尺寸效應(yīng)和濕熱老化對厚CFRP復合材料II型層間斷裂韌性的影響

       碳纖維增強聚合物(CFRP)復合材料因其優(yōu)異的力學性能和耐腐蝕性能，在航空航天、汽車制造等工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。然而，CFRP的層狀特性通常導致其層間性能弱，易發(fā)生II型失效，這成為制約CFRP可靠性的關(guān)鍵瓶頸。此外，在實際應(yīng)用中，復合材料結(jié)構(gòu)往往需要承受濕熱環(huán)境與復雜載荷條件的耦合作用，而傳統(tǒng)研究多聚焦于標準厚度試樣在上述復雜工況下的斷裂性能，對厚度較大的CFRP在濕熱老化下的尺寸效應(yīng)缺乏系統(tǒng)研究。這一研究空白使得工程設(shè)計中難以準確預(yù)測厚CFRP在惡劣環(huán)境下的服役性能，亟需從斷裂力學角度揭示其失效機制。近日，浙江大學的學者以厚CFRP復合材料為研究對象，通過實驗測試與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，系統(tǒng)探究了試樣厚度和濕熱老化對II型層間斷裂韌性GIIc的影響規(guī)律，闡明了斷裂過程區(qū)(FPZ)擴展與尺寸效應(yīng)的關(guān)聯(lián)，并揭示了濕熱老化中基體塑化與界面弱化的競爭機制。

圖1 端部缺口彎曲(ENF)試樣的示意圖

       本研究采用不同厚度（從3.6 mm至9.6 mm）的端部缺口彎曲(ENF)試樣開展II型斷裂試驗（圖2），結(jié)合柔度標定法(CC)和基于柔度的梁方法(CBBM)計算GIIc，并分析R曲線的特征。此外，開展80 ℃水浴工況下的濕熱老化試驗，采用兩階段濕度吸收模型研究厚CFRP復合材料試樣的擴散機制。數(shù)值模擬部分基于ABAQUS建立三維內(nèi)聚力模型，分析FPZ與應(yīng)力場分布。最后通過SEM觀察斷裂形貌，關(guān)聯(lián)宏觀性能與微觀失效機制。

圖2 不同厚度ENF試樣的試驗結(jié)果

      結(jié)果表明：試樣厚度的增加顯著提高了GIIc值，這主要歸因于斷裂過程區(qū)(FPZ)面積的擴大。這種尺寸效應(yīng)可以通過有限元模擬得到很好的解釋，厚試樣在裂紋穩(wěn)定擴展階段形成了更大的FPZ，從而吸收了更多的能量，延緩了裂紋擴展。在濕熱老化方面，研究發(fā)現(xiàn)了更為復雜的機理。通過兩階段濕度吸收模型分析，發(fā)現(xiàn)薄試樣的吸濕速率明顯快于厚試樣，最終吸濕量也更高。DMA測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，濕熱老化導致玻璃化轉(zhuǎn)變溫度降低了~ 40 ℃，這表明水分子滲透破壞了材料內(nèi)部的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，產(chǎn)生了明顯的塑化效應(yīng)。故濕熱老化對斷裂行為產(chǎn)生了雙重影響：一方面，基體塑化提高了材料的韌性，這使得斷裂過程的能量耗散提升；另一方面，界面弱化導致的層間脫粘削弱了載荷傳遞的能力，這使得斷裂過程的能量耗散區(qū)的面積減小。具體表現(xiàn)為無預(yù)裂紋(NPC)試樣測得的GIIc值相較于濕熱老化前顯著下降；而由于基體塑化的增韌作用（提升能量耗散）與界面損傷的弱化作用（提升能量耗散）達到平衡，有預(yù)裂紋(PC)試樣測得的GIIc值基本保持不變。

圖3 濕熱老化后(a) 不同厚度ENF試樣等效裂紋長度與位移的關(guān)系；(b) GIIc值的R曲線

       綜上所述，本研究探討了厚CFRP復合材料II型層間斷裂行為的尺寸效應(yīng)機制與濕熱老化行為，為復合材料優(yōu)化設(shè)計提供了理論依據(jù)，為預(yù)測其在濕熱環(huán)境中的服役性能提供了實用指導。值得一提的是，本論文關(guān)于濕熱老化導致界面弱化的機制論證并不夠充分，盡管宏觀性能下降和微觀脫粘現(xiàn)象暗示了界面弱化，但未從化學鍵破壞、水分子作用路徑、熱/濕單獨效應(yīng)等角度深入論證該機制，后續(xù)可考慮圍繞該機制開展進一步研究。另一方面，本論文的研究范疇僅限于達到吸濕平衡狀態(tài)，未探究過飽和吸濕后的長期性能演化規(guī)律，這對預(yù)測材料長效服役可靠性至關(guān)重要，還可考慮借助時間-溫度-濕度疊加原理等加速預(yù)測方法預(yù)測其長期斷裂性能。

相關(guān)研究論文以 “Size Effects and Hygrothermal Aging on Mode II Interlaminar Fracture Toughness of Thick CFRP Composites" 為題發(fā)表在《Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures》。