先进聚合物基复合材料疲劳性能测试与分析方法的研究现状

高 禹，李晨浩，高博闻，王柏臣，于 祺，包建文(.沈阳航空航天大学 航空航天工程学部(院)，沈阳 06；.沈阳工业大学 化工装备学院，辽宁 辽阳 00；.先进复合材料重点实验室 中航工业复合材料技术中心，北京 00095)

先进聚合物基复合材料主要是指以高性能纤维为增强体、树脂为基体，通过复合工艺制备而成的新型材料，具有比强度高、比模量大、可设计性强以及抗疲劳、抗冲击等优良性能，是继铝、钢和钛之后重要的结构材料，近年来广泛应用于航空航天、船舶、汽车、建筑等诸多领域，特别是在航空航天飞行器上作为制备结构件的使用量逐渐增加。随着复合材料的广泛应用，由于材料本身存在的一些缺点以及许多与材料性能相关的问题逐渐显现出来[1-2]。结构材料的疲劳性能对飞行器的可靠性和安全性起着决定性影响。飞行器上复合材料结构在整个服役期间，反复作用的疲劳载荷是内部构件承受的主要载荷。飞行器的主要运行环境包括：高低温、湿热、热循环，环境因素一般会导致复合材料力学性能下降[3-4]，因此复合材料在环境因素下疲劳性能方面的研究对于保证飞行器的安全和提高其使用寿命具有重要的意义。

本文主要通过对疲劳性能的试验方法、材料性能和环境因素对聚合物基复合材料疲劳性能的影响、以及疲劳性能的分析研究方法对复合材料疲劳性能的研究现状进行归纳总结，以期为今后复合材料疲劳性能的研究提供有益参考。

1 疲劳性能的试验方法

为了模拟复合材料在真实环境下承受的疲劳行为，国内外研究人员们提出了多种试验方法。按照循环疲劳载荷的加载方式划分包括：拉-拉疲劳、拉-压疲劳、压压-疲劳、弯曲疲劳等。人们大多沿袭金属疲劳性能的研究方法，对复合材料进行拉-拉疲劳和弯曲疲劳试验[5-6]。王军[7]等人对T700 /9368 光滑板及含孔层合板进行静载拉伸试验，得到静拉伸强度，用以确定疲劳试验所需的载荷，随后选择静态拉伸强度的60%、65%和70%三个应力水平按照 HB5440—1989标准的要求对复合材料进行了拉-拉疲劳试验。提高载荷应力水平可以减少疲劳试验循环次数、缩短试验时间。 经研究发现碳纤维增强复合材料最大疲劳载荷可达到其静拉伸强度的80%，玻璃纤维增强复合材料最大疲劳载荷也能达到60%[8]。在较大的循环载荷作用下，若夹持力过大，试件容易被夹碎；若夹持力太小，试件与夹头之间容易出现打滑。潘利剑[9]等人对测试玻璃纤维复合材料疲劳性能的试验夹具以及试样尺寸进行了改进，提出了开孔拉伸式哑铃形疲劳性能试验方法，为解决夹持力问题提供了可行的实验方法。聚合物基复合材料在承受压应力载荷时由于试样厚度较小容易出现失稳，因此在研究复合材料疲劳性能时绝大多数采用的加载方式为拉-拉疲劳。随着复合材料应用领域的扩大，复合材料构件在服役期间承受拉-压疲劳载荷和压-压疲劳载荷的情况日益增多，预示出今后研究拉-压、压-压疲劳载荷下复合材料疲劳行为将引起人们越来越多的重视。

除了拉-拉疲劳试验之外，应用较多的还有弯曲疲劳试验。弯曲疲劳试验是指在一定环境、频率、载荷波形、应力比条件下，选择三点弯曲[10]或四点弯曲为载荷类型的疲劳测试方法。测定静态弯曲性能时，应按规定加载速度连续均匀加载，直至试件完全破坏，获得的弯曲模量和弯曲强度做为弯曲疲劳试验加载的依据。梅端[11]选取静态弯曲试验最大挠度的30%、40%、50%做为弯曲疲劳的振幅，将试件置于三点弯曲疲劳试验机上(如图1)，使试件上下表面紧贴振动的滚轮，两端夹持时尽量保持夹持力一致，在相应疲劳振幅条件下对试样进行了弯曲疲劳测试。Tanabe Y[12]等利用四点弯曲法测试了复合材料在空气和油介质、不同应力比、不同循环次数下的疲劳性能。根据研究对象实际疲劳工况的不同，合理地选择适合的疲劳性能测试方法，对揭示复合材料疲劳损伤机理具有重要的作用。

