混杂复合材料的弯曲疲劳响应与性能比较

3.5.2.1　增强体的三点弯曲疲劳测试

三点弯曲疲劳测试参考标准GB/T 35465.1—2017《聚合物基复合材料疲劳性能测试方法第1部分：通则》，使用传感器范围为0～100kN的液压伺服疲劳试验机（百诺，PLW-100型）进行疲劳加载实验，试验机以液压为动力，驱动下部座动器实现循环载荷，如图3-20（a）所示为测试中的海水老化试样。测试过程采用载荷控制加载模式，取弯曲疲劳加载波形为正弦波，并设定最小载荷与最大载荷比为0.1。由于树脂基复合材料基体具有黏弹性，阻尼较大，在交变载荷作用下有迟滞损耗，且在疲劳过程中由于组分损伤以及缺陷、裂纹扩展，这些都将消耗热量，从而引起试件局部温度升高。对于海水老化后的复合材料试样，若疲劳加载频率过高，试样内部产生的热不能及时散失，进而导致水分子蒸发，这会影响海水老化后复合材料疲劳实验结果。因此，本文疲劳加载频率设定为3Hz，同时为尽可能得到接近实际的实验结果，如图3-20（b）所示，海水老化后的试样在疲劳加载过程中被缠绕了海水浸泡的湿纸巾。对于应力水平，海水老化试样取未老化时静态弯曲破坏力值的35%、45%和55%。每个应力水平测试三个试样，实验环境温度为33℃，相对湿度为50%。

图3-19　三向正交碳纤维复合材料在准静态三点弯曲加载过程中的损伤形貌

图3-20　海水老化后混杂复合材料三点弯曲疲劳加载测试

（1）应变—循环曲线。图3-21为三向正交混杂复合材料在50%、55%及60%应力水平下的应变—循环曲线。从图3-21可以看出所有应变—循环曲线可以分为三个阶段：（Ⅰ）应变逐渐增加；（Ⅱ）稳定变化；（Ⅲ）应变迅速升高。这三个阶段对应于复合材料疲劳损伤演变的三个主要过程：初始状态、损伤演化和灾难性破坏。随着应力水平的降低，第二阶段的加载次数上升。结果表明，应力水平增加会提前引起三向正交混杂复合材料的损伤。

图3-21　三向正交混杂复合材料在不同应力水平下表面应变—循环次数曲线

（2）三向正交混杂复合材料的弯曲疲劳损伤发展。本文采用间歇加载方式揭示三向正交混杂复合材料的损伤发展过程。55%应力水平间歇加载疲劳实验中，采集了三向正交混杂复合材料的损伤演化显微照片，如图3-22所示。该试样总加载次数为9.3×104次。如表3-8所示，三向正交混杂复合材料在55%应力水平下平均疲劳寿命及离散系数分别为94459次与35.1%。这表明间歇加载不会影响复合材料的疲劳损伤演变。如图3-22（a）和（b）显示，6×103次前复合材料没有明显疲劳损伤。然而，如图3-22（b）所示，材料应变却在逐渐增大。因此，该阶段对应于仅发生塑性变形累积的初始阶段。大约在1.2×104次循环后，如图3-22（c）所示复合材料发生了损伤，该阶段对应于图3-22（b）中的损伤演化阶段。根据损伤的严重程度，从图3-22（c）可以看出，损伤起始于碳纤维经纱层，而不是位于上层表面的玻璃纤维层。可能是因为碳纤维的压缩破坏应变低于玻璃纤维。这表明三向正交混杂复合材料在三点弯曲加载时疲劳破坏机制与准静态破坏机制具有相似性。图3-22（d）还显示，复合材料上层局部区域受到严重损伤。然而，直到加载次数为1.8×104次，材料下层依然无明显破坏现象。因此，三向正交混杂复合材料的三点弯曲疲劳过程主要表现为压缩破坏。图3-22（d）为三向正交混杂复合材料最终的疲劳破坏形貌。根据图3-22（d）与（f），碳纤维和玻璃纤维的损伤以及试样中心纤维断裂是三向正交混杂复合材料主要的破坏形式。

图3-22　三点弯曲疲劳加载中三向正交混杂复合材料在55%应力水平时的损伤演化

（3）混杂复合材料疲劳性能对比。三向正交混杂复合材料与层合混杂复合材料在不同应力水平下的弯曲疲劳实验结果如表3-8所示。

表3-8　三向正交混杂复合材料与层合混杂复合材料在不同应力水平的弯曲疲劳寿命

表3-8表明，在不同应力水平三向正交混杂复合材料的平均疲劳寿命均高于层合混杂复合材料。图3-23为三向正交混杂复合材料与层合混杂复合材料的S—N曲线，采用式3-15进行线性拟合：

σmax=A-BlgN

（3-15）

式中：σmax为施加的最大应力；N为试样破坏后的疲劳寿命；A和B为常数，与材料性能相关。三向正交混杂复合材料与层合混杂复合材料的拟合系数分别为0.92和0.95，因此通过S—N曲线对比分析两种材料的疲劳性能是可靠的。(www.xing528.com)

从图3-23可以看出试样的疲劳寿命随施加最大应力的增大而减小。两种复合材料的S—N曲线显示，三向正交混杂复合材料的lgN值明显高于层合混杂复合材料。这表明与层合混杂复合材料相比三向正交混杂复合材料具有更好的弯曲疲劳性能。原因在于Z向捆绑纱的加入提高了复合材料层间强度，进而提高了材料的疲劳性能。

图3-23　采用线性拟合后三向正交混杂复合材料与层合混杂复合材料的S—N曲线

图3-24与图3-25分别为层合混杂复合材料与三向正交混杂复合材料不同应力水平的疲劳破坏形貌图。图3-24表明应力水平的改变会影响层合混杂复合材料的疲劳破坏模式。当层合混杂复合材料疲劳加载过程处于60%的应力水平时材料损伤仅发生在中间层上方区域。从图3-24（a）可以看到明显的剪切损伤带和局部分层。当应力水平下降到50%时层合混杂复合材料的损伤逐渐扩展到复合材料整个区域。分层是层合混杂复合材料主要的破坏模式。这是因为层合混杂复合材料处于底应力水平时，整个疲劳加载过程中复合材料内部应力较小，纤维与基体在疲劳损伤演变的前两个阶段不会发生严重断裂。施加到试样的机械能会在强度较低的层间逐渐释放，最终疲劳破坏时主要表现分层。处于高应力水平时纤维、基体以及层间在疲劳加载一开始就会被损伤、破坏。图3-25为三向正交混杂复合材料沿径向在不同横截面处的破坏形貌。图3-25（a）～（c）是不包含Z向纱的截面，图3-25（d）～（f）为包含Z向纱的截面。对比两种材料，如图3-25所示，虽然Z向纱的加入使三向正交混杂复合材料表现出与层合混杂复合材料完全不同的疲劳破坏形貌，但随着应力水平的改变，复合材料的疲劳破坏机制有相似性。从图3-25（a）和（d）可以看出，在60%应力水平下三向正交混杂复合材料的疲劳破坏形貌表现为基体以及纤维脆断，无分层现象。这是因为Z向纱的捆绑作用提高了复合材料层间性能。当处于50%应力水平时，如图3-25（c）和（f）所示，大量纤维被抽拔后断裂，这表明复合材料纤维与基体间界面被严重损伤。也就是说当处于高应力水平时，复合材料的疲劳演化趋向于基体与纤维破坏占主导，处于低应力水平时趋向于界面破坏占主导。

图3-24　层合混杂复合材料在不同应力水平的弯曲疲劳破坏形貌

图3-25　三向正交混杂复合材料在不同应力水平的弯曲疲劳破坏形貌

3.5.2.2　海水老化后增强体弯曲疲劳性能分析与对比

图3-26和图3-27分别是老化后层合混杂复合材料和三向正交混杂复合材料在不同应力水平时的弯曲疲劳破坏形貌图。与图3-24和图3-25中层合混杂复合材料和三向正交混杂复合材料非老化试样相同，海水浸泡后复合材料的疲劳破坏模式也受应力水平的影响。从图3-26（a）可以看出，层合混杂复合材料试样在35%应力水平时主要以上层严重的剪切破坏和下层明显的分层为主。处于45%应力水平时，从试样上层到下层的剪切带占主导并伴随着剪切破坏和分层。55%应力水平中上层的剪切带以及轻微分层是主要的破坏现象。图3-27（b）和（c）中三向正交混杂复合材料不包含Z向纱的截面，55%与45%应力水平时，纤维出现抽拔现象且45%应力水平时更严重。图3-27（e）和（f）中包含Z向纱的截面，高、中两个应力水平下出现Z向纱断裂后的严重分层。在35%应力水平时三向正交混杂复合材料则表现出与前两个应力水平完全不同的破坏现象，可能是因为应力水平过低且材料的层间剪切强度较高，疲劳加载无法对纤维以及层间界面造成严重损伤，最终基体的塑性变形不断累积以及剪切力对试样的不断磨损，形成图3-27（a）和（d）中的疲劳破坏形貌。

图3-26　海水老化后层合混杂复合材料在不同应力水平的弯曲疲劳破坏形貌

图3-27　海水老化后三向正交混杂复合材料在不同应力水平的弯曲疲劳破坏形貌

根据表3-9和表3-10中海水老化后层合混杂复合材料和三向正交混杂复合材料在35%、45%以及55%应力水平下的弯曲疲劳寿命，两种混杂复合材料的S—N曲线如图3-28所示。曲线显示，最大应力值相同时，三向正交混杂复合材料的lgN值大于层合混杂复合材料，因此海水浸泡后三向正交混杂复合材料表现出更优异的弯曲疲劳性能。结果表明，海水老化后界面强度的降低是导致复合材料性能下降的主导因素。由于三向正交混杂复合材料中Z向纱的捆绑作用材料的层间界面强度较高，因此海水浸泡后弯曲疲劳性能更好。

表3-9　海水老化后层合混杂复合材料的弯曲疲劳寿命

表3-10　三向正交混杂复合材料海水老化与烘干后在不同应力水平时的疲劳寿命

图3-28　海水老化后三向正交混杂复合材料与层合混杂复合材料的S—N曲线