纤维增强复合材料疲劳性能研究进展

　1　前沿

　　随着科技的进步，很多工业特别是高新技术工业对材料的要求不断提高。复合材料由于比强度和刚度高、质量轻、耐磨性和耐腐蚀性好等优点，广泛应用于船舶、汽车、基础设施和航空航天等领域，以及文体用品、医疗器械、生物工程、建筑材料、化工机械等方面。

　　在复合材料构件的使用过程中，由于应力和环境等因素的影响，会逐渐产生构件的损伤以至破坏，其主要破坏形式之一是疲劳损伤。疲劳损伤的产生、扩展与积累会加速材料的老化，造成材料耐环境性能严重下降以及强度与刚度的急剧损失，大大降低其使用寿命，甚至报废。为了使复合材料的应用更加广泛和深入，本文综述了近年来在纤维增强复合材料疲劳性能方面的研究。

　　2　复合材料疲劳性能及损伤机理

　　在周期性交变载荷作用下材料发生的破坏行为称为疲劳，它记述了材料经受周期应变或应变时的失效过程。复合材料疲劳主要是指复合材料构件在交变荷载作用下的疲劳损伤机理、疲劳特性（强度、刚度随着时间变化规律及其破坏规律）、寿命预测及疲劳设计。

　　复合材料是非均质（在大尺度上）和各向异性的，它以整体的方式积累损伤，且失效并不总是由一个宏观裂纹的扩展导致。损伤积累的微观机构机理，包括纤维断裂基体开裂、脱粘、横向层开裂和分层等，这些机理有时独立发生，有时以互相作用的方式发生，而且材料参数和试验条件可能强烈影响其主要优势。多种损伤及其组合，使疲劳损伤扩展往往缺乏规律性，完全不像大多数金属材料那样能观察到明显的单一主裂纹扩展，复合材料不仅初始缺陷/损伤大，而且在疲劳破坏发生之前，疲劳损伤已有了相当大的扩展。

　　3　影响复合材料疲劳性能的主要因素

　　3.1　基体材料

　　Boller研究了基体材料对玻璃纤维增强复合材料疲劳性能的影响，研究证明，不同的基体材料具有完全不同的疲劳性能。一般情况下，疲劳性能最好的是环氧树脂。

　　很多复合材料的疲劳试验证明，基体和界面是薄弱环节。尽管树脂含量的变化在106次循环下对疲劳性能强度的影响很小，但在玻璃钢中反应活性较低的树脂会导致较高的低应力疲劳寿命，最佳的树脂体积含量为25％~30％。相反，树脂性能的变化对复合材料疲劳强度的影响并不大，提高基体抗裂纹扩展能力或者改善界面粘结性能都可能改善疲劳性能。

　　3.2　纤维材料

　　3.2.1　纤维性能

　　吴金荣等指出，由于纤维是复合材料中传递载荷和承受载荷的主要单元，因此纤维的强度、弹性模量、断裂应变和环境稳定性等是影响碳纤维增强复合材料疲劳特性的决定性因素。

　　3.2.2　混杂复合材料

　　赵谦等在对各种混杂比例的碳/玻璃复合材料进行拉伸试验后，指出影响混杂复合材料疲劳性能的因素很多，如组分材料的力学性能、混杂比例、混杂方式、纤维/基体界面强韧性等。而相同比例条件下，混杂方式对强度和破坏延伸率的影响不大，夹芯结构的强度略高于分散结构。

　　3.2.3　短纤维

　　短纤维可以显著提高复合材料的韧性，由于疲劳性能部分依赖于强度，部分依赖于抵抗裂纹能力，因此短纤维有利于改善复合材料的疲劳性能。Lavengood和Gulbransen测定了短切硼纤维/环氧树脂复合材料的失效循环次数，发现在低于失效应力的任一应力下循环，疲劳寿命随纤维的长径比增大而迅速增大，在长径比大约为200时达到稳定。这意味着存在一个临界长径比，当长径比大于临界长径比后，疲劳强度正比于弯曲强度。