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复合材料因其优异的力学性能在工程结构中应用广泛，而分层是复合材料结构中常见的损伤形式，严重影响结构完整性。为了评估复合材料的损伤容限，需要建立测试标准来确定不同断裂模式下的断裂阻力。目前，评估复合材料层合板的断裂韧性主要依赖于使用单向 (UD) 试样的测试，而这些测试标准主要基于线性弹性断裂力学 (Linear Elastic Fracture Mechanics；LEFM) 和 UD 层合板的使用。然而，多向 (MD) 复合材料层合板在工程结构中更为常见。当层合板的铺设顺序或界面特性对分层行为有显著影响时，使用 UD 测试来确定断裂阻力是否有效需要得到验证。
近日，《Composites Part B》期刊发表了一篇由荷兰代尔夫特理工大学航空航天结构材料系的研究团队完成的有关多向和单向复合层压板II型分层行为比较的研究成果。该研究通过实验和数值分析，比较了多向 (MD) 和单向 (UD) 复合材料层合板在 Mode II 分层行为方面的差异，揭示了堆叠顺序和界面特性对断裂韧性以及内在和外在分层机制的影响，为复合材料结构的设计和损伤容限评估提供了重要参考。论文标题为“Comparison of mode II delamination behaviours in multidirectional and unidirectional composite laminates”。
该研究使用了单向碳/环氧预浸料系统，并设计了 UD 单向板和 MD 层合板，以研究堆叠顺序和界面特性对 Mode II 分层行为的影响。研究人员进行了端加载分离 (ELS) 测试，并使用 3D 数字图像相关 (DIC) 分析和等效应变能密度 (eSED) 方法来量化分层面积。此外，研究还使用了声发射 (AE) 技术来确定分层生长的起始点。
图 1 ELS 测试装置和 DIC 计算的 eSED 场。
图2 使用DIC-eSED方法监测(a) UD(0//0)和(b) MD(0//0)试样的分层生长。(I) 不同分层阶段纵向应变𝜀𝑦𝑦场。(II) 计算得到的eSED场，其中红色点表示识别出的分层前沿。分层前沿以下（深红色区域）的面积是完全分层区域。
研究人员发现，Mode II 分层生长在加载过程的后期开始，并在有限的位移范围内快速生长。0°//0° 界面的传播过程比其他界面更迅速。在 UD 试样中，0°//90° 和 90°//90° 界面的生长曲线几乎重合。对于 90°//90° 界面，初始分层迁移到上层的 0°//90° 界面，并沿着 0° 层传播。分层迁移触发了受影响位置的纤维带桥接，导致分层生长在更高的力和位移下进行。
图3 所有试样配置的实验 R 曲线。
研究人员使用 J 积分方法计算了断裂阻抗，并发现 MD 试样的 R 曲线比 UD 试样具有更高的增加量和更长的分层扩展范围，这表明 MD 试样的主要断裂机制在稳定分层生长阶段缓慢饱和。此外，MD 试样的物理 ERR (使用分层面积增量测量) 比使用 J 积分方法计算的 ERR 更高，这表明纤维桥接和摩擦等外在增韧机制对 MD 试样的断裂韧性有显著影响。
图4 断口观察和纤维桥接观察。
研究人员根据 J 积分 ERR 和物理 ERR 方法之间的比较，将分解为与不同内在损伤机制和外在增韧效应相关的三个部分：
：与分层前沿前的微裂纹相关的 ERR，等于 AE 技术检测到的临界起始点处的 J 积分 ERR。
：受其他损伤机制（如微裂纹的合并、纤维-基体脱粘和纤维断裂）影响的 ERR。
：由纤维桥接和滑动夹具摩擦引起的有效增韧效应。
研究发现，具有 0°//90° 界面的 MD 和 UD 试样表现出更高的 ，这归因于大面积的基体裂纹。相反，具有 0°//0° 界面的 MD 和 UD 试样表现出更高的
，这归因于纤维桥接，从而提高了
。总体而言，具有较大位移的 MD 试样比 UD 试样具有更高的
，这主要受试样刚度以及界面特性对纤维桥接（对于 0°//90° 界面）、摩擦和几何非线性的影响。
图5 观察0//90界面UD和MD试样分层前沿前方的FPZ。
图6 不同分层机制组分的比例。
该研究表明，仅使用 UD(0//0) 试样来确定 CFRP 层合板的 Mode II 断裂韧性是不够的，因为堆叠顺序和界面特性对断裂韧性有显著影响。该研究提出的 DIC-eSED 方法能够更准确地量化分层面积，并揭示了堆叠顺序和界面角度对内在和外在分层机制的影响。研究人员建议，未来需要进行进一步的分析研究，以更精确地确定分层前沿处的 SED 分布，并建立可靠的分层行为表征方法。
原始文献：
Tu, W., Pascoe, J.-A., & Alderliesten, R. (2024). Comparison of mode II delamination behaviours in multidirectional and unidirectional composite laminates. Composites Part B: Engineering, 291, 111941.
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2024.111941
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