2 材料性能对复合材料疲劳性能的影响

纤维增强树脂基复合材料在疲劳载荷作用下的疲劳破坏机制及破坏特征相比金属材料，具有显著的不同，这主要源于复合材料的各向异性、界面粘接性能、非均匀性以及层间性能远低于层内性能等因素。

杨乃宾[13]等人对单向碳/环氧复合材料进行拉-拉(R=0.1)疲劳试验，用成组试样法和升降法测出S-N曲线为一条直线，在接近疲劳极限处发生转折，研究发现疲劳破坏是由于沿纤维方向疲劳裂纹扩展引起的。周骏[14]等人对碳纤维/双马来酰亚胺复合材料进行拉-拉疲劳试验，研究发现疲劳寿命数据近似地符合对数正态分布。在短寿命的疲劳损伤中以纤维断裂为主，伴随着沿基体的纵向开裂；在中寿命区以基体沿纵向开裂为主，也存在个别纤维的断裂；在长寿命区中早期观察到的损伤不会明显发展。王丹勇[15]等人对T300/BMP-316单向层合板静载及疲劳加载各主方向损伤失效进行了试验研究，单向层合板各主方向静载力学性能试验表明：单向层合板纵向及横向静拉伸、静压缩应力-应变关系可认为是线性变化，而面内剪切应力-应变明显呈非线性关系。研究得出，单向层合板各主方向静载破坏与疲劳破坏断口并不相同，纵向静拉伸破坏与其拉-拉疲劳破坏断口差异最为明显，纵向拉-拉疲劳破坏断口中纤维在不同部位大量断裂，而纵向静拉伸破坏断口为纵向劈裂形式。

图1 疲劳试验机设备图

除了材料种类外，纤维的铺层角度和厚度也是影响复合材料疲劳性能的重要因素。杨忠清[16]分别对[0]8、[90]8、[0/902/0]s、[45/-452/45]s、[45/02/-45]2、[45/0/-45/90]s六种铺层方式的玻璃纤维增强树脂基复合材料进行了单轴拉伸疲劳试验。研究结果表明，层合板所含 0°层越多，其静态拉伸强度越大，随着外加载荷减小，层合板的平均寿命单调增加。在轴向载荷状态下，0°单向板的破坏形式为疲劳寿命前期的基体开裂和疲劳寿命后期的纤维断裂，其中纤维从承载到断裂持续了整个疲劳寿命阶段，故纤维决定了单向板的疲劳性能；90°单向板主要破坏形式是基体开裂，纤维不发生断裂，故基体的疲劳性能占主导地位；45°层合板在疲劳加载过程中产生沿纤维方向扩展的基体裂纹，加载过程中伴随发生蠕变、软化等塑性变形，并在试件表面产生沿纤维方向扩展的裂纹，内部产生分层损伤，层合板的疲劳性能主要受基体性能影响。梅端[11]对铺层厚度为3层到6层的单向玻璃纤维增强树脂基复合材料进行了拉-拉疲劳试验。从试验结果可以看出随着玻璃纤维层数的增加，即复合材料层合板厚度的增大，材料的刚度下降得越快；同一应力水平下，材料的疲劳寿命也基本上随铺层数的增加而缩短。

3 环境因素对复合材料疲劳性能的影响

复合材料作为结构材料在长时间的使用过程中会经受不同环境因素的影响，典型的环境因素包括高低温、湿热、热循环等。研究表明，不同的环境因素会对复合材料的力学性能和抗疲劳性能产生较大的影响。

