层间短纤维的桥联和增韧分析

      根据短纤维在层间杂乱分布和接近裂纹表面的特点，考虑基体剥落和纤维拉出耦合，本文建立了一个层间短纤维桥联模型，分析短纤维的层间增韧机理和主要影响因素。计算结果表明，纤维增强树脂层板在层间加入少量的Kevlar短纤维时，裂纹张开位移导致短纤维从基体中剥离和拉出，在纤维相互干扰下，拉出过程中产生大的能量耗散，从而明显地提高层间断裂韧性。纤维界面性质对△Glc。有重要影响，纤维杂乱分布引起的相互干扰及纤维初始弯曲，使层间断裂韧性显著增加。比较表明，AGIC的理论预测与实验结果相符合。

       纤维增强树脂复合材料层板由于优异的力学性能、良好的工艺性和较低成本，在航空、航天、汽车等工程结构中得到日益广泛的应用。层板在表面冲击作用下和在高应力集中区域内容易诱发层间开裂，所以自20世纪80年代初以来，对于分层进行了大量研究，同时亦有许多研究，旨在改善层合板壳的抗分层能力，提高层间断裂韧性。比较常见的层间强韧化方法有缝合、韧性夹层 (interleaf)等。缝合可以使层间的G，c提高数十倍，是一种有效的途径，但缝合改变了普通层板的成形工艺，导致面内性能下降；韧性夹层也可以明显提高层间断裂韧性，但结构的重量／强度比增大。因此，如何更好地提高层间断裂韧性仍然有待进一步研究。

       断裂韧性依赖于裂纹扩展中的能量耗散，提高基体的韧性，是改善层间断裂韧性的一种直接的方法，但受到基体材料性能的限制；在脆性材料中通过加入第二相材料，形成某种细观结构，增加能量耗散，是重要的增韧途径之一。Sohn和Hu的实验发现，在传统的层板铺层过程中，将少量的短纤维加入单层之间，从而使层间形成一种具有杂乱分布短纤维的细观结构，在分层扩展时，短纤维桥联可以产生明显的增韧效果。实验采用5—7 mm长的芳纶纤维，在铺设时将之加入碳纤维／环氧树脂层板的层间，可使Glc提高1倍以上。由于增韧效果明显，而且与传统工艺基本相同，具有成本低的优点，因此该方法是一种有广泛应用前景的层间增韧途径。

        层间短纤维方向是杂乱的，而且几乎与单层平行，其桥联和能耗机制是特殊的，现有的分析方法，无论是垂直或倾斜于裂纹面的纤维桥联模型，均不适用。本文对近裂纹面浅埋入或半埋入基体的纤维，基于纤维拉出与基体剥落相耦合，建立了一个新的桥联模型，给出单根纤维桥联力与张开位移的关系，分析了能量耗散的机理与特点，考虑纤维桥联概率、界面性质、纤维间的干扰及初始弯曲等，给出层间断裂韧性增量的理论预测，与实验结果进行了比较，并讨论了影响层间增韧的一些主要因素。

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