【文章推荐】湿热环境对复合材料层间断裂韧性的影响规律及其机理
文摘
科技
2024-08-21 09:21
陕西
作 者：符景皓1、程鹏飞2
单 位：1. 西北工业大学 2. 中国飞机强度研究所
文章亮点：层间断裂韧性是表征复合材料抗层间分层扩展能力的主要指标，湿热环境是飞机复合材料结构面临的主要严酷环境，研究湿热环境下的层间断裂韧性在航空领域具有重要意义。通过不同湿热环境条件下的Ⅰ型和Ⅱ型层间断裂韧性实验，分析其微观结构，获取湿热环境对树脂基复合材料层间断裂韧性的影响规律和湿热环境对层间断裂韧性的影响机制。结果表明：湿热环境会对树脂基复合材料Ⅰ型和Ⅱ型层间断裂韧性产生截然相反的影响，随着温度上升，树脂基复合材料层压板Ⅰ型层间断裂韧性呈上升趋势，而Ⅱ型层间断裂韧性呈下降趋势；Ⅰ型分层时会出现大量纤维桥联现象，湿热环境下树脂发生软化，纤维桥联现象增多，导致Ⅰ型层间断裂韧性随温度升高而增大；湿热环境下随着温度的升高，树脂的剪切强度会逐渐降低，树脂与纤维的界面剪切强度也会逐渐降低，导致Ⅱ型层间断裂韧性随温度升高而降低。
研究背景：优异的比强度、比刚度、抗疲劳特性和可设计性是复合材料的主要优点，因而在航空航天、轨道交通和汽车等领域得到广泛应用，特别是在航空领域，已成为军民用飞机的主要结构材料之一。复合材料的损伤形式主要包括基体开裂、纤维断裂、纤维基体脱胶和层间分层等，其中又以层间分层损伤最为常见，易发生层间分层也是树脂基复合材料的主要缺点之一，是飞机树脂基复合材料研发和结构设计关注的焦点。复合材料的分层可以分解为互相垂直的3种分层模式，分别为Ⅰ 型（张开型）、Ⅱ型（滑移剪切型）、Ⅲ型（撕裂剪切型），其中Ⅰ型、Ⅱ型及其混合型分层是航空复合材料层压板结构最常见的分层形式。
层间断裂韧性是表征复合材料抗层间分层扩展能力的主要指标，是复合材料分层扩展分析的重要输入参数。分析复合材料层间断裂韧性在不同环境条件下的演化规律并揭示其机理，有助于材料研究者开发出环境适应性更强、抗分层能力更高的复合材料。由于湿热环境条件下树脂基复合材料的综合性能会发生显著退化，因而是航空复合材料研发、结构设计与验证最为关注的环境条件。国内，伊翠云等研究了树脂基体或层间树脂改性对复合材料室温层间断裂韧性的影响规律；常舰等研究了不同工艺参数和界面改性对碳纤维增强聚苯硫醚复合材料Ⅰ型层间断裂韧性的影响规律；白桃林等对低温干态、室温干态和高温湿态3种环境下的某型聚酰亚胺复合材料层压板进行拉脱试验，获得两类典型铺层的拉脱强度与破坏模式，并利用有限元仿真预测失效载荷；郭壮壮等建立了低温环境下测试复合材料Ⅰ型层间断裂韧性的简易方法；管国阳等研究了湿热环境对复合材料混合断裂韧性的影响规律。国外，Shin等基于微观力学评价研究了复合材料不同类型老化后的力学和界面性能；Davidson等研究了模式Ⅰ和模式Ⅱ行为之比以及湿热条件对热塑性颗粒层间碳/环氧复合材料分层韧性的影响；Almansour等研究了吸水性对亚麻/玄 武岩增强乙烯基酯杂化复合材料Ⅰ型层间断裂韧性的影响。综上，目前国内外对于湿热环境条件下的复合材料基本力学性能研究较多，且较为深入，但对于湿热环境下的复合材料层间断裂韧性研究相对较零散，系统性不足。
本文通过不同湿热环境条件下的Ⅰ型和Ⅱ型层间断裂韧性实验研究湿热环境对树脂基复合材料Ⅰ型层间断裂韧性和Ⅱ型层间断裂韧性的影响规律，在此基础上采用扫描电镜SEM观测复合材料层压板分层区域的微观形貌，获取湿热环境下分层区域微观形貌与室温干态环境的差异，进而揭示出湿热环境对复合材料层间断裂韧性的影响机制。
结论：
1）湿热环境对树脂基复合材料的Ⅰ型和Ⅱ型层间断裂韧性影响截然相反。随着温度升高，单向层压板的Ⅰ型层间断裂韧性逐渐增加，而Ⅱ型层间断裂韧性则逐渐减少。
2）湿热环境下Ⅰ型层间断裂韧性和Ⅱ型层间断裂韧性之所以呈现出截然相反的演化规律，是由于微观损伤模式与机制不同导致的。
3）Ⅰ型分层时会发生大量纤维桥联现象，Ⅰ型分层扩展的过程就是克服纤维桥联的过程，湿热环境下树脂发生软化，纤维桥联现象增多，导致Ⅰ型分层阻抗增加，从而使Ⅰ型层间断裂韧性随 温度升高而增大。
4）无论哪种环境条件，对于Ⅱ型层间断裂试验件，在其分层区域均未观测到纤维桥联现象，而是观测到由于层间剪切所导致的树脂近似 45°剪切破坏及纤维与树脂面之间界面的破坏。
5）Ⅱ型层间断裂试验过程中，位于分层区域的中面层间树脂会发生滑移剪切破坏，这种破坏既发生在下层间树脂与上下相邻纤维的界面上，也发生在层间树脂上，纤维—层间树脂的界面剪切破坏和层间树脂本身的剪切破坏是Ⅱ型层间断裂韧性试验过程中发生在分层区域的主要破坏模式。对于树脂基复合材料，湿热环境下，随着温度的升高树脂的剪切强度不断降低，树脂与纤维的界面剪切强度也会不断降低，从而导致树脂基复合材料的Ⅱ型层间断裂韧性随温度的升高而不断降低。
扫码阅读全文
![]()
收录情况
中国科技核心期刊
中国科学引文数据库（CSCD）来源期刊
世界期刊影响力指数（WJCI）报告收录期刊
瑞典开放存取期刊目录（DOAJ）收录期刊
日本科学技术振兴机构数据库（JST）来源期刊
联系我们
官网地址：http://hkgcjz.ijournals.cn
电子邮箱：hangkong2010@nwpu.edu.cn
联系电话：（029）88492422
办公地点：西北工业大学友谊校区航空楼
通信地址：陕西省西安市西北工业大学143号信箱，邮编710072
