纤维增强复合材料疲劳性能研究进展

纤维增强复合材料疲劳性能研究进展

宋磊磊李嘉禄

（天津工业大学复合材料研究所天津市和教育部共建先进纺织复合材料重点实验室天津

300160）

摘要：随着科技的发展，纤维增强复合材料作为一种新型材料越来越多的应用于众多领域。然而，纤维增强复合材料的疲劳性能对应用具有重要影响。本文根据近年来国内有关复合材料疲劳性能的研究和探索，综述了纤维增强复合材料疲劳性能的定义、机理以及影响因素，并提出了当前存在的一些问题。

关键词：纤维增强复合材料疲劳

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。

3.3 铺层方式

胡静等研究了拉-拉疲劳载荷作用下三种不同铺层的层合板复合材料的疲劳性能。研究指出，0°铺层比例大的正交异性板，破坏时刚度临界值分散性较大，其疲劳寿命分散性也较大。随着应力水平的降低，各种铺层复合材料的分散性变化不尽相同，准各向同性板的疲劳寿命分散性一般不变或稍有增大；而各向异性板疲劳寿命分散随应力水平的降低而有所降低。

随铺层方向外，铺层顺序也影响疲劳寿命。Foye和Baker观察到当[±15/±45]s层合板中铺层顺序改变时，疲劳强度约产生175MPa的差异。Pagano和Pipes通过层间应力分析指出，改变铺层顺序使层合板自由边的层间拉伸应力变为压缩，避免了边缘分层，提高了疲劳寿命。

3.4 纤维含量

材料中纤维的体积含量不仅对其静态力学性能影响很大，对弯曲疲劳性能同样起到决定性作用。在一定范围内，增强纤维组分的体积百分数越高，疲劳寿命也高，疲劳极限增大，裂纹扩展速率下降。一般认为体积百分数在60％~70％左右较好。

3.5 温度

张亚军在自然冷却和风扇冷却条件下进行了两组纤维增强复合材料的拉一拉疲劳性能试验。结果表明，自然冷却时，由于加载频率过高而引起试验材料工作部分过热，使其疲劳寿命明显比采用风扇冷却时测试出的值偏低。

3.6 载荷形式

刘宇艳等利用自行建立的疲劳试验系统，以单向聚酯帘线增强橡胶复合材料为对象，研究了循环载荷作用下影响橡胶复合材料疲劳性能的因素。研究指出，应力幅值和加载频率对橡胶复合材料疲劳性能影响较大，平均应力影响较小。

4 结语

复合材料疲劳性能对复合材料的广泛应用影响深远，但由于不同材料不同结构的复合材料疲劳形式都不尽相同，因此，很难使其疲劳性能系统化。尽管近几十年以来，对于多种材料和结构的复合材料疲劳性能的探索取得了较大突破，但是仍需要发展和完善。目前研究复合材料疲劳性能还是有很多问题，需要给以足够的重视，其中有以下几点。

（1）复合材料宏微观损伤结合分析。（2）低频、高载下的弹塑性行为研究。（3）混杂纤维疲劳问题研究。（4）特殊疲劳研究。复合材料结构件的工作状况很过是受环境影响的，这包括高温度，高湿度，介质等等。（5）组建复合材料疲劳性能数据库。（6）建立复合材料疲劳性能多参数模型。