文丨清河叙

编辑丨清河叙

前言

综合20年来的研究成果，天然纤维增强聚合物复合材料（NFRPCs）作为合成玻璃纤维（GFRP）的有吸引力替代品，在增强性能、低成本和提高可持续性的材料需求下，广泛应用于结构和非结构应用领域。

特别是亚麻纤维作为一种天然植物纤维，被认为是最具前景的聚合物复合材料之一。在NFRPCs中，采用连续单向（UD）和最优配置的加固对于最大限度地提高其承载性能至关重要。

在这一背景下，对NFRPCs的断裂韧性进行表征成为工程上优化、高效、可持续、经济有效和耐损伤产品设计的需求，特别是与跨层失效模式相关的断裂韧性。

NFRPCs应用中的断裂韧性挑战与前景

尽管跨层断裂韧性（TFT）的重要性自70年代末开始被认识到，但在过去鲜有研究关注。随着NFRPCs应用的迅猛发展，TFT在中国市场的潜力日益凸显。未来的研究中，基于有限元法的数值模型将发挥关键作用，以更好地理解和表征NFRPCs的断裂韧性。

除了强度和刚度外，断裂韧性是纤维增强聚合物复合材料（FRPCs）在大多数工程应用中的一个基本特性。随着FFRPCs应用的不断增长，工程上对优化、高效、可持续、经济有效和耐损伤的产品设计的需求，需要对其断裂韧性进行表征。

与跨层失效模式相关的断裂韧性能，是纤维增强复合材料（FRCs）的主要力学性能之一，尤其在使用有限元法（FEM）来模拟复合层压板中发生的特定材料损伤时，具有重要意义。

虽然跨层断裂韧性（TFT）测量的重要性自70年代末开始被认识到，但在过去很少受到关注。然而，随着NFRPCs应用的发展，TFT有望发挥重要作用。在许多研究领域，如复合材料的加工，基于有限元法的数值模型变得越来越重要。因此，在未来的研究中，基于有限元法的数值模型将在NFRPCs的发展中起到关键作用。

NFRPCs作为合成玻璃纤维的有吸引力替代品，在结构和非结构应用中得到广泛应用。亚麻纤维作为天然植物纤维的代表，具有独特的性能，尤其在UD亚麻纤维增强复合材料中具有重要意义。

在NFRPCs的应用中，除了强度和刚度外，断裂韧性也是一个基本特性，特别是与跨层失效模式相关的断裂韧性。因此，在未来的研究中，我们需要更好地表征和理解NFRPCs的断裂韧性，并基于有限元法的数值模型进行进一步研究。

在过去的研究中，对天然纤维增强聚合物复合材料（NFRPCs）的跨层断裂韧性进行了一些研究，但仅限于少数张力下的实验。其中一项研究比较了被切割的NFRPCs和玻璃纤维增强聚合物复合材料（GFRP），发现GFRP的断裂韧性是NFRPCs的3倍，这表明NFRPCs激活了不同的微观结构增韧机制。

另一项研究使用了编织的梭麻/聚氨酯复合材料，观察到随着纤维体积分数的增加，断裂韧性也增加，尤其是在经过碱性处理后。还有一项研究探讨了纺织纱线密度、编织结构和堆积顺序对NFRPCs的影响，发现断裂行为和α-酮异己酸的取值受纱线线性密度和试验方向的影响，而与编织类型无关。

其他研究还研究了纤维表面处理以及水热老化和吸湿对NFRPCs断裂性能的影响。这些研究提供了关于NFRPCs断裂韧性的一些有用信息，但在标准化测试方法和数据报告方面仍存在一些差异和不一致性。

改进断裂韧性测试

目前对于NFRPCs的跨层断裂韧性的研究仍相对有限。已有的研究表明，NFRPCs的断裂韧性受到多种因素的影响，包括纤维体积分数、纱线密度、编织结构、堆积顺序、纤维表面处理以及水热老化和吸湿等。然而，标准化的测试方法和一致的数据报告仍需要进一步改进，以便更好地理解和比较不同类型的NFRPCs的断裂韧性性能。

ASTM E1922标准是为了测量纤维增强复合材料（FRCs）在张力下的断裂韧性而开发的。该标准建议使用扩展的致密张力（ECT）试样，以克服一些不希望的失效模式，例如垂直于预缺口的裂纹增长。

一些研究使用了CT试样、ASTM E399标准、D5045标准或其他方法来测量FRCs的断裂韧性。在没有特殊原因的情况下，一些研究人员测试了跨层层叠板，并使用混合规则型方法来测量UD-FRCs的断裂韧性。然而，之前的研究中存在一些问题，例如样本失效不正确、导出方程存在维度不一致等。

一些研究使用类似的方法来评估纤维增强复合材料的断裂韧性，如使用CT和CC试样，并遵循ASTM E399程序。然而，这些研究中使用了基于有限元法的有限宽度校正因子，代替了ASTM E399中定义的各向同性材料。这些研究还假设了一些条件，例如交叉层板的临界能量释放速率等，并通过推导方程计算了UD层压板的断裂韧性。

