尺寸效應和濕熱老化對厚CFRP複合材料II型層間斷裂韌性的影響

       碳纖維增強聚合物(CFRP)複合材料因其優(you) 異的力學性能和耐腐蝕性能，在航空航天、汽車製造等工程領域得到廣泛應用。然而，CFRP的層狀特性通常導致其層間性能弱，易發生II型失效，這成為(wei) 製約CFRP可靠性的關(guan) 鍵瓶頸。此外，在實際應用中，複合材料結構往往需要承受濕熱環境與(yu) 複雜載荷條件的耦合作用，而傳(chuan) 統研究多聚焦於(yu) 標準厚度試樣在上述複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缺乏係統研究。這一研究空白使得工程設計中難以準確預測厚CFRP在惡劣環境下的服役性能，亟需從(cong) 斷裂力學角度揭示其失效機製。近日，浙江大學的學者以厚CFRP複合材料為(wei) 研究對象，通過實驗測試與(yu) 數值模擬相結合的方法，係統探究了試樣厚度和濕熱老化對II型層間斷裂韌性GIIc的影響規律，闡明了斷裂過程區(FPZ)擴展與(yu) 尺寸效應的關(guan) 聯，並揭示了濕熱老化中基體(ti) 塑化與(yu) 界麵弱化的競爭(zheng) 機製。

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(cong) 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），結合柔度標定法(CC)和基於(yu) 柔度的梁方法(CBBM)計算GIIc，並分析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(liang) 階段濕度吸收模型研究厚CFRP複合材料試樣的擴散機製。數值模擬部分基於(yu) ABAQUS建立三維內(nei) 聚力模型，分析FPZ與(yu) 應力場分布。最後通過SEM觀察斷裂形貌，關(guan) 聯宏觀性能與(yu) 微觀失效機製。

圖2 不同厚度ENF試樣的試驗結果

      結果表明：試樣厚度的增加顯著提高了GIIc值，這主要歸因於(yu) 斷裂過程區(FPZ)麵積的擴大。這種尺寸效應可以通過有限元模擬得到很好的解釋，厚試樣在裂紋穩定擴展階段形成了更大的FPZ，從(cong) 而吸收了更多的能量，延緩了裂紋擴展。在濕熱老化方麵，研究發現了更為(wei) 複雜的機理。通過兩(liang) 階段濕度吸收模型分析，發現薄試樣的吸濕速率明顯快於(yu) 厚試樣，最終吸濕量也更高。DMA測試結果發現，濕熱老化導致玻璃化轉變溫度降低了~ 40 ℃，這表明水分子滲透破壞了材料內(nei) 部的交聯網絡，產(chan) 生了明顯的塑化效應。故濕熱老化對斷裂行為(wei) 產(chan) 生了雙重影響：一方麵，基體(ti) 塑化提高了材料的韌性，這使得斷裂過程的能量耗散提升；另一方麵，界麵弱化導致的層間脫粘削弱了載荷傳(chuan) 遞的能力，這使得斷裂過程的能量耗散區的麵積減小。具體(ti) 表現為(wei) 無預裂紋(NPC)試樣測得的GIIc值相較於(yu) 濕熱老化前顯著下降；而由於(yu) 基體(ti) 塑化的增韌作用（提升能量耗散）與(yu) 界麵損傷(shang) 的弱化作用（提升能量耗散）達到平衡，有預裂紋(PC)試樣測得的GIIc值基本保持不變。

圖3 濕熱老化後(a) 不同厚度ENF試樣等效裂紋長度與(yu) 位移的關(guan) 係；(b) GIIc值的R曲線

       綜上所述，本研究探討了厚CFRP複合材料II型層間斷裂行為(wei) 的尺寸效應機製與(yu) 濕熱老化行為(wei) ，為(wei) 複合材料優(you) 化設計提供了理論依據，為(wei) 預測其在濕熱環境中的服役性能提供了實用指導。值得一提的是，本論文關(guan) 於(yu) 濕熱老化導致界麵弱化的機製論證並不夠充分，盡管宏觀性能下降和微觀脫粘現象暗示了界麵弱化，但未從(cong) 化學鍵破壞、水分子作用路徑、熱/濕單獨效應等角度深入論證該機製，後續可考慮圍繞該機製開展進一步研究。另一方麵，本論文的研究範疇僅(jin) 限於(yu) 達到吸濕平衡狀態，未探究過飽和吸濕後的長期性能演化規律，這對預測材料長效服役可靠性至關(guan) 重要，還可考慮借助時間-溫度-濕度疊加原理等加速預測方法預測其長期斷裂性能。

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