Cao[17]等人对纤维增强聚合物基复合材料在16 ℃～200 ℃范围内的7种不同温度条件下的拉伸性能进行研究。试验结果表明，随着环境温度的升高，复合材料的拉伸强度显著降低。文献[18-19]对在200 ℃条件下处理了1 000 h的T700/HT280复合材料进行了拉-拉疲劳试验。结果表明，经历高温之后复合材料树脂基体发生了明显的后固化和热老化现象，导致其交联密度增大，树脂基体的性能有所提高，因此在疲劳初期复合材料的主要损伤形式是基体开裂，试样刚度的下降速率比原始态小。在疲劳中期一直到试样断裂期间复合材料的主要损伤形式表现为界面脱粘和分层，高温环境导致的复合材料界面脱粘是导致材料抗疲劳性能下降的主要原因。

史汉桥[20]等人对碳纤维增强环氧树脂基复合材料在低温环境下的力学性能进行了研究。结果表明，随着温度从80 ℃降低到-196 ℃，复合材料的弯曲强度、压缩强度和冲击强度明显提高；而低温对复合材料模量的影响较小。S.Sa′nchez-Sa′ez[21]等人对准各向同性和交叉碳纤维增强树脂层合板在20 ℃、-60 ℃、-150 ℃三种温度条件下测试其拉伸性能，结果表明，准各向同性层合板的拉伸强度随温度降低而增加，交叉层合板则随温度的降低而略有下降。王绍权[22]以碳纤维增强双马来酰亚胺复合材料为研究对象，采用液氮长期浸渍的方法模拟低温环境，研究了液氮浸渍时间对复合材料力学性能和热物理化学性能的影响规律。结果表明，复合材料的横向拉伸强度和弯曲强度随着液氮浸渍时间的延长呈现先下降后上升趋势，短梁剪切强度在长期液氮浸渍后出现明显下降。总冲击功(Ak)和裂纹扩展功(Ap)在液氮浸渍初期有所提升后趋于稳定，裂纹形成功(Ai)在液氮浸渍初期有所下降后趋于稳定。复合材料的界面粘接随着液氮浸渍时间的延长遭到破坏，这是导致该复合材料力学性能变化的原因之一，液氮浸渍并未使树脂的化学结构发生变化。刘新[23]等人将T700碳纤维/环氧复合材料放在液氮中对试样进行超低温浸泡和超低温/室温循环处理，测试了超低温处理后试样的静强度和拉-压疲劳1 000次、10 000次及130 000次后的剩余强度，结果表明，超低温处理和拉-压疲劳处理都会使试样产生微裂纹，并引起试样内的残余应力释放和试样的剩余强度降低；经历不同的超低温处理之后，试样的剩余强度达到最高值时所对应的拉-压疲劳次数不同；随着超低温处理和拉-压疲劳的作用，试样的剩余强度会经历先升高再降低的过程。

温度和吸湿都是影响聚合物基复合材料界面强度的重要因素[24]。Kumar[25]等人发现碳纤维/环氧复合材料层合板的力学性能对吸湿较为敏感，复合材料浸泡1个月之后，其纵向拉伸强度下降达25%～30%，继续浸泡强度基本保持不变，横向拉伸强度随着吸湿时间的增加呈快速下降趋势，面内剪切强度的变化规律表现为先增加后减小的趋势。Patel[26]对湿热老化前后碳/环氧复合材料的疲劳性能和剩余强度进行了研究，通过表面损伤、水分扩散和材料性能的变化发现，高温比吸湿对材料动态刚度和剩余强度的衰减更为显著。Kawai M[27]等人对碳/环氧树脂层压板进行干态和湿态疲劳试验，发现在相同温度下，吸湿使试件的疲劳强度大约降低了11%。刘鑫娴[28]等人对碳纤维/环氧复合材料单向板在标准环境和湿热环境(温度70±2 ℃、相对湿度(85±5)%RH)下测试其疲劳性能。试验结果表明：环境条件对于碳纤维/环氧复合材料单向板疲劳后剩余强度影响不显著。湿热环境试件与标准环境试件相比，强度仅下降了2%。由前人的研究结果可以看出，湿热是复合材料在使用过程中的重要环境因素，针对不同材料的湿热环境损伤机理尚未明确，因此今后环境损伤机理的研究应该是主要的研究方向。

