臨界載荷由13 N增加至29.4 N，增幅126%。

圖9 臨界載荷與界面初始預(yù)裂紋面積比的關(guān)系曲線Fig.9 Critical failure load vs interface pre-crack area ratio

圖10 臨界載荷與損傷啟裂應(yīng)力的關(guān)系曲線Fig.10 Critical load vs damage initiation stress

為了研究臨界應(yīng)變能釋放率對(duì)失效臨界載荷的影響，模擬條件為初始預(yù)裂紋面積比為10%，聚丙烯-環(huán)氧樹(shù)脂粘接層復(fù)合界面臨界應(yīng)變能釋放率在［50 J/m2，250 J/m2］之間變化，而其他參數(shù)同4.2節(jié)。圖11為Pcr與Gc的關(guān)系曲線。結(jié)果表明，Pcr與Gc呈非線性正關(guān)聯(lián)關(guān)系，隨Gc的增大而增大。當(dāng)Gc由50 J/m2增至250 J/m2，Pcr由19.4 N增加至27.6 N，增幅為42.24%。

圖11 臨界載荷與臨界應(yīng)變能釋放率的關(guān)系曲線Fig.11 Critical failure load vs critical strain energy release rate

綜上分析，金屬基聚合物復(fù)合材料誘發(fā)復(fù)合界面剝離裂紋快速失穩(wěn)擴(kuò)展斷裂失效的臨界載荷受控于橋接纖維密度、初始預(yù)裂紋面積、損傷啟裂應(yīng)力和臨界應(yīng)變能釋放率，提高橋接纖維密度、損傷啟裂應(yīng)力和臨界應(yīng)變能釋放率，或減小初始預(yù)裂紋面積均可增強(qiáng)復(fù)合界面剝離裂紋快速失穩(wěn)擴(kuò)展斷裂失效的臨界載荷。

5 預(yù)防纖維橋接強(qiáng)化復(fù)合界面裂紋快速失穩(wěn)擴(kuò)展失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

準(zhǔn)確預(yù)測(cè)金屬基聚合物復(fù)合材料纖維橋接強(qiáng)化界面的臨界失效載荷Pcr，是構(gòu)建預(yù)防纖維橋接強(qiáng)化界面剝離裂紋快速失穩(wěn)擴(kuò)展失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的理論前提。為此模擬研究了在Pcr等值約束條件下，纖維橋接強(qiáng)化界面斷裂韌性參數(shù)（T0，Gc）的協(xié)同耦合關(guān)聯(lián)曲線。圖12 為纖維橋接強(qiáng)化界面裂紋快速失穩(wěn)擴(kuò)展Pcr分別為20、21、22 N的等值約束條件下，Gc與T0的協(xié)同耦合關(guān)聯(lián)曲線。研究表明，如果纖維橋接強(qiáng)化界面的斷裂剝離韌性參數(shù)組合（T0，Gc）的坐標(biāo)點(diǎn)位于其Pcr等值約束協(xié)同耦合損傷失效控制線之上，初始預(yù)裂紋不會(huì)誘發(fā)纖維橋接強(qiáng)化界面裂紋快速失穩(wěn)擴(kuò)展。反之，該點(diǎn)位于控制線之下，則會(huì)誘發(fā)纖維橋接強(qiáng)化界面裂紋快速失穩(wěn)擴(kuò)展。由此可見(jiàn)，圖12 的Pcr等值約束協(xié)同耦合損傷失效控制線，是可預(yù)防纖維橋接強(qiáng)化界面是否發(fā)生界面裂紋快速失穩(wěn)擴(kuò)展失效的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則判斷曲線。Pcr等值約束協(xié)同耦合損傷失效控制線上的纖維橋接強(qiáng)化界面斷裂剝離韌性參數(shù)組合點(diǎn)（T0，Gc），是承受其等值約束損傷失效Pcr條件下，纖維橋接強(qiáng)化界面不產(chǎn)生剝離裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展斷裂失效所需要的最小界面斷裂韌性參數(shù)組合要求?；趽p傷失效Pcr為22 N的協(xié)同耦合損傷失效控制線可知，當(dāng)損傷啟裂應(yīng)力從24 MPa增至28 MPa 時(shí)，與其協(xié)同耦合所需的預(yù)防控制裂紋快速失穩(wěn)擴(kuò)展的Gc從550 J/m2相應(yīng)降低至89 J/m2，降幅為83.8%，Gc與T0的協(xié)同耦合呈負(fù)關(guān)聯(lián)規(guī)律。同時(shí)研究表明，隨著等值約束協(xié)同耦合損傷失效控制線的Pcr增加，纖維橋接強(qiáng)化界面的Gc與T0的協(xié)同耦合關(guān)聯(lián)曲線向上遷移，說(shuō)明承受的Pcr越大，則預(yù)防纖維橋接強(qiáng)化界面產(chǎn)生剝離裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展斷裂失效所需要的界面材料副的匹配斷裂韌性要求越高。

