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碳纤维/环氧树脂复合材料在结构部件中的应用十分广泛。为了探究加载速率对碳纤维/环氧树脂界面剪切行为的影响，该研究设计了静力学和动力学剪切实验，并通过数值模拟，验证了新型剪切测试方法在准静态和动态加载条件下，测试界面剪切行为的准确性。实验结果表明，随着加载速率的增加，剪切破坏应力也随之增加。碳纤维/环氧树脂界面的失效模式也发生了变化，从纤维-基体脱粘转变为几乎完全的基体脆性断裂和纤维-基体脱粘。该研究提出的剪切测试方法有望用于测试两种材料或相之间的界面剪切行为。失效模式的转变，是加载速率对碳纤维/环氧树脂界面剪切行为影响的结果。流年似水，莫负光阴！
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碳纤维/环氧树脂复合材料因其优异的力学性能，广泛应用于航空航天、汽车、建筑等领域。界面粘结强度直接影响着复合材料在应力传递过程中的性能，因此，界面剪切行为的表征对于预测复合材料在实际应用中的性能至关重要。目前，纤维束拔出技术是评估复合材料界面粘结强度的主要方法之一。然而，该技术存在一些局限性，例如难以控制基体滴胶尺寸和形状，接触角和表面张力对界面失效的影响，以及纤维和基体之间摩擦行为的复杂性。此外，加载速率对复合材料界面行为的影响也日益受到关注，尤其是在复合材料在高应变率加载条件下的应用中。近日，《Composites Science and Technology》期刊发表了一篇由南方科技大学材料科学与工程学院、香港科技大学机械与航空航天工程系、西北工业大学航空学院、宁波理工学院先进制造中心、惠州大学电子功能材料与器件重点实验室、约翰斯·霍普金斯大学霍普金斯极限材料研究所的研究团队完成的有关加载速率对碳纤维/环氧树脂界面剪切行为的影响的研究成果。该文章研究了加载速率对碳纤维/环氧树脂界面剪切性能的影响，并通过实验和数值模拟验证了新的剪切测试方法的有效性，揭示了加载速率对界面失效模式和剪切强度的影响，为碳纤维增强复合材料的设计和应用提供了重要参考。论文标题为“Loading rate effect on the shear behavior of the carbon fiber/epoxy interface”。为了更精确地测量界面剪切行为，该研究改进了传统的准静态和动态测试方法。利用 ASTM E5379 夹具进行准静态剪切测试，并设计了一种新型的分离霍普金森杆装置进行动态剪切测试，这种新型装置可以更有效地隔离界面剪切行为，避免基体和纤维的影响。
图1（a） 剪切试验样品的示意图和（b）照片，以及（c–d）界面区域的显微光学图像。图2（a） ASTM标准夹具剪切试验的照片。（b） 剪切试验过程中样品中剪切力和弯矩的分布。（c） V形切口梁样品准静态剪切试验前后示意图。研究通过改变加载速率，分析了 CF/EP 界面剪切强度的变化，并观察了界面失效模式的变化。研究发现，随着加载速率的增加，CF/EP 界面的剪切强度也随之增加，且界面失效模式也发生了变化。为了深入理解加载速率对界面失效机制的影响，该研究利用光学显微镜和高速摄像机分析了不同加载速率下试样断口的宏观和微观形貌。结果发现，在准静态加载条件下，界面失效模式主要为纤维-基体脱粘；而在动态加载条件下，界面失效模式则从纤维-基体脱粘转变为基体脆性断裂和纤维-基体脱粘。
为了验证实验结果的准确性，该研究利用 Abaqus/Explicit 软件建立了有限元模型，模拟了试样在准静态和动态加载条件下的剪切行为，模拟结果与实验结果吻合良好，验证了新型剪切测试方法的准确性。图4（a） 准静态剪切试验的有限元几何模型。（b） 网格生成后的有限元模型。（c） 用于准静态剪切试验的试样结构示意图。（d） 在13.65秒界面脱粘之前，模拟CF/EP界面周围的Mises应力分布。（e）剪切应力（绝对值）-粘结层两侧元件的时间曲线。（f） 不同时间样品中的剪切应力分布。（g） 13.65秒时样品的剪切应力、剪切应变、轴向应力、轴向应变和米塞斯应力。（i） 剪切应力（绝对值）——沿粘性层两条路径的距离曲线。图5（a） 动态剪切试验的有限元几何模型。（b） 网格生成后的有限元模型。（c） 用于动态剪切试验的样品结构示意图。（d） 为入射和透射杆获得的模拟波形。（e） 剪切应力——界面两端基质元素的时间曲线。（f） 不同时间样品中的剪切应力分布。（g） 260μs时样品上的剪切应力、剪切应变、轴向应力、轴向应变和Mises应力。（h） 两个粘结层的剪应力分布。（i） 剪切应力——沿粘性层两条路径的距离曲线。该研究表明，加载速率对 CF/EP 界面的剪切行为有显著影响。随着加载速率的增加，CF/EP 界面的剪切强度也随之增加，这主要归因于环氧树脂的粘弹性特性和应力波在界面处的反射作用。图6（a） 样品的准静态剪切应力-时间曲线。（b） 样品的准静态剪切应力-位移曲线。（c） 用钢筋块加固的准静态标准剪切试验样品。（d） 具有完全界面失效的样品的断裂形态。（e–h）其他样品的断裂形态。同时，加载速率还会改变界面失效模式：在准静态加载条件下，界面失效模式主要为纤维-基体脱粘；而在动态加载条件下，界面失效模式则从纤维-基体脱粘转变为基体脆性断裂和纤维-基体脱粘。 图7 准静态测试（a-c）、3.0 m/s（d-f）和13.0 m/s（g-i）后的微观断裂面。此外，研究还发现 CF/EP 界面的剪切强度对加载速率具有敏感性，且随着加载速率的增加，敏感性逐渐增强。这些发现对于理解和预测碳纤维增强环氧树脂复合材料在不同加载条件下的性能具有重要意义。图8 不同加载速率下CF/EP界面断裂机理示意图：（a）准静态测试，（b）3.0 m/s加载，（c）13.0 m/s加载。该研究深入探究了加载速率对碳纤维/环氧树脂界面剪切行为的影响，为复合材料的设计和应用提供了重要的理论依据。该研究结果对于理解复合材料在高应变率加载条件下的性能具有重要意义，并为提高复合材料的界面粘结强度和力学性能提供了新的思路。Yan, K., Cao, X., Xie, X., Mei, H., Tang, J., Sun, X., & Ren, F. (2024). Loading rate effect on the shear behavior of the carbon fiber/epoxy interface. Composites Science and Technology, 257, 110785.https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2024.110785☟ 文献求助可添加QQ群：640676531，540731372扫码体验“复合材料力学”AI助手
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