高溫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

《Materials Today Communications》期刊刊登了南昌航空大學江西省重點實驗室、上海電機學院航空學院、大連交通大學機車車輛工程學院以及位于中國大連的大連理工大學工業裝備結構分析、優化與CAE軟件國家重點實驗室共同開展的最新研究成果——《Effects of elevated temperature on longitudinal tensile failure behavior of unidirectional carbon fiber reinforced aluminum composites》（即“高溫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"）一文。

文章研究了25°C至400°C高溫條件下單向碳纖維增強鋁基復合材料縱向拉伸失效行為。通過單纖維推離測試研究界面行為，并構建考慮熱歷史和纖維強度分散的模型。結果顯示，制造冷卻產生殘余應力和輕微界面損傷，服役加熱緩解殘余應力但損傷積累。服役溫度從25°C升至300°C，復合材料彈性模量和極限應力分別下降10.4%和7.5%，纖維簇狀斷裂，無效長度增加41.4%，應力集中降低，界面和基體損傷加重。實驗部分包括縱向、橫向拉伸測試等，確定各組分力學性能和界面行為。基于實驗結果構建RVE模型，模擬縱向拉伸行為，探討300°C高溫下力學行為和失效機制。研究揭示溫度對復合材料微觀和宏觀響應影響，為溫度環境下材料設計和制備提供參考。

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。

制造過程中冷卻階段的熱應變。

加熱前的熱應變。

復合材料在室溫和高溫下的實驗與模擬縱向拉伸響應。

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；（b） 周圍界面和基體的損傷。

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。