基于圖12 的Pcr等值約束協(xié)同耦合損傷失效控制線，研究構(gòu)建如下預(yù)防纖維橋接強(qiáng)化復(fù)合界面剝離失效的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。如取Pcr為22 N 的等值約束協(xié)同耦合損傷失效控制線，以實(shí)際金屬基復(fù)合材料界面斷裂韌性參數(shù)（T0，Gc）確定其坐標(biāo)點(diǎn)，如果該點(diǎn)位于其等值約束協(xié)同耦合損傷失效控制線之上，不會(huì)誘發(fā)纖維橋接強(qiáng)化界面產(chǎn)生快速失穩(wěn)擴(kuò)展損傷失效。反之，位于控制線之下，則會(huì)產(chǎn)生纖維橋接強(qiáng)化界面快速失穩(wěn)擴(kuò)展損傷失效。通過(guò)實(shí)際纖維橋接強(qiáng)化復(fù)合界面斷裂韌性的協(xié)同參數(shù)組合點(diǎn)（T0，Gc），以圖12的設(shè)計(jì)判斷曲線，就可以預(yù)測(cè)纖維橋接強(qiáng)化界面是否會(huì)發(fā)生快速失穩(wěn)擴(kuò)展損傷失效。

圖12 界面臨界應(yīng)變能釋放率與損傷啟裂應(yīng)力協(xié)同耦合關(guān)聯(lián)曲線Fig.12 Collaborative coupling correlation curve of critical strain energy release rate and damage initiation stress

為了驗(yàn)證圖12的設(shè)計(jì)判斷曲線的有效性，現(xiàn)取實(shí)際纖維橋接強(qiáng)化復(fù)合界面斷裂韌性的協(xié)同參數(shù)組合坐標(biāo)點(diǎn)A為（28 MPa，550 J/m2），該點(diǎn)顯然位于圖12臨界載荷Pcr為22 N的設(shè)計(jì)判斷曲線3的上方，依據(jù)本文提出的預(yù)防纖維橋接強(qiáng)化復(fù)合界面裂紋快速失穩(wěn)擴(kuò)展失效的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，可以判斷在承受22 N的Pcr時(shí)，其纖維橋接強(qiáng)化復(fù)合界面不會(huì)誘發(fā)裂紋快速失穩(wěn)擴(kuò)展失效。為了驗(yàn)證判斷結(jié)果可靠性，本文通過(guò)初始預(yù)裂紋面積比為10%，橋接纖維密度為4 根/mm2，加載載荷為22 N，T0為28 MPa，Gc為550 J/m2的模擬條件，對(duì)此界面初始預(yù)裂紋的擴(kuò)展過(guò)程進(jìn)行了模擬驗(yàn)證，圖13為A點(diǎn)工況下，纖維橋接強(qiáng)化復(fù)合界面損傷系數(shù)云圖。模擬結(jié)果表明，其纖維橋接強(qiáng)化復(fù)合界面顯然沒(méi)有產(chǎn)生初始預(yù)裂紋完全剝離失效。由此可見(jiàn)，纖維橋接強(qiáng)化復(fù)合界面初始預(yù)裂紋的擴(kuò)展過(guò)程的模擬研究結(jié)果與本文預(yù)防設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的推論完全吻合。

圖13 A點(diǎn)工況復(fù)合界面損傷系數(shù)云圖Fig.13 CSDMG cloud diagram of interface damage coefficient at point A

再取復(fù)合界面實(shí)際斷裂韌性的協(xié)同參數(shù)組合坐標(biāo)點(diǎn)B 為（25 MPa，100 J/m2），該點(diǎn)顯然位于圖12臨界載荷Pcr為22 N 的設(shè)計(jì)判斷曲線3 的下方，依據(jù)本文提出的預(yù)防設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，可以判斷其纖維橋接強(qiáng)化復(fù)合界面會(huì)誘發(fā)裂紋快速失穩(wěn)擴(kuò)展失效。為了驗(yàn)證判斷結(jié)果的可靠性，本文通過(guò)取T0=25 MPa，Gc=100 J/m2，對(duì)此纖維橋接強(qiáng)化復(fù)合界面預(yù)裂紋的擴(kuò)展過(guò)程進(jìn)行了模擬研究，圖14為B點(diǎn)工況下，纖維橋接強(qiáng)化復(fù)合界面損傷系數(shù)云圖，模擬結(jié)果表明：其纖維橋接強(qiáng)化復(fù)合界面誘發(fā)了初始預(yù)裂紋快速失穩(wěn)擴(kuò)展失效，已完全剝離損傷。由此可見(jiàn)，纖維橋接強(qiáng)化復(fù)合界面初始預(yù)裂紋的擴(kuò)展過(guò)程的模擬研究結(jié)果與本文預(yù)防設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的推論完全吻合。

