短纤维夹层对Ⅰ型层间断裂韧性的影响

    近20多年来,对于复合材料层板分层进行了大量研究,包括分层的发生、扩展及稳定性等·另一方面,亦有许多研究,旨在改善层合板壳的抗分层能力,提高层间断裂韧性·比较常见的层间强韧化途径是缝合[1,2]和在层间加入韧性夹层[3,4](interleaf)·缝合可以使GIC提高数十倍,是一种很有效的方法,但缝合层板工艺比较复杂,而且导致面内性能下降;韧性夹层也可以明显提高层间断裂韧性,但结构的质量/强度比增大·因此,如何更好地提高层间断裂韧性仍然有待进一步研究·

    Sohn和Hu[5]通过实验发现,在传统的纤维增强树脂层板铺层过程中,将少量的短纤维加入单层之间,使层间形成一种杂乱分布的短纤维夹层细观结构,分层扩展时,短纤维桥联可以产生明显的增韧效果,GIC可提高1倍以上·由于增韧效果明显,而且工艺与传统层板基本相同,具有成本低的优点,因此该方法是一种有广泛应用前景的层间增韧途径·

    层间短纤维方向是随机的,几乎与层间界面平行,其桥联和能耗机制特殊,现有的纤维桥联模型[6~8]已不适用·本文对短纤维夹层中的Ⅰ型裂纹,基于纤维拉出与基体剥落相耦合,建立了一个新的桥联模型,分析纤维桥联力与张开位移关系,研究能量耗散机理与特点,讨论短纤维的材料性质和几何尺寸对层间增韧的影响,得到了Ⅰ型层间断裂韧性增量的理论预报,与实验结果进行了比较·

    1　层间短纤维桥联模型

    层间短纤维与树脂形成很薄的夹层(图1)·当Ⅰ型裂纹在夹层中扩展时,部分短纤维将在裂纹面间引起桥联·根据热力学第一定律,对于准静态系统,Ⅰ型分层韧度增量为

式中,σ_br,W是桥联应力和裂纹张开位移·桥联应力可以表示为

    σ_br= Z·n·         (2)

式中,Z是单根纤维桥联力;n是单位裂纹面上纤维的根数·对于短纤维夹层作如下假定:①夹层厚度t远小于短纤维长度L(取t等于3倍纤维直径)·②短纤维在夹层内随机分布·③短纤维和基体是线弹性、准脆性材料·④短纤维与基体初始粘接完好·

    图2所示为一代表性的桥联短纤维,由于中心对称性,考虑纤维的一半,取坐标系xz,l为纤维的半长(l=L/2), w0为B点挠度( w0=W/2),纤维埋入深度h(x)=0~d;s为基体剥落长度,Δu是纤维拉出长度·随张开位移增大,基体剥落加长,纤维直径d远小于s,假设弯曲变形可以略去,CB段可视为柔性杆,B点轴力N的垂直分量即为桥联力Z;在C点横向力Z引起基体剥落,未剥离段AC可以简化为弹性基础梁·在C点N的水平分量X导致AC段拉出·基于柔性纤维假设,CB段的几何关系可利用Green应变表示

    若uc为C点沿x方向的位移, C点的挠度很小可以略去,利用CB段的本构方程N=EfAεx,得到: