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  2. 一文全面了解復(fù)合材料壓縮疲勞試驗(yàn)壓縮失效模式
    2023-11-22 14:37:22 作者:錢 鑫 來(lái)源:碳纖維及其復(fù)合材料技術(shù) 分享至:

    01、概述


    在拉伸載荷條件下,連續(xù)纖維增強(qiáng)塑料(Continuous fiber reinforced plastics )可以顯示出其主要優(yōu)勢(shì)。由于玻璃纖維和碳纖維能夠提供優(yōu)異的疲勞性能,因此對(duì)于循環(huán)載荷尤其如此。然而,人們普遍認(rèn)為,壓縮載荷是大多數(shù)復(fù)合材料的臨界載荷情況。


    對(duì)于纖維增強(qiáng)塑料,這主要是由于不同長(zhǎng)度尺度上的不穩(wěn)定性,如從最小尺度的單纖維微屈曲到纖維束的不穩(wěn)定性(即纖維扭結(jié)),再到孔層壓板的整體屈曲。準(zhǔn)靜態(tài)測(cè)試很難辨別這些現(xiàn)象發(fā)生的順序,通常情況下,失效機(jī)制仍不清楚,在抗壓疲勞試驗(yàn)中更是如此。


    關(guān)于如何進(jìn)行疲勞試驗(yàn),可以在文獻(xiàn)中找到不同的方法。對(duì)可靠設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的強(qiáng)制性要求是在隨后制造的部件中發(fā)現(xiàn)的條件下進(jìn)行測(cè)試。因此,它通常需要防止整體屈曲,同時(shí)允許發(fā)生所有其他損傷機(jī)制。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),可以確定軸向加載板或條狀試樣的兩種主要測(cè)試策略:一種常見(jiàn)的策略是將標(biāo)距長(zhǎng)度縮短到壓縮失效后發(fā)生整體屈曲的值,第二種方法使用防屈曲導(dǎo)向器來(lái)防止整體屈曲。


    這些測(cè)試策略是靜態(tài)壓縮測(cè)試的既定方法,有時(shí)也用于疲勞測(cè)試。然而,這兩種方法中的夾具數(shù)量都很多,只有一些夾具可以進(jìn)行疲勞測(cè)試。這些普遍接受的壓縮試驗(yàn)方法由不同的試樣幾何形狀或加載條件補(bǔ)充。下圖中概述幾張常見(jiàn)的壓縮測(cè)試的概念裝置。

    本文的主要目的是評(píng)估這些測(cè)試方法在壓縮疲勞測(cè)試方面的適用性,即包含壓縮載荷的載荷比(載荷比R < 0和R > 1)。評(píng)估基于報(bào)告的測(cè)試裝置的使用,或通過(guò)討論準(zhǔn)靜態(tài)測(cè)試裝置的優(yōu)缺點(diǎn)。這種方法是必要的,因?yàn)殛P(guān)于壓縮疲勞試驗(yàn)的報(bào)道數(shù)量很少。


    02、失效模式


    2.1 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的壓縮破壞模式


    纖維增強(qiáng)塑料的性能主要取決于所選增強(qiáng)材料的類型以及層壓板內(nèi)各層的堆疊順序。對(duì)于壓縮載荷,與拉伸載荷相比,基體材料對(duì)于促進(jìn)良好的纖維性能具有更大的重要性。由于纖維材料的高強(qiáng)度只能通過(guò)小直徑來(lái)實(shí)現(xiàn),因此纖維的彎曲剛度通常較低,因此,由于不穩(wěn)定性導(dǎo)致的早期變形,纖維也具有承受壓縮載荷的能力。


    在疲勞載荷的情況下,基體材料必須防止或延遲纖維在較高負(fù)荷或循環(huán)次數(shù)增加時(shí)的離軸運(yùn)動(dòng)。這種類型的壓縮破壞被稱為微屈曲。研究人員對(duì)描述這種類型損傷的可用模型進(jìn)行了廣泛的綜述。在細(xì)觀尺度上,單層本身也表現(xiàn)出較小的彎曲剛度。更高的壓縮載荷只能通過(guò)基體材料和纖維-基體界面的結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)。這種規(guī)模的損傷被認(rèn)為是由于分層和縱向分裂而發(fā)生的。


    另一種細(xì)觀尺度的失效模式是扭結(jié)帶。扭結(jié)帶的形成涉及一束纖維,這些纖維相對(duì)于未受損狀態(tài)發(fā)生位移。然而,目前還不清楚扭結(jié)帶是其他損傷機(jī)制的結(jié)果,還是由于制造造成的纖維錯(cuò)位,而產(chǎn)生的自身?yè)p傷。


    2.2 疲勞時(shí)壓縮損傷


    與靜態(tài)壓縮試驗(yàn)下觀察到的失效模式相反,在循環(huán)壓縮載荷下觀察到損傷模式的報(bào)道并不多,盡管如此,還是可以得出一些一般性的結(jié)論。對(duì)于具有明顯邊緣效應(yīng)的疊層,經(jīng)常報(bào)道稱在板狀試樣的自由邊緣形成局部分層。在循環(huán)加載過(guò)程中,這些分層逐漸增大,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剛度損失,最終試樣發(fā)生穩(wěn)定性破壞。

    對(duì)不同碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂疊層在壓縮載荷下的實(shí)驗(yàn)研究表明,對(duì)于沿載荷方向含有纖維的疊層,不存在剛度退化。對(duì)于具有[90]或[±45]增強(qiáng)的層壓板,情況并非如此,這些層合板存在剛度退化,這歸因于纖維-基體界面的退化。就疲勞比而言,多向?qū)訅喊宓腟–N曲線[(±45)/0/90]比單向?qū)雍习宓男甭蕼p小。這種差異可以通過(guò)離軸層的穩(wěn)定效應(yīng)來(lái)解釋。

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