圖14 B點(diǎn)工況復(fù)合界面損傷系數(shù)云圖Fig.14 CSDMG cloud diagram of interface damage coefficient at point B

圖15為復(fù)合界面斷裂韌性的協(xié)同參數(shù)組合坐標(biāo)點(diǎn)A 和B 工況下，纖維橋接強(qiáng)化復(fù)合界面剝離裂紋擴(kuò)展面積比與載荷加載時(shí)間的關(guān)系曲線，模擬結(jié)果表明：在點(diǎn)A（28MPa，550 J/m2）工況下，此纖維橋接強(qiáng)化復(fù)合界面的初始預(yù)裂紋處于緩慢擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)，在加載至22 N時(shí)，剝離裂紋擴(kuò)展面積比沒(méi)超過(guò)20 %，復(fù)合界面沒(méi)發(fā)生完全剝離裂紋擴(kuò)展損傷，界面安全可靠。然而，在點(diǎn)B（25 MPa，100 J/m2）工況下，此界面的初始預(yù)裂紋已處于快速失穩(wěn)擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)，在加載至22 N時(shí)，剝離裂紋擴(kuò)展面積比達(dá)到90%，復(fù)合界面已發(fā)生完全剝離裂紋擴(kuò)展損傷，處于完全損傷狀態(tài)。

圖15 剝離裂紋擴(kuò)展面積比與加載時(shí)間的關(guān)系Fig.15 Crack area ratio vs time

綜上分析可知，本文提出的預(yù)防金屬基聚合物復(fù)合材料纖維橋接強(qiáng)化復(fù)合界面裂紋擴(kuò)展失效的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是：依據(jù)實(shí)際纖維橋接強(qiáng)化復(fù)合界面斷裂韌性參數(shù)（T0，Gc）的坐標(biāo)點(diǎn)和加載載荷，如果其斷裂韌性參數(shù)的坐標(biāo)點(diǎn)位于圖12 的協(xié)同耦合損傷失效控制判斷線之上，可預(yù)防纖維橋接強(qiáng)化復(fù)合界面裂紋快速失穩(wěn)擴(kuò)展剝離失效，處于安全可靠狀態(tài)。反之，如位于損傷失效控制判斷線之下，其纖維橋接強(qiáng)化復(fù)合界面的初始預(yù)裂紋必會(huì)誘發(fā)快速失穩(wěn)擴(kuò)展剝離損傷失效，導(dǎo)致界面完全剝離，處于完全損傷狀態(tài)。

6 結(jié)論

（1）本文提出的通過(guò)模內(nèi)多相分層組裝成型技術(shù)，在金屬基聚合物復(fù)合材料的聚合物復(fù)合層與粘接層之間增設(shè)短纖維橋接，可以有效強(qiáng)化復(fù)合界面抵抗剝離損傷失效的能力；通過(guò)短纖維橋接強(qiáng)化，可使復(fù)合界面開(kāi)始誘發(fā)剝離裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展斷裂失效的臨界載荷強(qiáng)化增幅高達(dá)55.9%；

（2）基于內(nèi)聚力剝離損傷模型，構(gòu)建了金屬基聚合物復(fù)合材料短纖維橋接強(qiáng)化界面的剝離裂紋擴(kuò)展斷裂失效過(guò)程的模擬仿真技術(shù)；

（3）金屬基聚合物復(fù)合材料誘發(fā)纖維橋接強(qiáng)化復(fù)合界面剝離裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展斷裂失效的臨界載荷受控于橋接纖維密度、初始預(yù)裂紋面積、損傷啟裂應(yīng)力和臨界應(yīng)變能釋放率，提高橋接纖維密度、界面損傷啟裂應(yīng)力和臨界應(yīng)變能釋放率，或減小初始預(yù)裂紋面積均可以增強(qiáng)誘發(fā)復(fù)合界面剝離裂紋快速失穩(wěn)擴(kuò)展斷裂失效的臨界載荷；

（4）基于臨界載荷和橋接纖維等值約束條件，研究構(gòu)建了纖維橋接強(qiáng)化復(fù)合界面誘發(fā)剝離裂紋快速失穩(wěn)擴(kuò)展損傷失效的斷裂韌性參數(shù)協(xié)同耦合關(guān)聯(lián)曲線，其損傷啟裂應(yīng)力與臨界應(yīng)變能釋放率呈現(xiàn)負(fù)關(guān)聯(lián)協(xié)同耦合規(guī)律，并提出了依據(jù)實(shí)際纖維橋接強(qiáng)化復(fù)合界面的斷裂韌性參數(shù)組合坐標(biāo)點(diǎn)和剝離裂紋快速失穩(wěn)擴(kuò)展損傷失效的協(xié)同耦合關(guān)聯(lián)曲線，構(gòu)建預(yù)防短纖維橋接強(qiáng)化界面誘發(fā)剝離裂紋快速失穩(wěn)擴(kuò)展損傷失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的方法。