复合材料断裂机理

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目前，随着我国航空航天、机械工程等领域发展迅速，对轻质复合材料刚度、强度和断裂韧性要求日益提高。对于碳纤维、SIC等复合材料结构，通过合理设计，可以达到轻质高强的目的。高强钢通过合理设计，也可以达到强度和刚度的匹配，然而不能应用于飞机结构，根本原因在于断裂韧性达不到要求。由于材料的强度与断裂韧性通常是成反比的，而断裂韧性是衡量复合材料损伤容限和抵抗裂纹扩展的一个重要指标，因此复合材料要达到高刚度、高强度和高断裂韧性的完美匹配，必须对其抵抗裂纹扩展的能力做深入研究。

      复合材料区别于普通金属的材料最大的特征在于其由纤维和基体（或进一步引入涂层）组成，力学性能比金属材料复杂得多（如纤维的强度就带有统计特性，通常用WEIBULL分布老模拟，而基体为弹塑性或粘塑性特性，起传递应力的作用），然而，最最复杂的、让工程师或者设计师头疼的在于纤维/基体的界面力学性能，其是影响复合材料上述三大指标的最重要因素。可以说是界面结合特性主导了复合材料的断裂韧性。太弱的结合界面导致强度偏低，可是太强的结合界面导致复合材料容易产生脆性断裂。前面容易理解，可是后面产生的原因是什么呢？通常情况下，由于基体强度较低，复合材料裂纹先在基体中产生，到基体裂纹扩展达到界面时，产生了两种竞争的断裂失效机理，一是若界面结合较强，基体裂纹则直接穿透纤维，导致复合材料脆性断裂，这是我们不愿意看到的，二是若界面结合较弱，基体裂纹则会产生偏折，沿界面扩展，由于裂纹扩展是需要能量的，这就延缓了裂纹扩展导致的结构破坏。此外，即使当基体裂纹穿透纤维后，纤维将施加桥联压缩应力于基体裂纹表面，而对于纤维来说是拔出应力（当拔出应力超过纤维拉伸强度、纤维断裂，增韧机理消失），纤维承受的拉伸应力与界面的剪切应力形成了一个平衡关系（这就是著名的shear-lag理论的思想），这个客观存在的拔出应力使得基体裂纹趋向于沿界面扩展，延缓了基体裂纹继续穿透纤维，阻止脆性破坏，这就是著名的桥联增韧机理，是一个客观存在的物理现象。因此一个合理的弱界面是有利于提高纤维增强复合材料的断裂韧性（这也从一定程度上折射了事物之间生存与交往的哲学）。因此，这就是为什么目前国内外很多学者运用纤维拔出试验来测试复合材料的界面力学性能，研究复合材料的断裂特性。

    目前，在复合材料基体裂纹穿透纤维和沿界面偏折之间的竞争关系，主要是通过能量释放率来研究的，研究相对能量释放率，本质上是一个概率问题，但是主要是基于解析解，数值方面并无太多进展，原因在于能量释放率的计算太繁琐，对有限元网格尺寸的要求太高。本研究在2006年博士论文“SiC纤维增强复合材料界面破坏与失效机理研究”的基础上，进一步运用虚裂纹闭合技术（VCCT），运用ANSYS-APDL语言进行编程，通过大量数值计算，研究了基体裂纹沿界面扩展和穿透纤维之间的竞争关系，探讨了热残余应力、纤维体积分数、界面涂层等因素对复合材料增韧机制的影响规律，基于VCCT的数值结果和J积分计算结果以及试验结果进行比较，获得了一些宝贵的结论，为C/C等复合材料断裂韧性设计提供了技术支撑，同时数值计算结果表明：基于VCCT的计算，即使用相对粗糙的网格也可以获得准确的能量释放率。研究论文于2014年第二期发表于国际杂志Applied Composite Materials（主编：英国剑桥大学Peter W.R. Beaumont教授）。

Liu PF. Finite element analysis of the competition between crack deflection and penetration of fiber-reinforced composites using virtual crack closure technique.  Applied Composite  Materials, 2014:

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浙江大学 刘鹏飞 副教授 2014年2月6日于美国普林斯顿大学
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