其他研究观察到交叉层叠板的堆积会影响测量到的断裂韧性数值。一些研究则采用了数值方法，如数值计算和有限元法，来计算编织交叉层叠板的断裂能量，并与实验结果进行比较，验证了方法的有效性。

ASTM E1922标准提供了一种测量纤维增强复合材料在张力下断裂韧性的方法。然而，在之前的研究中存在一些问题和假设条件，需要进一步研究和改进。数值方法在评估交叉层叠板的断裂韧性方面显示出潜力，并与实验结果基本一致。

显微结构分析与性能评估

ASTM E1922标准用于测量各种碳纤维和玻璃纤维/聚合物复合材料在拉伸条件下的断裂韧性。然而，该标准可以适用于其他纤维增强聚合物复合材料（FRPC），只要试样尺寸和测试结果符合标准的要求。

根据ASTM E1922标准的指导方针，旨在测量UD-FRCs的断裂韧性，我们使用了扩展的致密张力（ECT）试样。ECT样品是从标称厚度为4 mm的夹层板上切割而来。由于ECT样品的低刚度，传统的伸长计无法用于测量缺口口开口位移（NMOD）。因此，我们采用了与加载应用程序同步的数字图像相关性（DIC）设置进行测试。

在进行了5个ECT试样的测试后，并没有观察到自相似（平行于预缺口）的裂纹扩展，也没有有效地观察到跨层裂纹扩展。事实上，裂纹是垂直于缺口和光纤方向传播的，这导致了无效的试验结果。

据我们所知，目前尚未有关于合成或天然UD-FRCs的ECT样品测试的文献报道。已有的ECT测试主要针对天然/合成织物或跨层加固结构，以及少数针对拉挤复合材料。因此，我们无法进行基准研究，这些实验结果是不可避免的。

为了克服这个困难，我们使用了交叉层叠板来避免纵向和横向方向上的大强度差异。这样，每个0°层都被90°层抑制，阻止裂纹在缺口垂直方向上的传播，类似于之前的研究方法。我们利用交叉层层压板的跨层断裂能和UD层压板的I型和II型层间断裂能，通过平衡方程计算了UD层的跨层层间断裂能。

ASTM E1922标准提供了测量纤维增强聚合物复合材料在拉伸条件下断裂韧性的方法。然而，在本研究中遇到了一些困难，无法使用ECT样品进行有效的测试。

我们旨在研究UD-FFRECs在准静态拉伸和压缩载荷下的断裂行为，并评估其断裂韧性参数。我们使用了ASTM E1922标准试验方法来检验ECT试样在拉伸条件下的断裂韧性，并利用CT和CC试样分别研究了拉伸和压缩载荷下的断裂能。通过观察显微图和load-NMOD曲线，我们研究了复合材料的断裂行为和机制。

根据ASTM E1922标准试验方法，使用UD层压板来测定拉伸断裂韧性是不可行的，因为未观察到自相似的跨层裂纹扩展。为了评估层压板的断裂韧性并提取UD复合材料的断裂韧性，我们采用了交叉层层压板的方法，该方法在早期研究中已被证明有效。尽管我们没有公布与其他复合材料的断裂性能数据进行比较，但所得到的数值（能能= 15.71 kJ/m2和α-酮异己酸= 14.27 MPa√m）与类似复合材料的文献报道相符。

我们进行了IRT试验，并利用开发的程序处理了数据，分别使用CT和CC试样确定了复合材料在拉伸和压缩载荷下的断裂韧性。基于类似材料的现有数据，我们使用了两个泰勒-奎尼系数的假设值，即p = 0.5和p = 0.9。

与标准试验结果相比，CT试样显示出了合适的一致性；然而，CC试验的结果较低，不令人满意。基于CT试验的结果，当假设p = 0.5和p = 0.9时，断裂能量G的值分别为19.88和11.1 kJ/m2。IRT的结果与ASTM E1922的结果一致，并提供了更详尽的信息，表明真实的p值介于两个假设值之间。

因此，我们验证了使用CT试验评估UD-亚麻/环氧复合材料在拉伸条件下的跨层断裂能的应用，但对于使用CC试样测定压缩跨层断裂能的准确性尚未验证。

相反，对于CC试验，我们的结论是，使用初试线性负载-位移曲线的最大载荷作为失效载荷，并采用ASTM D5045标准，可以得到合理的压缩断裂能量G = 9.84 kJ/m2。

通过形貌学研究，我们发现跨层失效的主要机制包括纤维拉出、纤维断裂和纤维基质脱粘。

结论

综上所述，通过对UD-FFRECs复合材料在准静态拉伸和压缩载荷下的断裂行为进行研究，并评估了其断裂韧性参数。

通过采用CT和CC试样以及显微观察和load-NMOD曲线分析，我们深入了解了复合材料的断裂机制和行为。通过验证CT试验评估拉伸断裂能的应用，我们获得了可靠的数据，在工程设计和数值模拟研究中具有重要意义。

然而，对于压缩断裂能的评估仍需要进一步验证。总体而言，本研究为了解UD-FFRECs复合材料的断裂特性提供了重要的研究基础和可靠的数据依据。