除了高低温和湿热环境因素之外，应用于航空航天飞行器上的复合材料还会遭受热循环作用。由于碳纤维与树脂基体之间的热膨胀系数相差一个数量级以上，在热循环交变温度场作用下，材料内部会产生交变热应力与热应变，使材料的抗疲劳性能下降。Park[29]等人对玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料在热循环环境下的老化机理进行了研究。结果表明，随着热循环次数增加，材料内部会形成孔隙，使界面粘结强度降低，层间剪切性能下降。文献[30]在真空热循环(-180～140 ℃，循环周期为70 min，真空度为10-5Pa)的条件下对M40J/AG-80环氧树脂复合材料的力学性能进行了研究。结果表明，拉伸强度的变化与界面脱粘程度密切相关。弯曲强度变化主要反映真空热循环时树脂基体后续固化效应的影响。层剪强度变化是界面脱粘与树脂基体后续固化两种因素综合作用的结果。文献[31]对T700/3234复合材料进行了真空热循环(温度范围为-60～180℃，真空度高于2.1×10-3Pa，热循环周期为3 h)老化处理，并测试了经历老化处理后试样的拉-拉疲劳性能。结果表明，真空热循环处理后复合材料刚度衰减的速率和幅度明显大于未经处理的原始态，其抗疲劳性能明显下降。受试验条件的限制，目前针对热循环因素作用下聚合物基复合材料疲劳损伤机理的研究很少。

综上所述，高低温、湿热和热循环环境会对聚合物基复合材料的性能产生明显的影响。随着飞行器结构中复合材料的用量比例越来越大，其应用范围从非主承力构件逐渐扩展到主承力构件，复合材料结构中原先为静强度所覆盖的疲劳性能将逐步暴露出来。环境损伤与动态载荷进行耦合后，会加剧复合材料构件变形、失效的进程，从而成为制约整机可靠性与寿命的瓶颈。因此，深入研究高性能树脂基复合材料在典型环境因素作用下的疲劳行为与损伤机理，具有十分重要的工程应用背景及理论研究价值。

4 疲劳性能的分析研究方法

复合材料经过疲劳试验后，材料会发生如基体开裂、界面脱粘、分层、纤维断裂等多种损伤形式[32-33](如图2)。由于其损伤形式的多样性和复杂性，很难对复合材料在疲劳载荷下的失效进行系统准确的描述。目前，主要的研发方法之一是探寻复合材料剩余强度和剩余刚度随着循环疲劳载荷作用演变的规律，利用先进的分析测试手段表征疲劳损伤的状况，借助有限元软件分析材料内部应力、应变分布，最终为揭示疲劳损伤机理奠定有利的基础。

图2 疲劳损伤形式

Broutman[34]等人通过分析复合材料疲劳试验结果发现，复合材料强度的衰减呈非线性规律，同一复合材料在不同幅值疲劳载荷作用下的强度衰减不同。Yang[35]提出疲劳载荷的应力比也是复合材料强度衰减的另一影响因素。图3为复合材料的剩余强度随疲劳载荷循环次数的变化曲线[36]。当经历一定循环次数的疲劳载荷之后，材料的剩余强度将会降低至正常服役的临界强度。随着循环次数继续增加，材料的剩余强度继续降低，这时极有可能发生失效。Tserpes[37]等人通过三维疲劳渐进损伤模型和静态三维渐进损伤模型对剩余强度进行计算。疲劳渐进损伤模型用于估计一定载荷循环次数下材料内部疲劳损伤的累积效应，静态三维渐进损伤模型用于预报层合板最终的拉伸失效。该模型包含了对复合材料的应力、疲劳和材料性能退化的分析。

