高溫對單向碳纖維增強鋁基復合材料縱向拉伸失效行為影響

文章研究了高溫條件對單向碳纖維增強鋁基復合材料縱向拉伸失效行為的影響。通過實驗和數值方法，探討了25°C至400°C溫度范圍內該自備UD-CF/Al復合材料的縱向拉伸力學行為和失效機制。

首先，進行了單纖維推離測試以研究界面行為，并構建了一個考慮熱歷史（包括制造過程中的冷卻和服役過程中的加熱）以及纖維強度分散的代表性體積單元模型。結果表明，制造過程中冷卻導致顯著的殘余應力和輕微的界面損傷，而服役過程中加熱大大緩解了殘余應力，但由于材料退化不可逆，損傷進一步積累。當服役溫度從25°C升高到300°C時，復合材料的彈性模量和極限應力分別下降了10.4%和7.5%。纖維主要以簇狀斷裂模式破裂，斷裂纖維的無效長度增加了41.4%，周圍纖維中的應力集中顯著降低。由于加熱過程中額外的損傷積累，界面損傷更加嚴重，由于基體軟化和界面損傷，基體損傷更加局部化。這些結果表明，界面退化在高溫引起的復合材料性能退化中起著重要作用。

其次，實驗部分包括縱向和橫向拉伸測試、鋁合金基體的單軸拉伸測試、單纖維推離測試和熱膨脹測試。通過這些實驗，確定了復合材料及各組分在不同溫度下的力學性能和界面行為。

最后，基于實驗結果，構建了考慮纖維強度分散和溫度相關本構行為的RVE模型，模擬了縱向拉伸行為。結合模擬和實驗結果，綜合探討了復合材料在300°C高溫下的力學行為和漸進失效機制。

本文揭示了溫度對UD-CF/Al復合材料縱向拉伸微觀和宏觀響應的影響，為溫度環境下此類材料的設計和制備提供了幫助。

引言

高溫對單向碳纖維增強鋁基復合材料縱向拉伸性能的影響研究

探討連續碳纖維增強鋁基復合材料在高溫條件下的力學行為和失效機制。

通過實驗和數值模擬研究了25°C至400°C溫度范圍內單向碳纖維/鋁（UD-CF/Al）復合材料的界面行為。

實驗方法

樣品制備與測試

使用真空輔助壓力滲透法制備高模量碳纖維M40J增強鑄鋁-10Mg鋁合金的UD-CF/Al復合材料，纖維體積分數為57.5%。

在不同溫度下進行縱向和橫向拉伸測試、單纖維推離測試及熱膨脹測試。

不同溫度下單纖維推出測試。(a) 說明圖 (b) 實驗照片

材料特性

鋁合金基體的溫度依賴性力學行為

通過準靜態單軸拉伸試驗確定鋁基體在25°C至400°C范圍內的力學性能。

溫度升高導致鋁基體的剛度和強度分別下降約66%，采用Johnson-Cook模型描述塑性行為。

界面行為

單纖維推離測試分析

在25°C至400°C范圍內進行單纖維推離測試，結果表明界面強度隨溫度升高非線性下降約56%。

界面行為由粘聚區模型的雙線性牽引分離定律描述，結合Benzeggagh-Kenane斷裂準則確定界面損傷起始點。

不同溫度下的界面行為 (a) 25°C時的完整載荷-位移曲線 (b) 不同溫度下的載荷-位移曲線 (c) Pmax的變化。

微觀力學模型

RVE模型構建

構建包含30根隨機排列直纖維的三維微觀力學RVE模型，考慮纖維強度分散效應。

使用Weibull分布公式模擬纖維強度分散特性。

結果與討論

制造過程中的殘余應力與損傷

冷卻過程中，由于纖維和基體熱膨脹系數差異顯著，產生復雜的殘余熱應力和輕微的界面損傷。

殘余應力在加熱過程中大幅緩解，但材料退化不可逆，損傷繼續累積。

制造過程中冷卻階段的熱應變。

高溫服役前加熱過程的影響

加熱過程中，基體和界面的損傷程度隨溫度升高而增加，更多界面接近失效。

溫度升至300°C時，基體中的熱殘余應力幾乎釋放。

加熱前的熱應變。

復合材料在高溫下的縱向拉伸行為

在300°C下，復合材料的彈性模量和極限應力分別比室溫下降10.4%和7.5%。

纖維主要以簇狀斷裂模式斷裂，300°C下纖維拔出更嚴重，無效長度增加41.4%。

周圍纖維的應力集中顯著降低，基體損傷更加局部化。

復合材料在室溫和高溫下的實驗與模擬縱向拉伸響應。

進一步深入分析

高溫下纖維斷裂的機理

第一根纖維斷裂后，周圍纖維的應力重新分布顯著影響縱向拉伸失效過程。

在300°C下，斷裂纖維的無效長度從29μm增加到41μm，主要是由于基體和界面軟化引起的損傷加劇。

首根纖維斷裂后300°C和25°C時的應力和損傷。（a） 斷裂纖維的歸一化應力

高溫下的漸進失效行為

斷裂纖維簇的發展以及周圍組分材料的損傷積累和擴展，導致更大的局部失效區域。

矩陣軟化和界面損傷阻礙了應力傳播，使基體損傷更加局部化。

300°C時斷裂纖維簇的發展及周圍組分的損傷情況。

結論

鋁基體和界面的力學性能隨溫度升高而顯著下降，界面性能退化對復合材料的力學性能退化起重要作用。