尺寸效應和濕熱老化對厚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，這成為制約CFRP可靠性的關鍵瓶頸。此外，在實際應用中，復合材料結構往往需要承受濕熱環境與復雜載荷條件的耦合作用，而傳統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缺乏系統研究。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，通過實驗測試與數值模擬相結合的方法，系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)擴展與尺寸效應的關聯，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。數值模擬部分基于ABAQUS建立三維內聚力模型，分析FPZ與應力場分布。最后通過SEM觀察斷裂形貌，關聯宏觀性能與微觀失效機制。

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，這主要歸因于斷裂過程區(FPZ)面積的擴大。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，研究發現了更為復雜的機理。通過兩階段濕度吸收模型分析，發現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部的交聯網絡，產生了明顯的塑化效應。故濕熱老化對斷裂行為產生了雙重影響：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的面積減小。具體表現為無預裂紋(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機制與濕熱老化行為，為復合材料優化設計提供了理論依據，為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/濕單獨效應等角度深入論證該機制，后續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，未探究過飽和吸濕后的長期性能演化規律，這對預測材料長效服役可靠性至關重要，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。

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