高溫對單向碳纖維增強鋁基複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複合材料縱向拉伸失效行為(wei) 的影響。通過實驗和數值方法，探討了25°C至400°C溫度範圍內(nei) 該自備UD-CF/Al複合材料的縱向拉伸力學行為(wei) 和失效機製。

首先，進行了單纖維推離測試以研究界麵行為(wei) ，並構建了一個(ge) 考慮熱曆史（包括製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(ti) 積單元模型。結果表明，製造過程中冷卻導致顯著的殘餘(yu) 應力和輕微的界麵損傷(shang) ，而服役過程中加熱大大緩解了殘餘(yu) 應力，但由於(yu) 材料退化不可逆，損傷(shang) 進一步積累。當服役溫度從(cong) 25°C升高到300°C時，複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。由於(yu) 加熱過程中額外的損傷(shang) 積累，界麵損傷(shang) 更加嚴(yan) 重，由於(yu) 基體(ti) 軟化和界麵損傷(shang) ，基體(ti) 損傷(shang) 更加局部化。這些結果表明，界麵退化在高溫引起的複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(ti) 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，確定了複合材料及各組分在不同溫度下的力學性能和界麵行為(wei) 。

最後，基於(yu) 實驗結果，構建了考慮纖維強度分散和溫度相關(guan) 本構行為(wei) 的RVE模型，模擬了縱向拉伸行為(wei) 。結合模擬和實驗結果，綜合探討了複合材料在300°C高溫下的力學行為(wei) 和漸進失效機製。

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

引言

高溫對單向碳纖維增強鋁基複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複合材料在高溫條件下的力學行為(wei) 和失效機製。

通過實驗和數值模擬研究了25°C至400°C溫度範圍內(nei) 單向碳纖維/鋁（UD-CF/Al）複合材料的界麵行為(wei) 。

實驗方法

樣品製備與(yu) 測試

使用真空輔助壓力滲透法製備高模量碳纖維M40J增強鑄鋁-10Mg鋁合金的UD-CF/Al複合材料，纖維體(ti) 積分數為(wei) 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(ti) 的溫度依賴性力學行為(wei)

通過準靜態單軸拉伸試驗確定鋁基體(ti) 在25°C至400°C範圍內(nei) 的力學性能。

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

界麵行為(wei)

單纖維推離測試分析

在25°C至400°C範圍內(nei) 進行單纖維推離測試，結果表明界麵強度隨溫度升高非線性下降約56%。

界麵行為(wei) 由粘聚區模型的雙線性牽引分離定律描述，結合Benzeggagh-Kenane斷裂準則確定界麵損傷(shang) 起始點。

不同溫度下的界麵行為(wei) (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(yu) 討論

製造過程中的殘餘(yu) 應力與(yu) 損傷(shang)

冷卻過程中，由於(yu) 纖維和基體(ti) 熱膨脹係數差異顯著，產(chan) 生複雜的殘餘(yu) 熱應力和輕微的界麵損傷(shang) 。

殘餘(yu) 應力在加熱過程中大幅緩解，但材料退化不可逆，損傷(shang) 繼續累積。

製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(ti) 和界麵的損傷(shang) 程度隨溫度升高而增加，更多界麵接近失效。

溫度升至300°C時，基體(ti) 中的熱殘餘(yu) 應力幾乎釋放。

加熱前的熱應變。

複合材料在高溫下的縱向拉伸行為(wei)

在300°C下，複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(yan) 重，無效長度增加41.4%。

周圍纖維的應力集中顯著降低，基體(ti) 損傷(shang) 更加局部化。

複合材料在室溫和高溫下的實驗與(yu) 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

第一根纖維斷裂後，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(cong) 29μm增加到41μm，主要是由於(yu) 基體(ti) 和界麵軟化引起的損傷(shang) 加劇。

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

高溫下的漸進失效行為(wei)

斷裂纖維簇的發展以及周圍組分材料的損傷(shang) 積累和擴展，導致更大的局部失效區域。

矩陣軟化和界麵損傷(shang) 阻礙了應力傳(chuan) 播，使基體(ti) 損傷(shang) 更加局部化。

300°C時斷裂纖維簇的發展及周圍組分的損傷(shang) 情況。

結論

鋁基體(ti) 和界麵的力學性能隨溫度升高而顯著下降，界麵性能退化對複合材料的力學性能退化起重要作用。