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摘要：近日，南京航空航天大學(xué)、河海大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)基于高速?zèng)_擊實(shí)驗(yàn)與高保真數(shù)值模擬，揭示了濕熱老化對(duì)增韌T700/EH301復(fù)合材料抗沖擊性能的影響機(jī)理。針對(duì)三種老化狀態(tài)（Unaged, Aged, Redried）的對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果表明，濕熱老化可顯著提升CFRP的彈道極限（170.2 m/s，11.2%提升），再干燥后仍優(yōu)于干燥狀態(tài)下基準(zhǔn)值（158.5 m/s，3.2%提升）。結(jié)合微觀形貌分析，該團(tuán)隊(duì)提出了一種高保真顯式離散裂紋模型（HFEDCM），從細(xì)觀尺度闡明了濕熱老化對(duì)CFRP彈道性能的增強(qiáng)效應(yīng)，并高精度復(fù)現(xiàn)層合板宏觀損傷模式，基于定量與定性結(jié)果表明"纖維束"斷裂韌性（Translaminar fracture toughness ）的顯著提升是濕熱環(huán)境下復(fù)合材料抗沖擊性能顯著增強(qiáng)的核心驅(qū)動(dòng)力，該成果以“Hygrothermal effects on ballistic behavior of toughened CFRP laminates”為題發(fā)表于力學(xué)領(lǐng)域TOP期刊International Journal of Mechanical Sciences上。

一、引言

航空CFRP結(jié)構(gòu)服役期間長期遭受的濕熱環(huán)境會(huì)使復(fù)合材料內(nèi)部基體吸濕溶脹、增塑、水解而產(chǎn)生裂紋，以及產(chǎn)生由于纖維與樹脂兩者濕、熱性質(zhì)差異導(dǎo)致的纖維/樹脂界面損傷甚至脫粘等微觀組分損傷，造成其性能退化。此外服役期間CFRP結(jié)構(gòu)還受到鳥撞、冰撞、葉片丟失等外物沖擊的威脅，造成結(jié)構(gòu)完整性破壞進(jìn)而影響適航安全。CFRP結(jié)構(gòu)在沖擊載荷下?lián)p傷模式主要包括：層內(nèi)分層破壞（Intralaminar Fracture, IAF）、層間分層破壞（Interlaminar Fracture, IEF）和纖維向斷裂破壞（Translaminar Fracture, TAF），如圖1所示。TAF指的是裂紋沿厚度方向垂直于纖維方向傳播，其在纖維方向失效破壞過程中沿?cái)嗔哑矫鎲挝煌队懊娣e耗散的能量稱為纖維向斷裂韌性，是復(fù)合材料纖維向斷裂行為的宏觀力學(xué)表征。不同于IAF和IEF相對(duì)單一的失效模式，TAF涉及基體損傷、界面脫粘、纖維斷裂和纖維拔出等多重微觀失效模式的協(xié)調(diào)-競爭，單位面積能量耗散（105 J/m2）相較于IAF和IEF（102 J/m2）高3個(gè)數(shù)量級(jí)，是CFRP斷裂破壞的主要能量耗散途徑，也是CFRP結(jié)構(gòu)在抗沖擊等安全性設(shè)計(jì)中亟需重點(diǎn)關(guān)注的指標(biāo)。

圖1 CFRP結(jié)構(gòu)在沖擊載荷下主要損傷模式

二、內(nèi)容簡介

研究對(duì)象為T700/EH301增韌環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料，固化工藝及相應(yīng)的試驗(yàn)件制備如圖2所示。為加速復(fù)合材料濕熱老化進(jìn)程，采用水浴鍋浸潤作為濕熱環(huán)境，水浴溫度為75℃，整個(gè)濕熱老化周期持續(xù)2530個(gè)小時(shí)（此時(shí)試驗(yàn)件達(dá)到飽和吸濕狀態(tài)）。所有試樣被分為三種不同的濕熱老化狀態(tài)來進(jìn)行對(duì)比研究，分別為：Unaged（未老化），Aged（濕熱老化），Redried（老化后再干燥）。