图3 剩余强度随疲劳循环次数变化的曲线

图4 复合材料典型刚度衰减曲线

利用复合材料刚度的变化来评价疲劳损伤是一种宏观无损的测试方法，一个试件可以得到不同疲劳循环次数的实验数据，从而避免了剩余强度离散性大和可比性差的问题[38]。对于绝大多数的复合材料，刚度下降可以分为三个阶段[36](如图4)。第一阶段一般小于总寿命的20%，这是疲劳损伤的起始阶段，其主要的损伤为基体开裂。第二阶段则主要表现为剩余刚度呈线性缓慢下降，这是疲劳寿命中最长的一部分，其主要损伤为基体与纤维的界面发生脱粘现象。第三阶段中刚度呈迅速下降趋势，这是疲劳过程中临近失效的阶段，其主要损伤为纤维断裂。

目前常用的疲劳损伤表征手段包括：超声C扫描、扫描电子显微镜(SEM)、X射线探伤和声发射等，通过这些方法可以对复合材料在不同疲劳阶段的损伤进行表征与分析。Lv X Y[39]等人利用SEM对碳纤维增强复合材料的树脂基体与纤维间的界面脱粘进行了表征。何梅洪[40]在超声C扫描底波幅值成像原理的基础上，利用一次扫描得到的复合材料不同铺层位置超声反射信号获得了切片C扫描图像，准确地呈现出复合材料内部不同铺层处的损伤区域。利用先进的测试方法可以表征复合材料的疲劳损伤，通过对复合材料疲劳损伤的分析，可以为揭示疲劳损伤机理提供有利的帮助。

为了尽可能地降低复合材料疲劳试验成本，缩短试验时间，国内研究者们利用计算机模拟技术来预测材料的疲劳性能。人们主要应用Abaqus、Ansys以及UG等软件运用有限元技术对复合材料疲劳损伤行为进行分析。冯古雨[41]等人借助有限元软件ANSYS Workbench,在静力学弯曲性能模拟的基础上添加疲劳工具，对三维角联锁机织复合材料的抗疲劳性能进行了分析，通过复合材料纤维、树脂各自的寿命、损伤分布云图分析该复合材料的弯曲抗疲劳性能。分析结果表明，在弯曲载荷作用下，复合材料与弯曲压头接触的位置表现出更大的弯曲应力，增强纤维相对树脂基体表现出更大的弯曲应力，承受更多载荷作用。基于Abaqus二次开发，刘亚沣[42]对复合材料层合板疲劳累积损伤有限元分析进行了程序化设计，运用修正的Hashin疲劳准则[43]和Ye分层准则来定义六个场变量和状态变量，对碳纤维增强复合材料层合板的失效行为进行了预测。徐颖[44]等人在ANSYS通用有限元软件平台上，利用APDL语言开发了参数化复合材料层合板的疲劳逐渐损伤分析模拟程序，该程序可以模拟不同铺层顺序、不同尺寸的复合材料层合板各种疲劳损伤模式起始、扩展直到最终破坏的全过程，并预测其疲劳寿命。籍庆辉[45]等人以平纹机织碳纤维增强树脂基复合材料为研究对象，通过试验测试材料的力学性能和疲劳性能，结合Kriging插值法和Basquin疲劳方程建立预测任意载荷下疲劳载荷-循环寿命曲线的恒幅寿命图模型，并且应用于实际工程中，对新能源汽车电池箱壳体进行了减重优化。结果表明，电池箱壳体结构的减重率达到34.39%。为了保障预测方法的可行性，建议今后提出的预测方法最好要辅以对应的试验对其加以验证。

5 结束语

复合材料以其优越的性能在航空航天等多个领域越来越受人们的关注，复合材料的疲劳性能是其作为制备结构件的重要设计参数，对构件的安全使用寿命尤为重要。针对复合材料遭受的多种疲劳破坏，应进行大量深入的拉-拉、拉-压、弯曲等疲劳试验研究。由于复合材料服役过程中经常面临的高低温、湿热、热循环等环境因素与疲劳载荷耦合后会产生额外的损伤，因此今后的研究方向应该偏重于典型环境因素作用下疲劳损伤机理的深入研究。值得注意的是，除了传统的疲劳性能分析研究手段外，有限元分析技术正在快速发展。本文通过综述现阶段复合材料试验和分析方法以及材料性能和环境因素对疲劳性能的影响，以期为聚合物基复合材料在新型飞行器上的应用提供有益的参考。

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