復合材料疲勞損傷行為的多尺度原位實驗表征

核心概念

1. 碳纖維復合材料：由高強度、高模量的碳纖維和起粘結、傳遞載荷作用的樹脂基體組成。各向異性，性能取決于纖維方向。

2. 拉伸疲勞：材料在循環拉伸載荷作用下，即使載荷遠低于其靜態強度，也會發生破壞的現象。這是復合材料在航空、風電等領域的主要失效形式之一。

3. 原位測試：在材料承受載荷（如拉伸、疲勞）的同時，利用各種觀測手段（如顯微鏡、CT、超聲、熱像儀等）實時、動態地監測其內部結構、性能和損傷的變化過程。

4. 損傷演化：指在疲勞載荷過程中，材料內部損傷從萌生、擴展、到最后貫通導致破壞的整個動態過程。

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碳纖維復合材料在拉伸疲勞中的典型損傷演化序列

在循環拉伸載荷下，復合材料的損傷演化通常遵循一個典型的、由細觀到宏觀的過程：

1. 基體微裂紋：

萌生：通常在應力集中點（如纖維排列不均、樹脂富集區、缺陷處）最先出現。這些裂紋主要出現在90°鋪層（垂直于載荷方向）或偏軸鋪層中。

演化：隨著循環次數的增加，微裂紋密度迅速增加，直至達到“特征裂紋密度"，即裂紋之間彼此飽和，不再產生新裂紋，而是原有裂紋擴展。

2. 界面脫粘：

基體裂紋擴展到纖維/基體界面時，會導致界面結合失效，即脫粘。這會削弱纖維和基體之間的應力傳遞能力。

3. 分層：

相鄰鋪層間的裂紋（特別是角度不同的鋪層之間）在界面處連接起來，導致層與層之間分離。分層是層合結構的一種致命損傷，會顯著降低結構的剛度和壓縮強度。

4. 纖維斷裂：

隨著損傷的累積，載荷逐漸向承載的0°鋪層纖維集中。個別纖維會因其自身的缺陷或應力集中而斷裂。

纖維斷裂是一個隨機和累積的過程。斷纖維的應力會轉移到鄰近的纖維上，可能導致連鎖反應（“連鎖斷裂"）。

5. 最終破壞：

當承載的0°鋪層中纖維斷裂累積到一定程度，剩余的有效截面無法承受外載荷時，發生突然的、災難性的斷裂。

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原位測試技術如何監測損傷演化

原位測試的魅力在于它能將力學響應（載荷、應變、剛度退化）與可視化的損傷形貌直接關聯起來。以下是幾種主流的技術：

研究意義與工程應用

1. 驗證和建立本構模型：原位觀測獲得的真實損傷演化數據是建立和校準疲勞損傷模型、壽命預測模型的基礎，使模型從“假設"走向“真實"。

2. 理解失效機理：直接揭示哪種損傷主導了最終的失效過程，以及不同損傷模式之間的相互作用（例如，分層如何促進纖維斷裂）。

3. 指導材料設計與優化：通過觀察損傷最早從哪里開始，可以反饋優化纖維排布、鋪層順序、界面性能等，從源頭上設計出更耐疲勞的材料。

4. 評估工藝質量：可以直觀地比較不同制造工藝（如手工鋪貼、自動鋪絲）制成的復合材料其損傷演化行為的差異，從而評價工藝優劣。

5. 制定檢測與維護標準：為在役復合材料的無損檢測（如用超聲檢測分層）提供依據。

總結

碳纖維復合材料拉伸疲勞原位測試下的損傷演化研究，是將宏觀力學性能退化與微觀/細觀損傷機制直接關聯起來的“金鑰匙"。它不再是黑箱測試，而是讓我們能夠親眼目睹材料內部從健康狀態到最終失效的完整“生命歷程"。

隨著像原位CT這樣的技術越來越普及和高效，我們對復合材料疲勞行為的理解正在不斷深化，這將極大地推動復合材料在關鍵安全領域（如航空航天）更可靠、更廣泛的應用。