圖2 復(fù)合材料試驗(yàn)件制造工藝流程

針對(duì)不同濕熱狀態(tài)復(fù)合材料試驗(yàn)件在新加坡國立大學(xué)Impact Lab開展了高速?zèng)_擊試驗(yàn)，不同濕熱狀態(tài)下試驗(yàn)件的彈道極限和能量吸收率如圖3所示。從彈道極限和能量吸收率兩個(gè)指標(biāo)綜合分析可發(fā)現(xiàn)濕熱老化后CFRP 靶板的抗沖擊性能得到較大提升，濕熱老化作用對(duì)CFRP靶板抗沖擊能力性能有一定的積極作用。

圖3 不同濕熱狀態(tài)下試驗(yàn)結(jié)果：a)彈道極限； b)能量吸收率

為了從微觀失效機(jī)制方面探討濕熱老化對(duì)復(fù)合材料彈道性能改善的機(jī)制，結(jié)合SEM分析了復(fù)合材料板的微觀損傷形貌（如圖4所示），結(jié)果發(fā)現(xiàn)未老化靶板沖擊區(qū)域纖維斷口比較齊整，而濕熱老化和重復(fù)干燥靶板沖擊區(qū)域纖維斷口長短不一，可能的原因是濕熱老化削弱了纖維/樹脂界面，導(dǎo)致纖維之間應(yīng)力傳遞不連續(xù)，出現(xiàn)一些纖維拔出和脫粘，這些現(xiàn)象反而會(huì)提升CFRP纖維方向的斷裂韌性，如圖5所示。

圖4 不同濕熱條件下CFRP試樣前后表面的典型斷裂照片

正如前文所述，復(fù)合材料在高速?zèng)_擊下的能量耗散主要是纖維向能量斷裂，而纖維向斷裂能量的耗散主要有兩種機(jī)制：纖維/基質(zhì)界面的脫粘（對(duì)應(yīng)脫粘部分做功，Wdeb）和脫粘后纖維拉出（對(duì)應(yīng)于纖維拉出部分做工，Wpo）。

對(duì)于濕熱老化后的復(fù)合材料板，其在高速?zèng)_擊破壞過程中，裂紋脫粘做的功提升：

纖維拔出做的功也提升：

故而，濕熱老化后復(fù)合材料板纖維向斷裂韌性（Translaminar fracture toughness）也得到改善：

因此可以認(rèn)為，濕熱老化后復(fù)合材料的彈道性能的增強(qiáng)與纖維向斷裂韌性（Translaminar fracture toughness）密切相關(guān)。

圖5 未老化與老化的失效機(jī)理比較

采用Abaqus/Explicit軟件建立高保真HFEDCM有限元模型（如圖6所示），試圖解釋考慮濕熱效應(yīng)的T700/EH301碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料抗高速?zèng)_擊性能的關(guān)鍵機(jī)理。之所以建立如此細(xì)觀層面上的有限元模型，主要原因是試驗(yàn)觀察到復(fù)合材料板在高速?zèng)_擊下纖維條帶狀破壞，現(xiàn)有的連續(xù)損傷模型并不能刻畫這種典型的失效模式。

