纖維強化複合材料

複合材料的疲勞與斷裂是固體力學的一個重要分支，它研究由兩種或多種不同性能的材料在宏觀尺度上組成的固體材料，因此具有非均勻性和各向異性。加上材料幾何（形狀、分佈及含量）、鋪層幾何（單層厚度、鋪層方向和順序等）以及一些特殊的力學問題（層間應力、邊界效應、脱膠等）使複合材料疲勞與斷裂的研究較常規材料更為複雜。

研究工作一般分為3個層次：

①微觀力學研究：通過對分子、晶體和結合鍵的微觀分析，研究基體與纖維的力學特性及其結合問題。

②細觀力學研究：通過分別研究纖維與基體的力學行為來分析單層材料的力學特性及其相互的配合問題。

③宏觀力學研究：根據單層材料的力學行為研究多層材料與結構的力學特性、設計準則與計算方法。 ^[1] 

纖維強化複合材料的失效機制有4種：基體開裂、分層、纖維斷裂和界面脱膠。·這些失效機制的組合產生了疲勞損傷，從而造成強度和剛度的降低，這些損傷的類型和程度取決於材料性能、鋪層排列和順序以及加載方式等。

如《複合材料層壓板疲勞損傷擴展過程示意圖》所示：

損傷過程分為兩個明顯階段：第一階段是均勻開裂，裂紋僅限於單層內。第二階段是裂紋相互作用加劇損傷的局部化。 ^[1] 

單方向強化炭化纖維/環養樹脂複合材料進行靜拉張試驗以及反覆拉張試驗，對試驗中檢出的波形進行分析，得出有關破壞機制的結論如下： ^[2] 

1、加載之後，試件中的纖維/樹脂界面發生剝離的同時，由缺陷或者殘留應力引起的應力集中部位出現局部纖維拉斷；

2、應力集中緩和之後，重大的破壞很少；

3、當載荷接近破壞強度時。試件中纖維開始拉斷，由於界面強度不十分高，裂紋向纖維方向擴展。高温硬化型炭素纖維強化樹脂（CFRP）的情況下，因為樹脂是脆性的，纖維開始發生破壞時便立即破壞。

同樣的炭素纖維/環養樹脂複合材料的單方向強化積層板，預製裂紋狀切口或者圓孔狀切口，然後進行拉張破壞試驗，測定AE。得出的結論如下：

1、帶有切口的單方向積層板的拉張引起的破壞可分為拉張型破壞和剪切型破壞，並可根據AE加以判別；

2、拉張型破壞的破壞面是由樹脂覆蓋，很明顯破壞在樹脂中進行。另一方面。剪切型破壞的破壞面卻以纖維/樹脂界面的剝離與多數的針排為特徵；

3、2種破壞形式的過渡點與AE發生狀況和破壞面樣式的過渡有良好的一致。

20世紀80年代，以Al2O3、B纖維強化Mg與Ti基複合材料迅速發展。該類複合材料疲勞斷裂的微觀機制包括：①在裂紋尖端前方由於纖維斷裂或界面分離形成微裂紋；②主裂紋尖端與纖維和微裂紋的交互作用；③主裂紋與微裂紋的連接；④纖維造成裂紋的彎折。研究表明，高強度和高剛度的纖維，適當弱的基體/纖維界面是抗裂紋擴展最理想的複合材料。

纖維強化複合材料具有單強度高的特徵。用於航空器材等廣泛領域。高分子材料的基質普遍含有拉張強度高的纖維，因而，纖維方向的強度高，而在與纖維垂直的方向幾乎沒有強度。這種一個方向上強化的材料幾乎不單獨使用，通常根據使用目的將纖維方向不同的強化材料堆積成多層的板。

纖維強化複合材料的破壞機理與金屬或高分子材料相比，因反映其構成的複雜性而呈現多種模式：主要的是纖維方向不同的積層板間的剝離、纖維與基質的剝離、纖維的斷裂、基質的破裂等。纖維強化複合材料的獨特特徵是一個部件的中央與端部的破壞形式不一樣，而且，在有裂紋的情況下，裂紋的擴展方向與纖維方向的相對關係以及裂紋尖端是在基質上還是在纖維上的位置關係對實際發生破壞的形式有決定性的影響。這種破壞形式的差異使對材料破壞強度的評價變得很難。