Page 25 - 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

σ σ = σ + ε exp(h σ  ex εp(h )+ ) （18） 需进一步研究。
t 0 diff1 1 diff2 2
式中： σ 为动态加载时的总应力；σ 为准静态加载时 3 结束语
0
t
的应力； σ diff1 ，σ diff2 分别为随应变速率变化的过渡应
力；h ，h 为材料参数。 碳纤维复合材料具有独特的微结构特征，其力
1 2 学性能不仅受加载坏境的影响，还极度依赖应力状
该准则能够准确描述材料在不同应变速率下
态。并且，碳纤维复合材料的几何结构复杂且具有
的动态力学行为。为了准确预测层合板的失效，
非均质特性，使得其力学性能表征较为困难。因此，
LAURIN ［78］ 将材料的热黏弹性行为引入到模型中，
不同应力状态和温度与应变速率耦合坏境下的力学
具体表达式如下：
性能研究不够深入。
σ = 0 T - C ε  α T 0 ) - (-T ε v e    （19） 目前，关于碳纤维复合材料失效理论的研究仍
式中： σ 为总应力；C 为初始弹性刚度；ε 为总应变； 主要集中在准静态下的简单应力状态，对应变速率
0 T
T， T 0 分别为当前温度和参考温度； ε ve 为黏性应变。 和温度耦合的失效研究较少，而碳纤维复合材料具
式（19）只考虑了线性行为，并未对非线性行为 有强烈的应变速率敏感性和温度依赖性。尽管在复
［79］
的温度依赖性进行描述。RICHETON 采用叠加 合材料的力学试验和理论研究方面已经取得很多成
原理，得到温度与应变速率耦合的依赖关系，其表达 果，但仍缺乏考虑服役温度和应变速率范围的测试
式为 技术以及失效准则。结合当前研究现状和工程需求，
今后碳纤维复合材料力学行为研究的重点和难点
在于：
（1）试验方面。需要对现有的高温动态试验技
术进行改进，以符合碳纤维复合材料的服役环境；进
（20） 一步探究不同应力状态下应变速率对碳纤维复合材
式中： σ 为与试验方式无关的屈服应力；σ i(0) 为0 ℃ 料力学行为的影响；高温测试技术仍待发展，温度和
y
时的内应力；L为玻尔兹曼常数；V为活化体积；∆H β 应变速率耦合的相关试验数据仍比较缺乏；利用高
为活化能；m为材料参数。
速摄像机和声发射损伤检测技术等获取试验过程中
式（20）虽然同时考虑了温度和应变速率的影
材料的整体信息，并结合扫描电镜和透射电镜对其
响，但研究的温度范围在− 40~180 ℃，未考虑非
细观形貌进行分析。
线性行为，模型的参数（如活化能等）获取困难。
（2）理论方面。结合温度和应变速率耦合环境
CASTRES ［77］ 结合双谱模型提出包含应变速率和温
下的碳纤维复合材料力学研究试验，建立宽温度范
度的准则，表达式如下：
围、宽应变速率范围的率-温失效准则。主要可以采
2T    w j  用以下方法：首先，从细观研究入手，建立符合材料
σ σ = exp  -  1  ε  -
-
b   T     微细观结构的力学模型，得到细观失效机制的唯像
0
t
2T    2  w g   （21） 模型；其次，基于较为成熟的失效准则，结合碳纤维
e exp    T   ε -    复合材料的特性，引入温度和应变速率的影响参数，
建立应变速率和温度耦合的相关模型。
j
式中：b，e，，g，w ，w 为试验参数。 （3）研究方法方面。需要对碳纤维复合材料失
1
2
2
−1
式（21）是在6种应变速率（10 −4 ~10 s ）与3种
效的数值模拟进行深入研究，采用多尺度分析方法
温度（室温、40 ℃和100 ℃）下得到的，能预测更宽应
对材料的失效进行分析。准确地描述细观行为是预
变速率范围和不同温度下的应力或应变演化规律，
测复合材料界面破坏的必要条件，将细观行为与宏
但依赖于试验的参数有6个，缺乏足够的试验数据进
观破坏相结合，对材料的失效预测将更加精准。
行精准确定。
RICHETON和CASTRES所建立的准则虽然 参考文献：
能对不同温度和应变速率下的复合材料力学行为进
［1］ 贺福，王茂章. 碳纤维及其复合材料［M］. 北京：科学

行描述，但适用的温度和应变速率范围较小，是否适 出版社，1995.
用于服役环境为高温、高应变速率的CFRP材料还 HE F，WANG M Z. Carbon fiber and composites［M］.
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