圖6 (a) CFRP沖擊區(qū)的典型損傷形貌；(b) HFEDCM模型示；(c)沖擊損傷模型及相關(guān)單元類型

值得注意的是，纖維向斷裂韌性是CFRP層合板在高速?zèng)_擊中復(fù)制濕熱效應(yīng)的關(guān)鍵輸入?yún)?shù)。然而，目前還沒有標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)驗(yàn)方法來精確測量斷裂韌性。Pinho S.T.等分別通過緊湊拉伸試驗(yàn)和緊湊壓縮試驗(yàn)獲得了T700/931碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層合板中纖維拉伸和壓縮失效相關(guān)的斷裂韌性。然而，嚴(yán)格的制造工藝要求是確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果有效性的必要條件。此外，基體塑化和濕熱應(yīng)力的共同影響會(huì)導(dǎo)致缺口試件預(yù)制裂紋前沿的應(yīng)力強(qiáng)度因子降低，從而可能導(dǎo)致不穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展和無效結(jié)果。考慮到這些因素，通過反向建模類型的方法對(duì)纖維向斷裂韌性GfT進(jìn)行了校準(zhǔn)，通過改變其輸入值以匹配老化和重新干燥情況下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如圖7所示，選擇了特定的測試進(jìn)行校準(zhǔn)（老化情況下的H-14和重新干燥情況下的 R-2）。例如，對(duì)于H-14，使用測試的剩余速度作為目標(biāo)值，并將“纖維束”的斷裂韌性GfT作為數(shù)值模擬的唯一獨(dú)立變量。通過反復(fù)調(diào)整斷裂韌性值，將最終模擬的剩余速度逼近測試值。一旦確定了斷裂韌性值，它就作為后續(xù)模擬的一個(gè)固定參數(shù)保持不變。

圖7 “纖維束”斷裂韌性的標(biāo)定過程：(a)濕熱；(b)重復(fù)干燥

圖8和圖9基于殘余速度和能量吸收率對(duì)HFEDCM模型在高速?zèng)_擊下的預(yù)測能力進(jìn)行了評(píng)估。數(shù)值結(jié)果（不僅包括彈道極限，還包括宏觀損傷形貌）與所有濕熱條件下碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）高速?zèng)_擊試驗(yàn)的結(jié)果高度吻合。

圖8 試驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比：(a)剩余速度；(b)能量吸收率

圖9 試驗(yàn)與仿真宏觀損傷形貌對(duì)比

三、小結(jié)及展望

基于高速?zèng)_擊實(shí)驗(yàn)與高保真數(shù)值模擬，揭示了濕熱老化對(duì)增韌T700/EH301復(fù)合材料抗沖擊性能的影響機(jī)理。針對(duì)三種老化狀態(tài)的對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果表明，濕熱老化可顯著提升CFRP的彈道極限，再干燥后仍優(yōu)于干燥狀態(tài)。結(jié)合微觀形貌分析，提出了一種高保真顯式離散裂紋模型，從細(xì)觀尺度闡明了濕熱老化對(duì)CFRP彈道性能的增強(qiáng)效應(yīng)，并高精度復(fù)現(xiàn)層合板宏觀損傷模式，基于定量與定性結(jié)果表明"纖維束"斷裂韌性的顯著提升是濕熱環(huán)境下復(fù)合材料抗沖擊性能顯著增強(qiáng)的核心驅(qū)動(dòng)力。

后續(xù)進(jìn)展：南京航空航天大學(xué)劉璐璐教授團(tuán)隊(duì)近期針對(duì)該問題進(jìn)一步開展了不同濕熱狀態(tài)下該型號(hào)復(fù)合材料板的緊湊拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果（見圖10）印證了上述推論（即濕熱對(duì)復(fù)合材料的纖維向斷裂韌性Translaminar fracture toughness具有積極的改善作用），相關(guān)成果以“Effects of hygrothermal aging and re-drying on the translaminar fracture toughness of CFRP”為題投稿在Composite Structures。

圖10 不同濕熱工況下復(fù)合材料纖維向斷裂韌性的比較

河海大學(xué)力學(xué)與工程科學(xué)學(xué)院徐凱龍講師為論文的第一作者，南京航空航天大學(xué)劉璐璐教授、同濟(jì)大學(xué)支杰研究員為論文的通訊作者。該研究得到了國家自然科學(xué)基金青年和面上項(xiàng)目、航空科學(xué)基金的資助和支持。

原文鏈接：

Kailong Xu, Lulu LIU*, Jie Zhi*, Wei Chen, T.E. Tay, Hygrothermal Effects on Ballistic Behaviour of Toughened CFRP Laminates, International Journal of Mechanical Sciences, Volume 280, 15 October 2024, 109531. 10.1016/j.ijmecsci.2024.109531

延伸工作鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.polymdegradstab.2022.109940

https://doi.org/10.1016/j.polymertesting.2022.107548

https://doi.org/10.1016/j.mechmat.2021.103887

https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2020.106167

https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2023.108697