摘要：近日，南京航空航天大学、河海大学、同济大学的研究团队基于高速冲击实验与高保真数值模拟，揭示了湿热老化对增韧T700/EH301复合材料抗冲击性能的影响机理。针对三种老化状态（Unaged, Aged, Redried）的对比试验结果表明，湿热老化可显著提升CFRP的弹道极限（170.2 m/s，11.2%提升），再干燥后仍优于干燥状态下基准值（158.5 m/s，3.2%提升）。结合微观形貌分析，该团队提出了一种高保真显式离散裂纹模型（HFEDCM），从细观尺度阐明了湿热老化对CFRP弹道性能的增强效应，并高精度复现层合板宏观损伤模式，基于定量与定性结果表明"纤维束"断裂韧性（Translaminar fracture toughness ）的显著提升是湿热环境下复合材料抗冲击性能显著增强的核心驱动力，该成果以“Hygrothermal effects on ballistic behavior of toughened CFRP laminates”为题发表于力学领域TOP期刊International Journal of Mechanical Sciences上。

 

一、引言

 

航空CFRP结构服役期间长期遭受的湿热环境会使复合材料内部基体吸湿溶胀、增塑、水解而产生裂纹，以及产生由于纤维与树脂两者湿、热性质差异导致的纤维/树脂界面损伤甚至脱粘等微观组分损伤，造成其性能退化。此外服役期间CFRP结构还受到鸟撞、冰撞、叶片丢失等外物冲击的威胁，造成结构完整性破坏进而影响适航安全。CFRP结构在冲击载荷下损伤模式主要包括：层内分层破坏（Intralaminar Fracture, IAF）、层间分层破坏（Interlaminar Fracture, IEF）和纤维向断裂破坏（Translaminar Fracture, TAF），如图1所示。TAF指的是裂纹沿厚度方向垂直于纤维方向传播，其在纤维方向失效破坏过程中沿断裂平面单位投影面积耗散的能量称为纤维向断裂韧性，是复合材料纤维向断裂行为的宏观力学表征。不同于IAF和IEF相对单一的失效模式，TAF涉及基体损伤、界面脱粘、纤维断裂和纤维拔出等多重微观失效模式的协调-竞争，单位面积能量耗散（105 J/m2）相较于IAF和IEF（102 J/m2）高3个数量级，是CFRP断裂破坏的主要能量耗散途径，也是CFRP结构在抗冲击等安全性设计中亟需重点关注的指标。

 

图1 CFRP结构在冲击载荷下主要损伤模式

 

二、内容简介

 

研究对象为T700/EH301增韧环氧树脂基复合材料，固化工艺及相应的试验件制备如图2所示。为加速复合材料湿热老化进程，采用水浴锅浸润作为湿热环境，水浴温度为75℃，整个湿热老化周期持续2530个小时（此时试验件达到饱和吸湿状态）。所有试样被分为三种不同的湿热老化状态来进行对比研究，分别为：Unaged（未老化），Aged（湿热老化），Redried（老化后再干燥）。

 

图2 复合材料试验件制造工艺流程

 

针对不同湿热状态复合材料试验件在新加坡国立大学Impact Lab开展了高速冲击试验，不同湿热状态下试验件的弹道极限和能量吸收率如图3所示。从弹道极限和能量吸收率两个指标综合分析可发现湿热老化后CFRP 靶板的抗冲击性能得到较大提升，湿热老化作用对CFRP靶板抗冲击能力性能有一定的积极作用。

 

 

 

图3 不同湿热状态下试验结果：a)弹道极限； b)能量吸收率

 

为了从微观失效机制方面探讨湿热老化对复合材料弹道性能改善的机制，结合SEM分析了复合材料板的微观损伤形貌（如图4所示），结果发现未老化靶板冲击区域纤维断口比较齐整，而湿热老化和重复干燥靶板冲击区域纤维断口长短不一，可能的原因是湿热老化削弱了纤维/树脂界面，导致纤维之间应力传递不连续，出现一些纤维拔出和脱粘，这些现象反而会提升CFRP纤维方向的断裂韧性，如图5所示。

 

图4 不同湿热条件下CFRP试样前后表面的典型断裂照片

 

正如前文所述，复合材料在高速冲击下的能量耗散主要是纤维向能量断裂，而纤维向断裂能量的耗散主要有两种机制：纤维/基质界面的脱粘（对应脱粘部分做功，Wdeb）和脱粘后纤维拉出（对应于纤维拉出部分做工，Wpo）。

 

对于湿热老化后的复合材料板，其在高速冲击破坏过程中，裂纹脱粘做的功提升：

 

纤维拔出做的功也提升：

 

故而，湿热老化后复合材料板纤维向断裂韧性（Translaminar fracture toughness）也得到改善：

 

