Page 20 - 机械工程材料2024年第十一期

龚 芹，等：高温下碳纤维复合材料动态力学性能及相关失效准则的研究进展

装置对改进的Z字形碳纤维复合材料层压板试样进 平纹织物复合材料的动态抗压强度无明显的应变速
行动态剪切试验，发现应变速率对层间破坏面无显 率效应。
著影响，不同应变速率下试样的破坏形式均为Ⅱ型 碳纤维复合材料是各向异性材料，在受载的过
剪切破坏，但其损伤累积包括剪切尖端的形成和塑 程中内部材料的比例差异可能会导致不同的力学响
性流动，这一过程表现出较小的应变速率依赖性。 应。刘明爽等 ［31］ 研究了不同致密程度和应变速率下
WENG等 ［26］ 认为SHPB装置对试样的结构形状要 的二维碳/碳化硅复合材料的动态压缩性能，发现
求较高，控制应变速率的难度更大，因此基于准静 该材料的动态应力-应变曲线具有明显的非线性，抗
态剪切试验装置，采用伺服液压与控制技术研究了 压强度随着应变速率和致密程度的提高而增加。LI
高应变速率对碳纤维复合材料剪切性能的影响，结 等 ［32］ 研究了中等致密的三维针刺碳/碳化硅复合材
果显示，剪切强度和模量随着应变速率的增大而增 −4 3 −1
料在10 ~6×10 s 应变速率下的单轴压缩行为，
大，且面内剪切特性的应变速率敏感性大于层间剪
发现：在所有应变速率下均观察到碳化硅基体断裂
切特性。碳纤维复合材料的剪切性能虽然也表现
引起的假塑性行为，中等致密材料的抗压强度高于
出应变速率效应，但与拉伸和压缩性能相比应变速
文献［31］ 中的低致密化二维碳/碳化硅复合材料，
率的影响较小，主要表现为面内剪切的应变速率依
低于高致密化材料；随着应变速率增加，中等致密材
赖性。
料的抗压强度增加，但总体应变速率效应较低；由于
碳纤维复合材料的应变速率依赖性也与纤维
厚度方向针刺入了碳纤维，材料强度增加的同时仍
和基体的组成、应变速率范围以及纤维分布等密
保持着较高的韧性。
切相关 ［27］ 。YAO等 ［28］ 比较了碳纤维、玄武岩纤维
从现象上看，大多数碳纤维复合材料的强度随
和3种堆叠顺序的混合纤维增强复合材料层合板在
着应变速率增加而增加，并伴随着破坏模式的变化。
不同应变速率下的拉伸性能，发现：当应变速率从
碳纤维复合材料作为多相材料，在损伤或破坏时可
0.001 7 s −1 增加到0.1 s −1 时，5种材料的强度均显
以观察到内部材料的失效。表2列出了不同碳纤维
著提升，应力增长率均大于4%，尤其是玄武岩纤维
复合材料在不同应变速率下的失效模式。在低应变
复合材料增加了25.9%；当应变速率从0.1 s −1 增加
到150 s −1 时，碳纤维增强以及按1层玄武岩纤维层 表2 不同加载方式和应变速率下碳纤维
和1层碳纤维层堆叠的混合纤维增强复合材料的应 复合材料的失效模式
力增长率小于4%，表现出较弱的应变速率敏感性， Table 2 Failure modes of carbon fiber composites under
其余3种材料应力增长率均大于4%，表现出明显的 different loading methods and strain rates
应变速率敏感性。KIM等 ［29］ 研究了铝/碳纤维增 复合材料 加载方式 应变速率/s −1 失效模式
−4 分裂成碎片
2×10
强聚合物混杂复合材料在中等应变速率下的拉伸行 单向碳/聚酰胺 纵向拉伸
树脂 [35] 800 剪切断裂
为，发现材料的抗拉强度和破坏应变随着应变速率
−4 劈裂破坏
2×10
的增加而增加，且增加程度因碳纤维复合材料层堆 交叉碳/聚酰胺 纵向拉伸
树脂 [35] 800 垂直于加载轴断裂
［30］
叠顺序的不同而不同。RIES等 研究发现：纤维
取向对碳纤维/环氧树脂复合材料在高应变速率下 单向碳/双马来 面内剪切 10 −3 剪切破坏
酰亚胺树脂 [26,28] 2 500 纤维拔出和分层
的抗压强度和应变能力都具有显著影响。沿着加载
−3 纤维束拔出
10
方向，纤维分布呈30°，45°，60°的材料的峰值应力随 碳/碳化硅 [36] 面外压缩
着应变速率增加明显增加，尤其是45°材料；随着微 1 000 纤维束剪切断裂
裂纹和界面损伤的发生，45°材料的破坏应变也表现 平纹碳/环氧 面内拉伸 0.5 纤维断裂和层间弯曲
树脂 [21]
出更加强烈的应变速率敏感性，其他材料（即 30°， 1 721 纤维断裂和分层
60°） 的破坏应变不随应变速率发生明显变化。LI 经纹碳/环氧 面内拉伸 0.5 纤维断裂
等 ［21］ 研究发现：在准静态和动态加载下，经纹和平 树脂 [21] 1 575 纤维断裂和分层
纹碳/环氧树脂复合材料的抗拉强度和弹性模量随 2.42×10 −4 纤维断裂和分层
单向碳/环氧
着应变速率增大而增大，断裂伸长率则减小；经纹材 树脂 [33-34] 纵向拉伸 87.4 纤维束与基体脱黏
料的动态抗压强度表现出较弱的应变速率效应，而 200 纤维断裂和拔出

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