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(tuán)，湖北 宜昌 443100)

0 引言

聚合物基復(fù)合材料具有較高的比強(qiáng)度、比剛度，耐腐蝕，可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，在航空航天領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，成為飛機(jī)、導(dǎo)彈、火箭、人造衛(wèi)星、艦船、兵工武器等結(jié)構(gòu)上不可或缺的戰(zhàn)略材料。隨著聚合物基復(fù)合材料的大量應(yīng)用，復(fù)合材料構(gòu)件的失效也逐漸增多，且可能造成災(zāi)難性事故［1-3］。如:2001年美國飛往多米尼加的A300-605R 客機(jī)，由于聚合物基復(fù)合材料水平垂尾失效導(dǎo)致機(jī)上251 人、地面5 人遇難［4-5］;我國研制并應(yīng)用的復(fù)合材料調(diào)節(jié)板壁板，在使用中發(fā)生斷裂［6］;不同機(jī)型的雷達(dá)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(fù)合材料復(fù)雜性與多樣性，對(duì)聚合物基復(fù)合材料制件的設(shè)計(jì)、失效行為與斷裂行為認(rèn)識(shí)不足，是構(gòu)件失效的主要原因。

近些年，國內(nèi)外在復(fù)合材料失效行為與斷裂機(jī)理方面進(jìn)行了大量的工作，如美國形成一套復(fù)合材料失效分析手冊(cè)，詳細(xì)介紹了復(fù)合材料的失效分析技術(shù)與方法，失效分析的結(jié)果將對(duì)復(fù)合材料制件的設(shè)計(jì)、制造提供很好的技術(shù)反饋。一些研究人員將復(fù)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(nèi)斷裂3 類［9-11］，并分析了各類斷裂的擴(kuò)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(guān)系，認(rèn)為斷裂模式與層板的基體、纖維及試驗(yàn)溫度有關(guān)。由于復(fù)合材料斷裂的復(fù)雜性，研究人員很難將斷口微觀特征與應(yīng)力狀態(tài)相聯(lián)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(yàn)研究多種碳纖維與玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層壓板的斷裂特征與斷裂過程，分析復(fù)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(yàn)材料與方法

試驗(yàn)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(qiáng)復(fù)合材料單向板由北京航空材料研究院制備。按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3354—1999 加工拉伸試樣，采用INSTRON5882試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度分別為-55、23、70 ℃，試驗(yàn)過程中觀察試件的失效過程，試驗(yàn)后對(duì)試樣斷口特征進(jìn)行觀察，分析其失效特征。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 拉伸載荷-位移曲線

碳纖維增強(qiáng)復(fù)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(gè)小彎折。試驗(yàn)中首次聽到響聲時(shí)，拉伸-載荷位移曲線上出現(xiàn)第1 個(gè)小彎折，試樣出現(xiàn)首束纖維斷裂。后面的每一個(gè)彎折都對(duì)應(yīng)1 束或多束纖維斷裂。

碳纖維增強(qiáng)復(fù)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(qiáng)復(fù)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(qiáng)復(fù)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(gè)小彎折。

2.2 失效特征

碳纖維增強(qiáng)復(fù)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(yàn)溫度較低時(shí)，主要為脆性斷裂，隨著試驗(yàn)溫度升高，斷口高差變大，劈裂增加?；w材料相同，增強(qiáng)材料不同，相同的試驗(yàn)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(qiáng)材料相同，基體材料不同，相同的試驗(yàn)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(qiáng)復(fù)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(qiáng)復(fù)合材料單向板23 ℃主要為散絲劈裂斷裂特征(圖3)，低溫時(shí)劈裂較少。

2.3 失效模式與失效過程

文獻(xiàn)［12］報(bào)道，Tsai 等認(rèn)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(nèi)出現(xiàn)少量的纖維斷裂。每個(gè)纖維的斷裂，都將引起載荷的轉(zhuǎn)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(dāng)某個(gè)靜截面承載能力減少到低于施加的應(yīng)力時(shí)，發(fā)生最終失效。盡管失效會(huì)出現(xiàn)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(jié)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(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(圖4a)。相反，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(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(yàn)溫度等對(duì)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(xiàn)［12］中Tsai 的結(jié)果不同，試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)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(jié)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(kuò)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(kuò)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(shí)存在，但每種失效模式所占的比例會(huì)有所不同，因此會(huì)形成多種斷口形態(tài)。

圖3 玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)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(duì)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(duì)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(chǎn)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(xiàn)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(shí)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(chǎn)生多個(gè)小彎折，直到最后砰的一聲，多束纖維同時(shí)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(fù)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(jié)合碳纖維單向板的23 ℃力學(xué)性能發(fā)現(xiàn)，除CCF300/3238A 拉伸強(qiáng)度偏高，其他層壓板的拉伸強(qiáng)度相差不大，可見單向板拉伸強(qiáng)度與斷裂特征、失效模式之間關(guān)系不大。而U3160/3234、U3160/3238A、CCF300/3238A 的界面結(jié)合強(qiáng)度(用層間剪切強(qiáng)度進(jìn)行表征)較低，界面失效較多，U3160/5224、CCF300/5224 的界面強(qiáng)度較高，界面失效較少，可見，界面的結(jié)合強(qiáng)度是影響斷裂特征、失效模式的主要因素。界面強(qiáng)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(qiáng)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(dāng)界面、纖維、基體強(qiáng)度相匹配時(shí)，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(gè)裂紋源。

單向板低溫時(shí)以纖維基體斷裂為主，而高溫時(shí)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(jié)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(qiáng)度不同所致，如相同增強(qiáng)纖維不同基體材料的U3160/5224 與U3160/3234 層壓板，U3160/5224的界面強(qiáng)度較高，為不規(guī)則斷裂，界面失效較少，U3160/3234 界面強(qiáng)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(qiáng)單向復(fù)合材料層合板的拉伸強(qiáng)度和剪切強(qiáng)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(yàn)過程中試樣兩端夾持部位粘貼的加強(qiáng)片對(duì)斷裂特征與失效模式的影響較大。在拉伸試驗(yàn)過程中，經(jīng)常發(fā)生加強(qiáng)片脫粘或輕微的滑移(圖8)，或斷裂位于加強(qiáng)片邊緣或內(nèi)部等現(xiàn)象，這些情況下單向板均為非正常斷裂。若試驗(yàn)人員不關(guān)注這些特征，將單向板的非正常斷裂認(rèn)定為最終失效模式，將影響最終性能測(cè)定結(jié)果。

圖8 試驗(yàn)用加強(qiáng)片失效Fig.8 Failure of the reinforcing piece

3 結(jié)論

1)復(fù)合材料單向板0°拉伸存在多種斷口形態(tài)，但可歸結(jié)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(qiáng)度與斷裂特征、失效模式關(guān)系不大，界面的結(jié)合強(qiáng)度是影響失效模式的主要因素。

3)試驗(yàn)溫度、纖維、基體等對(duì)其斷裂特征與失效模式的影響也是界面結(jié)合強(qiáng)度變化的結(jié)果。

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