因此可以认为，湿热老化后复合材料的弹道性能的增强与纤维向断裂韧性（Translaminar fracture toughness）密切相关。

 

图5 未老化与老化的失效机理比较

 

采用Abaqus/Explicit软件建立高保真HFEDCM有限元模型（如图6所示），试图解释考虑湿热效应的T700/EH301碳纤维增强复合材料抗高速冲击性能的关键机理。之所以建立如此细观层面上的有限元模型，主要原因是试验观察到复合材料板在高速冲击下纤维条带状破坏，现有的连续损伤模型并不能刻画这种典型的失效模式。

 

图6 (a) CFRP冲击区的典型损伤形貌；(b) HFEDCM模型示；(c)冲击损伤模型及相关单元类型

 

值得注意的是，纤维向断裂韧性是CFRP层合板在高速冲击中复制湿热效应的关键输入参数。然而，目前还没有标准化的实验方法来精确测量断裂韧性。Pinho S.T.等分别通过紧凑拉伸试验和紧凑压缩试验获得了T700/931碳纤维增强复合材料层合板中纤维拉伸和压缩失效相关的断裂韧性。然而，严格的制造工艺要求是确保实验结果有效性的必要条件。此外，基体塑化和湿热应力的共同影响会导致缺口试件预制裂纹前沿的应力强度因子降低，从而可能导致不稳定裂纹扩展和无效结果。考虑到这些因素，通过反向建模类型的方法对纤维向断裂韧性GfT进行了校准，通过改变其输入值以匹配老化和重新干燥情况下的实验结果，如图7所示，选择了特定的测试进行校准（老化情况下的H-14和重新干燥情况下的 R-2）。例如，对于H-14，使用测试的剩余速度作为目标值，并将“纤维束”的断裂韧性GfT作为数值模拟的唯一独立变量。通过反复调整断裂韧性值，将最终模拟的剩余速度逼近测试值。一旦确定了断裂韧性值，它就作为后续模拟的一个固定参数保持不变。

 

图7 “纤维束”断裂韧性的标定过程：(a)湿热；(b)重复干燥

 

图8和图9基于残余速度和能量吸收率对HFEDCM模型在高速冲击下的预测能力进行了评估。数值结果（不仅包括弹道极限，还包括宏观损伤形貌）与所有湿热条件下碳纤维增强复合材料（CFRP）高速冲击试验的结果高度吻合。

 

 

 

图8 试验与仿真结果对比：(a)剩余速度；(b)能量吸收率

 

图9 试验与仿真宏观损伤形貌对比

 

三、小结及展望

 

基于高速冲击实验与高保真数值模拟，揭示了湿热老化对增韧T700/EH301复合材料抗冲击性能的影响机理。针对三种老化状态的对比试验结果表明，湿热老化可显著提升CFRP的弹道极限，再干燥后仍优于干燥状态。结合微观形貌分析，提出了一种高保真显式离散裂纹模型，从细观尺度阐明了湿热老化对CFRP弹道性能的增强效应，并高精度复现层合板宏观损伤模式，基于定量与定性结果表明"纤维束"断裂韧性的显著提升是湿热环境下复合材料抗冲击性能显著增强的核心驱动力。

 

后续进展：南京航空航天大学刘璐璐教授团队近期针对该问题进一步开展了不同湿热状态下该型号复合材料板的紧凑拉伸试验，试验结果（见图10）印证了上述推论（即湿热对复合材料的纤维向断裂韧性Translaminar fracture toughness具有积极的改善作用），相关成果以“Effects of hygrothermal aging and re-drying on the translaminar fracture toughness of CFRP”为题投稿在Composite Structures。

 

图10 不同湿热工况下复合材料纤维向断裂韧性的比较

 

河海大学力学与工程科学学院徐凯龙讲师为论文的第一作者，南京航空航天大学刘璐璐教授、同济大学支杰研究员为论文的通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金青年和面上项目、航空科学基金的资助和支持。

 

原文链接：

 

Kailong Xu, Lulu LIU*, Jie Zhi*, Wei Chen, T.E. Tay, Hygrothermal Effects on Ballistic Behaviour of Toughened CFRP Laminates, International Journal of Mechanical Sciences, Volume 280, 15 October 2024, 109531. 10.1016/j.ijmecsci.2024.109531

 

延伸工作链接：

 

https://doi.org/10.1016/j.polymdegradstab.2022.109940

 

https://doi.org/10.1016/j.polymertesting.2022.107548

 

https://doi.org/10.1016/j.mechmat.2021.103887

 

https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2020.106167

 

https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2023.108697

 

 

来源：复合材料力学

关键词： 湿热老化 复合材料 抗冲击性能