玻璃纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的細(xì)觀破壞研究.pdf

1、纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料因其良好的力學(xué)性能在航空航天、造船、汽車、建筑、體育器材及醫(yī)療器械等方面的應(yīng)用日益廣泛。復(fù)合材料多變量、可設(shè)計(jì)的特征成就了其許多優(yōu)良的特殊性能，但其多尺度、多層次的缺陷也導(dǎo)致了其強(qiáng)度預(yù)測(cè)及破壞過(guò)程分析的復(fù)雜性。基于宏觀強(qiáng)度準(zhǔn)則將復(fù)合材料看作單一材料的研究，無(wú)法分析其組分、內(nèi)部缺陷及界面的脫粘和滑移對(duì)復(fù)合材料整體力學(xué)性能的影響，也無(wú)法從機(jī)理上對(duì)復(fù)合材料的破壞過(guò)程進(jìn)行研究，更不能提供充分的材料優(yōu)化設(shè)計(jì)和服役安全性判據(jù)

2、。開展復(fù)合材料細(xì)觀層次及細(xì)觀尺度的缺陷形成機(jī)理分析、服役條件下細(xì)觀缺陷的演化規(guī)律及調(diào)控機(jī)制研究，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行復(fù)合材料強(qiáng)度預(yù)測(cè)，具有非常重要的科學(xué)意義和工程價(jià)值。 單纖維復(fù)合材料模型具備復(fù)合材料的最基本的組成單元：纖維、基體和界面，是實(shí)際復(fù)合材料的最基本模型，被廣泛用于研究復(fù)合材料的細(xì)觀力學(xué)行為，相應(yīng)的理論模型--剪切滯后模型也日益發(fā)展。目前國(guó)內(nèi)外相關(guān)的研究工作主要集中于單纖維復(fù)合材料模型中已斷纖維對(duì)周圍環(huán)境應(yīng)力場(chǎng)的擾動(dòng)，以及

3、在準(zhǔn)靜載情況下纖維、基體及兩者之間界面的性能對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能與破壞過(guò)程的影響，但基于多纖維復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷南嚓P(guān)研究工作開展較少。 在國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）項(xiàng)目的資助下，本文選用玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料為研究體系，以單/多纖維復(fù)合材料模型為研究對(duì)象，采用實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的手段，研究了各組分對(duì)復(fù)合材料破壞過(guò)程的影響，并且考察了應(yīng)變速率對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能及破壞行為的影響，將細(xì)觀缺陷演化與宏觀破壞行為聯(lián)

4、系起來(lái)，總結(jié)了復(fù)合材料破壞模式的重要影響因素。本文作者參與研發(fā)了所用的部分實(shí)驗(yàn)設(shè)備，如纖維定位儀、顯微拉伸機(jī)等，其中纖維定位儀的定位精度高、制樣方便，顯微拉伸機(jī)配有帶偏光系統(tǒng)的顯微攝像頭，不僅能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)復(fù)合材料的細(xì)觀破壞過(guò)程，還能實(shí)時(shí)捕獲并記錄拉伸試樣中的應(yīng)力集中現(xiàn)象。 界面對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)性能及破壞行為起著至關(guān)重要的作用?；诒疚膶?shí)驗(yàn)中所觀測(cè)到的，在不同界面強(qiáng)度的復(fù)合材料中，纖維斷點(diǎn)所引起的裂紋擴(kuò)展模式不同，本文采用顯式動(dòng)力學(xué)

5、有限元模擬軟件ANSYS/LS-DYNA與自主開發(fā)程序相結(jié)合的方法，建立了帶有復(fù)合材料缺陷的細(xì)觀力學(xué)分析模型。以節(jié)點(diǎn)的有效塑性應(yīng)變作為斷裂判據(jù)，數(shù)值模擬了在不同界面強(qiáng)度下復(fù)合材料細(xì)觀裂紋的擴(kuò)展過(guò)程以及已斷纖維對(duì)局部應(yīng)力分布的影響，預(yù)測(cè)了在不同界面強(qiáng)度下復(fù)合材料局部和整體的抗破壞能力，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好。結(jié)果表明，隨著界面強(qiáng)度由低逐漸增高，已斷纖維所引發(fā)的裂紋有五種典型的擴(kuò)展模式；界面強(qiáng)度越高，復(fù)合材料的局部抗裂紋擴(kuò)展能力越強(qiáng)

6、但整體抗破壞能力越低。當(dāng)界面達(dá)到一定強(qiáng)度以后，界面強(qiáng)度對(duì)局部抗裂紋擴(kuò)展能力及整體抗破壞能力不再有影響。 在復(fù)合材料固化過(guò)程中，纖維對(duì)液態(tài)樹脂中某些分子的優(yōu)先吸附將使纖維周圍的界面層形成非化學(xué)計(jì)量比的固化產(chǎn)物。本文實(shí)驗(yàn)研究了基體的力學(xué)性質(zhì)、纖維與環(huán)氧樹脂基體之間的界面性能（界面破壞模式和界面剪切強(qiáng)度）、基體對(duì)纖維的潤(rùn)濕性等物理量與固化劑含量的依賴性關(guān)系。結(jié)果表明，除初始彈性模量以外，基體的其它力學(xué)性質(zhì)，如屈服強(qiáng)度、屈服應(yīng)變及斷裂強(qiáng)

