尺寸效应和湿热老化对厚CFRP复合材料II型层间断裂韧性的影响

       碳纤维增强聚合物(CFRP)复合材料因其优异的力学性能和耐腐蚀性能，在航空航天、汽车制造等工程领域得到广泛应用。然而，CFRP的层状特性通常导致其层间性能弱，易发生II型失效，这成为制约CFRP可靠性的关键瓶颈。此外，在实际应用中，复合材料结构往往需要承受湿热环境与复杂载荷条件的耦合作用，而传统研究多聚焦于标准厚度试样在上述复杂工况下的断裂性能，对厚度较大的CFRP在湿热老化下的尺寸效应缺乏系统研究。这一研究空白使得工程设计中难以准确预测厚CFRP在恶劣环境下的服役性能，亟需从断裂力学角度揭示其失效机制。近日，浙江大学的学者以厚CFRP复合材料为研究对象，通过实验测试与数值模拟相结合的方法，系统探究了试样厚度和湿热老化对II型层间断裂韧性GIIc的影响规律，阐明了断裂过程区(FPZ)扩展与尺寸效应的关联，并揭示了湿热老化中基体塑化与界面弱化的竞争机制。

图1 端部缺口弯曲(ENF)试样的示意图

       本研究采用不同厚度（从3.6 mm至9.6 mm）的端部缺口弯曲(ENF)试样开展II型断裂试验（图2），结合柔度标定法(CC)和基于柔度的梁方法(CBBM)计算GIIc，并分析R曲线的特征。此外，开展80 ℃水浴工况下的湿热老化试验，采用两阶段湿度吸收模型研究厚CFRP复合材料试样的扩散机制。数值模拟部分基于ABAQUS建立三维内聚力模型，分析FPZ与应力场分布。最后通过SEM观察断裂形貌，关联宏观性能与微观失效机制。

图2 不同厚度ENF试样的试验结果

      结果表明：试样厚度的增加显著提高了GIIc值，这主要归因于断裂过程区(FPZ)面积的扩大。这种尺寸效应可以通过有限元模拟得到很好的解释，厚试样在裂纹稳定扩展阶段形成了更大的FPZ，从而吸收了更多的能量，延缓了裂纹扩展。在湿热老化方面，研究发现了更为复杂的机理。通过两阶段湿度吸收模型分析，发现薄试样的吸湿速率明显快于厚试样，最终吸湿量也更高。DMA测试结果发现，湿热老化导致玻璃化转变温度降低了~ 40 ℃，这表明水分子渗透破坏了材料内部的交联网络，产生了明显的塑化效应。故湿热老化对断裂行为产生了双重影响：一方面，基体塑化提高了材料的韧性，这使得断裂过程的能量耗散提升；另一方面，界面弱化导致的层间脱粘削弱了载荷传递的能力，这使得断裂过程的能量耗散区的面积减小。具体表现为无预裂纹(NPC)试样测得的GIIc值相较于湿热老化前显著下降；而由于基体塑化的增韧作用（提升能量耗散）与界面损伤的弱化作用（提升能量耗散）达到平衡，有预裂纹(PC)试样测得的GIIc值基本保持不变。

图3 湿热老化后(a) 不同厚度ENF试样等效裂纹长度与位移的关系；(b) GIIc值的R曲线

       综上所述，本研究探讨了厚CFRP复合材料II型层间断裂行为的尺寸效应机制与湿热老化行为，为复合材料优化设计提供了理论依据，为预测其在湿热环境中的服役性能提供了实用指导。值得一提的是，本论文关于湿热老化导致界面弱化的机制论证并不够充分，尽管宏观性能下降和微观脱粘现象暗示了界面弱化，但未从化学键破坏、水分子作用路径、热/湿单独效应等角度深入论证该机制，后续可考虑围绕该机制开展进一步研究。另一方面，本论文的研究范畴仅限于达到吸湿平衡状态，未探究过饱和吸湿后的长期性能演化规律，这对预测材料长效服役可靠性至关重要，还可考虑借助时间-温度-湿度叠加原理等加速预测方法预测其长期断裂性能。

相关研究论文以 “Size Effects and Hygrothermal Aging on Mode II Interlaminar Fracture Toughness of Thick CFRP Composites" 为题发表在《Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures》。