Page 22 - 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

下的破坏形式以界面开裂为主，高温条件下以基体  1 1   1  1
破坏为主；基体随着温度的变化在玻璃态、高弹态和   X - X c t   σ 1 +   Y - Y c   t (σ 2 σ + 3 )+
黏性流动态之间转化，当基体在玻璃态时，材料的强 σ + ( σ + σ - σσ +3 τ 2 ) - （1）
2 1
2 1
2
度、刚度和模量等力学性能随着温度的升高而增大， X X c 1 YY c 2 3 2 3 23
t
t
(
2 1
当基体发生软化时，纤维/基体界面的黏结强度降 1 σσ + σ 2 )+ 2 ( τ + τ 12 ) =1
2
3
13
1
低，使得材料刚度下降 ［51-52］ ，当基体处在黏性流动态 X XYY c S L
c
t
t
时发生不可逆变形，材料力学性能下降。 式中：X 和X 分别为纤维方向的抗拉和抗压强度；Y
t
c
温度影响着碳纤维复合材料包括力学行为、纤 和Y 分别为垂直纤维方向的抗拉和抗压强度；S 为 t
c L
维/基体界面性能、失效机制等在内的多方面性能， 面内剪切强度； σ 为沿纤维方向的应力；σ ，σ 分别
1 2 3
不同温度条件下不同类型碳纤维复合材料的性能变 为两个垂直纤维方向的应力； τ ，τ ，τ 分别为3个
化规律也各不相同，有关其强度随温度的变化规律 对应面上的剪切应力。 23 13 12
还存在很大争议。碳纤维复合材料的服役环境常为 修正后的Tsai-Wu准则仅需 5 个材料参数，增
− 1
3
温度（室温至 1 200 ℃）和应变速率（10 − 4 ~10 s ） 强了失效判据的一致性。虽然交互准则考虑了各应
耦合环境，承受着拉、压和剪切等复杂应力作用，这 力间的相互影响，但未区分失效模式。为此，研究者
种复杂工况下的研究尚待加强。 进一步提出了将纤维和基体的失效模式分别进行描
2 相关失效准则 述的准则，主要包括Hashin准则 ［57］ 、Puck准则 ［58］ 和
LaRC05准则 ［59］ 。相较于交互准则，该类区分模式
复合材料在静态和动态加载下的力学行为和失
的准则在描述复合材料中的微观损伤时更具优势。
效分析是一个复杂的课题，需要考虑复合材料的组
Hashin准则广泛应用于复合材料研究，在考虑各向
成、纤维取向等多种因素。失效准则能够预测复合
异性、多种失效模式和材料特性方面表现出了优异
材料在不同加载条件下的失效模式和强度极限。完
的预测能力，但该准则未考虑横向压缩对剪切强度
善失效准则可以提高复合材料在实际应用中的可靠
的影响，对基体在压缩载荷下的失效预测效果不佳。
性和安全性。已有许多研究提出了不同的理论和
Puck准则采用纤维间失效模式代替基体失效模式，
方法，主要分为极限准则、交互准则和区分模式的准
更详细地描述纤维与基体间的相互作用，从而提高
则等 3 类失效准则。极限准则将材料单一方向的
了复杂应力状态下基体失效的预测准确性。Puck准
应力和应变分别与相应强度进行比较来预测失效，
则在建模时引入了表示断裂面与厚度方向夹角的倾
主要包括最大应力准则和最大应变准则等，但这
角参数，这些参数强烈依赖试验数据，因此该准则需
类准则忽略了各应力或应变的相互影响。交互准则
要进行大量的试验与计算。LaRC05准则是专门用
采用包含所有应力分量的多项式来表示，最为常见 于双向编织复合材料的失效准则，相比于其他准则，
的为Tsai-Hill准则 ［53］ ，但该准则主要适用于各向同
更加关注材料的各向异性和复杂结构所带来的影响。
性材料，未区分拉压强度的不同，不适用于具有拉压
在不区分失效模式的情况下，Tsai-Wu准则的
不对称性的碳纤维复合材料。Hoffman准则 ［54］ 和 预测精度相较其他准则更高；在区分失效模式的情
Tsai-Wu准则 ［55］ 更适合用来预测各向异性材料的失
况下，Hashin准则较为简单且预测精度较好，Puck
效。Hoffman准则在Tsai-Hill准则的基础上，考虑
准则和LaRC05准则较为复杂但预测精度更高。上
了材料在同一方向上拉压强度的差异。Tsai-Wu准
述失效准则大多适用于准静态加载条件，未考虑温
则进一步发展了Hoffman准则，采用二次张量多项
度和应变速率的影响。为了表征复合材料在冲击载
式的形式描述了破坏面，并在应力一次项中反映了
荷作用下的破坏行为，在失效准则中引入应变速率
拉压强度的不同。然而，对于三维应力状态，Tsai-
的影响是十分必要的。DELUCA等 ［60］ 将金属材料
Wu准则引入两个独立常数，在二次函数的基础上建
的模型应用于复合材料中，如将Cowper-Symonds定
立破坏标准。该准则中横向剪切强度F 表示为
12 律 ［61］ 用于模拟复合材料层合板在高应变速率下的抗
F =- 1 F F ，必须由横向抗拉强度F 和横向
12 11 22 11 拉和抗压强度变化，为复合材料失效模式的研究提
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抗压强度F 求得，横向剪切强度不再是一个独立的 供了新方向。KARIM ［62］ 认为在静态和动态加载下，
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材料常数。LI等 ［56］ 对其进行修正得到： 复合材料都会发生脱层、脱黏和纤维拔出等破坏模
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