7、度，都對(duì)固化劑含量有依賴性關(guān)系，當(dāng)固化劑與環(huán)氧樹脂配比為化學(xué)計(jì)量比時(shí)，力學(xué)性能指標(biāo)達(dá)到極值。同時(shí)，纖維與基體之間的界面性能以及潤(rùn)濕性也達(dá)到最佳。研究結(jié)果還表明，當(dāng)基體中具有不同的固化劑含量時(shí)，復(fù)合材料的界面剪切強(qiáng)度（IFSS）和粘附功（Wa）基本成線性關(guān)系。 由于基體中的固化劑含量改變，基體的力學(xué)性質(zhì)發(fā)生了改變，而基體的力學(xué)性質(zhì)對(duì)于纖維與基體之間的界面剪切強(qiáng)度有不可忽視的影響。為了更準(zhǔn)確地量化粘附功與界面剪切強(qiáng)度之間的關(guān)系，本文

8、在保持基體中固化劑含量不變的前提下，進(jìn)行了改變纖維的表面性質(zhì)，進(jìn)而改變纖維與基體之間的界面性能的研究工作。即在玻璃纖維表面自組裝疏水膜，使玻璃纖維表面性質(zhì)歸一化，然后控制表面自組裝疏水膜的玻璃纖維在一定濃度的臭氧中的氧化時(shí)間，以控制纖維表面的親水性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在本文的研究體系中，界面剪切強(qiáng)度與粘附功基本成線性關(guān)系，即界面粘結(jié)強(qiáng)度可以從力學(xué)和熱力學(xué)兩個(gè)角度來(lái)評(píng)價(jià)，且評(píng)價(jià)結(jié)果是基本一致的。本文還估算出界面上原子（分子）的平衡距離基本在0

9、．3-0．6nm范圍內(nèi)波動(dòng)，且平衡距離與界面剪切強(qiáng)度和粘附功分別成線性關(guān)系，即界面粘結(jié)強(qiáng)度越高（粘附功或界面剪切強(qiáng)度越大），纖維與基體之間界面上原子（分子）的平衡距離越小。 利用現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件，本文研究了在低應(yīng)變速率水平（2E-5 s-1-2E-2s-1）下拉伸應(yīng)變速率對(duì)單/多纖維復(fù)合材料及純環(huán)氧樹脂基體的力學(xué)性質(zhì)、應(yīng)力松弛及破壞行為的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，純環(huán)氧樹脂基體和纖維復(fù)合材料的初始彈性模量對(duì)應(yīng)變速率的依賴性不顯著，但極限應(yīng)力

10、和斷裂強(qiáng)度隨著應(yīng)變速率的增加而增大；隨著應(yīng)變速率的增加，純環(huán)氧樹脂基體和纖維復(fù)合材料的破壞模式都由韌性破壞向脆性破壞轉(zhuǎn)變，但發(fā)生轉(zhuǎn)變時(shí)的應(yīng)變速率范圍不同；應(yīng)變速率越高，在試樣斷裂后，纖維斷點(diǎn)周圍的殘余切應(yīng)力所引起的雙折射現(xiàn)象越弱、消失越快，本文提出了界面相-鏈?zhǔn)侥Ｐ蛯?duì)這一現(xiàn)象進(jìn)行解釋；對(duì)于多纖維復(fù)合材料，隨著應(yīng)變速率的增加，纖維與纖維之間的相互作用有逐漸減弱的趨勢(shì)。 本文在綜合研究了三種不同纖維與兩種不同基體交叉復(fù)合所得的不同的

11、復(fù)合材料對(duì)應(yīng)變速率的響應(yīng)后，得到應(yīng)變速率對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性質(zhì)影響的一般規(guī)律，如初始彈性模量的率不敏感性，極限應(yīng)力和破壞模式的率敏感性等，還進(jìn)一步總結(jié)出應(yīng)變速率及各組分相對(duì)復(fù)合材料破壞模式綜合影響的規(guī)律。如纖維斷裂釋放能量的大?。ㄅc纖維的斷裂強(qiáng)度、彈性模量和斷裂應(yīng)變有關(guān)）、斷點(diǎn)周圍的基體和界面吸收能量的能力（與界面強(qiáng)度、基體屈服強(qiáng)度、屈服應(yīng)變及彈性模量有關(guān)）、斷點(diǎn)尺寸（與纖維直徑有關(guān)）、纖維斷點(diǎn)產(chǎn)生的時(shí)期（即斷點(diǎn)產(chǎn)生在基體或界面的彈性變形階