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纖維增強復合材料疲勞性能研究進展

宋磊磊李嘉祿
（天津工業大學復合材料研究所天津市和教育部共建先進紡織復合材料重點實驗室天津 300160）

　　摘要：隨著科技的發展，纖維增強復合材料作為一種新型材料越來越多的應用于眾多領域。然而，纖維增強復合材料的疲勞性能對應用具有重要影響。本文根據近年來國內有關復合材料疲勞性能的研究和探索，綜述了纖維增強復合材料疲勞性能的定義、機理以及影響因素，并提出了當前存在的一些問題。
　　關鍵詞：纖維增強　復合材料　疲勞

　　1　前沿

　　隨著科技的進步，很多工業特別是高新技術工業對材料的要求不斷提高。復合材料由于比強度和剛度高、質量輕、耐磨性和耐腐蝕性好等優點，廣泛應用于船舶、汽車、基礎設施和航空航天等領域，以及文體用品、醫療器械、生物工程、建筑材料、化工機械等方面。

　　在復合材料構件的使用過程中，由于應力和環境等因素的影響，會逐漸產生構件的損傷以至破壞，其主要破壞形式之一是疲勞損傷。疲勞損傷的產生、擴展與積累會加速材料的老化，造成材料耐環境性能嚴重下降以及強度與剛度的急劇損失，大大降低其使用壽命，甚至報廢。為了使復合材料的應用更加廣泛和深入，本文綜述了近年來在纖維增強復合材料疲勞性能方面的研究。

　　2　復合材料疲勞性能及損傷機理

　　在周期性交變載荷作用下材料發生的破壞行為稱為疲勞，它記述了材料經受周期應變或應變時的失效過程。復合材料疲勞主要是指復合材料構件在交變荷載作用下的疲勞損傷機理、疲勞特性（強度、剛度隨著時間變化規律及其破壞規律）、壽命預測及疲勞設計。

　　復合材料是非均質（在大尺度上）和各向異性的，它以整體的方式積累損傷，且失效并不總是由一個宏觀裂紋的擴展導致。損傷積累的微觀機構機理，包括纖維斷裂基體開裂、脫粘、橫向層開裂和分層等，這些機理有時獨立發生，有時以互相作用的方式發生，而且材料參數和試驗條件可能強烈影響其主要優勢。多種損傷及其組合，使疲勞損傷擴展往往缺乏規律性，完全不像大多數金屬材料那樣能觀察到明顯的單一主裂紋擴展，復合材料不僅初始缺陷/損傷大，而且在疲勞破壞發生之前，疲勞損傷已有了相當大的擴展。

　　3　影響復合材料疲勞性能的主要因素

　　3.1　基體材料

　　Boller研究了基體材料對玻璃纖維增強復合材料疲勞性能的影響，研究證明，不同的基體材料具有完全不同的疲勞性能。一般情況下，疲勞性能好的是環氧樹脂。

　　很多復合材料的疲勞試驗證明，基體和界面是薄弱環節。盡管樹脂含量的變化在106次循環下對疲勞性能強度的影響很小，但在玻璃鋼中反應活性較低的樹脂會導致較高的低應力疲勞壽命，佳的樹脂體積含量為25％~30％。相反，樹脂性能的變化對復合材料疲勞強度的影響并不大，提高基體抗裂紋擴展能力或者改善界面粘結性能都可能改善疲勞性能。

　　3.2　纖維材料

　　3.2.1　纖維性能

　　吳金榮等指出，由于纖維是復合材料中傳遞載荷和承受載荷的主要單元，因此纖維的強度、彈性模量、斷裂應變和環境穩定性等是影響碳纖維增強復合材料疲勞特性的決定性因素。

　　3.2.2　混雜復合材料

　　趙謙等在對各種混雜比例的碳/玻璃復合材料進行拉伸試驗后，指出影響混雜復合材料疲勞性能的因素很多，如組分材料的力學性能、混雜比例、混雜方式、纖維/基體界面強韌性等。而相同比例條件下，混雜方式對強度和破壞延伸率的影響不大，夾芯結構的強度略高于分散結構。

　　3.2.3　短纖維

　　短纖維可以顯著提高復合材料的韌性，由于疲勞性能部分依賴于強度，部分依賴于抵抗裂紋能力，因此短纖維有利于改善復合材料的疲勞性能。Lavengood和Gulbransen測定了短切硼纖維/環氧樹脂復合材料的失效循環次數，發現在低于失效應力的任一應力下循環，疲勞壽命隨纖維的長徑比增大而迅速增大，在長徑比大約為200時達到穩定。這意味著存在一個臨界長徑比，當長徑比大于臨界長徑比后，疲勞強度正比于彎曲強度。

　　3.3　鋪層方式

　　胡靜等研究了拉-拉疲勞載荷作用下三種不同鋪層的層合板復合材料的疲勞性能。研究指出，0°鋪層比例大的正交異性板，破壞時剛度臨界值分散性較大，其疲勞壽命分散性也較大。隨著應力水平的降低，各種鋪層復合材料的分散性變化不盡相同，準各向同性板的疲勞壽命分散性一般不變或稍有增大；而各向異性板疲勞壽命分散隨應力水平的降低而有所降低。

　　隨鋪層方向外，鋪層順序也影響疲勞壽命。Foye和Baker觀察到當[±15/±45]s層合板中鋪層順序改變時，疲勞強度約產生175MPa的差異。Pagano和Pipes通過層間應力分析指出，改變鋪層順序使層合板自由邊的層間拉伸應力變為壓縮，避免了邊緣分層，提高了疲勞壽命。

　　3.4　纖維含量

　　材料中纖維的體積含量不僅對其靜態力學性能影響很大，對彎曲疲勞性能同樣起到決定性作用。在一定范圍內，增強纖維組分的體積百分數越高，疲勞壽命也高，疲勞極限增大，裂紋擴展速率下降。一般認為體積百分數在60％~70％左右較好。

　　3.5　溫度

　　張亞軍在自然冷卻和風扇冷卻條件下進行了兩組纖維增強復合材料的拉一拉疲勞性能試驗。結果表明，自然冷卻時，由于加載頻率過高而引起試驗材料工作部分過熱，使其疲勞壽命明顯比采用風扇冷卻時測試出的值偏低。

　　3.6　載荷形式

　　劉宇艷等利用自行建立的疲勞試驗系統，以單向聚酯簾線增強橡膠復合材料為對象，研究了循環載荷作用下影響橡膠復合材料疲勞性能的因素。研究指出，應力幅值和加載頻率對橡膠復合材料疲勞性能影響較大，平均應力影響較小。

　　4　結語

　　復合材料疲勞性能對復合材料的廣泛應用影響深遠，但由于不同材料不同結構的復合材料疲勞形式都不盡相同，因此，很難使其疲勞性能系統化。盡管近幾十年以來，對于多種材料和結構的復合材料疲勞性能的探索取得了較大突破，但是仍需要發展和完善。目前研究復合材料疲勞性能還是有很多問題，需要給以足夠的重視，其中有以下幾點。

　　（1）復合材料宏微觀損傷結合分析。（2）低頻、高載下的彈塑性行為研究。（3）混雜纖維疲勞問題研究。（4）特殊疲勞研究。復合材料結構件的工作狀況很過是受環境影響的，這包括高溫度，高濕度，介質等等。（5）組建復合材料疲勞性能數據庫。（6）建立復合材料疲勞性能多參數模型。

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