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纖維增強(qiáng)復(fù)合材料失效知多少?

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掃一掃!纖維增強(qiáng)復(fù)合材料失效知多少?掃一掃!
瀏覽:- 發(fā)布日期:2020-03-27 18:54:02【

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、無機(jī)非金屬材料并列的四大材料體系之一。有預(yù)測認(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復(fù)合材料損傷失效時(shí),常常感到無從下手。

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。

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(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。


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?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

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

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

[2] 習(xí)年生,于志成,陶春虎.纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的損傷特征及失效分析方法[J].航空材料學(xué)報(bào), 2000, 20(2):55-63.


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