文章研究了高溫條件對單向碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料縱向拉伸失效行為的影響。通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值方法，探討了25°C至400°C溫度范圍內(nèi)該自備UD-CF/Al復(fù)合材料的縱向拉伸力學(xué)行為和失效機(jī)制。

首先，進(jìn)行了單纖維推離測試以研究界面行為，并構(gòu)建了一個考慮熱歷史（包括制造過程中的冷卻和服役過程中的加熱）以及纖維強(qiáng)度分散的代表性體積單元模型。結(jié)果表明，制造過程中冷卻導(dǎo)致顯著的殘余應(yīng)力和輕微的界面損傷，而服役過程中加熱大大緩解了殘余應(yīng)力，但由于材料退化不可逆，損傷進(jìn)一步積累。當(dāng)服役溫度從25°C升高到300°C時，復(fù)合材料的彈性模量和極限應(yīng)力分別下降了10.4%和7.5%。纖維主要以簇狀斷裂模式破裂，斷裂纖維的無效長度增加了41.4%，周圍纖維中的應(yīng)力集中顯著降低。由于加熱過程中額外的損傷積累，界面損傷更加嚴(yán)重，由于基體軟化和界面損傷，基體損傷更加局部化。這些結(jié)果表明，界面退化在高溫引起的復(fù)合材料性能退化中起著重要作用。

其次，實(shí)驗(yàn)部分包括縱向和橫向拉伸測試、鋁合金基體的單軸拉伸測試、單纖維推離測試和熱膨脹測試。通過這些實(shí)驗(yàn)，確定了復(fù)合材料及各組分在不同溫度下的力學(xué)性能和界面行為。

最后，基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果，構(gòu)建了考慮纖維強(qiáng)度分散和溫度相關(guān)本構(gòu)行為的RVE模型，模擬了縱向拉伸行為。結(jié)合模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，綜合探討了復(fù)合材料在300°C高溫下的力學(xué)行為和漸進(jìn)失效機(jī)制。

本文揭示了溫度對UD-CF/Al復(fù)合材料縱向拉伸微觀和宏觀響應(yīng)的影響，為溫度環(huán)境下此類材料的設(shè)計(jì)和制備提供了幫助。

引言

高溫對單向碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料縱向拉伸性能的影響研究

探討連續(xù)碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料在高溫條件下的力學(xué)行為和失效機(jī)制。

通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究了25°C至400°C溫度范圍內(nèi)單向碳纖維/鋁（UD-CF/Al）復(fù)合材料的界面行為。

實(shí)驗(yàn)方法

樣品制備與測試

使用真空輔助壓力滲透法制備高模量碳纖維M40J增強(qiáng)鑄鋁-10Mg鋁合金的UD-CF/Al復(fù)合材料，纖維體積分?jǐn)?shù)為57.5%。

在不同溫度下進(jìn)行縱向和橫向拉伸測試、單纖維推離測試及熱膨脹測試。

不同溫度下單纖維推出測試。(a) 說明圖 (b) 實(shí)驗(yàn)照片

材料特性

鋁合金基體的溫度依賴性力學(xué)行為

通過準(zhǔn)靜態(tài)單軸拉伸試驗(yàn)確定鋁基體在25°C至400°C范圍內(nèi)的力學(xué)性能。

溫度升高導(dǎo)致鋁基體的剛度和強(qiáng)度分別下降約66%，采用Johnson-Cook模型描述塑性行為。

界面行為

單纖維推離測試分析

在25°C至400°C范圍內(nèi)進(jìn)行單纖維推離測試，結(jié)果表明界面強(qiáng)度隨溫度升高非線性下降約56%。

界面行為由粘聚區(qū)模型的雙線性牽引分離定律描述，結(jié)合Benzeggagh-Kenane斷裂準(zhǔn)則確定界面損傷起始點(diǎn)。

不同溫度下的界面行為 (a) 25°C時的完整載荷-位移曲線 (b) 不同溫度下的載荷-位移曲線 (c) Pmax的變化。

微觀力學(xué)模型

RVE模型構(gòu)建

構(gòu)建包含30根隨機(jī)排列直纖維的三維微觀力學(xué)RVE模型，考慮纖維強(qiáng)度分散效應(yīng)。

使用Weibull分布公式模擬纖維強(qiáng)度分散特性。

結(jié)果與討論

制造過程中的殘余應(yīng)力與損傷

冷卻過程中，由于纖維和基體熱膨脹系數(shù)差異顯著，產(chǎn)生復(fù)雜的殘余熱應(yīng)力和輕微的界面損傷。

殘余應(yīng)力在加熱過程中大幅緩解，但材料退化不可逆，損傷繼續(xù)累積。

制造過程中冷卻階段的熱應(yīng)變。

高溫服役前加熱過程的影響

加熱過程中，基體和界面的損傷程度隨溫度升高而增加，更多界面接近失效。

溫度升至300°C時，基體中的熱殘余應(yīng)力幾乎釋放。

加熱前的熱應(yīng)變。

復(fù)合材料在高溫下的縱向拉伸行為

在300°C下，復(fù)合材料的彈性模量和極限應(yīng)力分別比室溫下降10.4%和7.5%。

纖維主要以簇狀斷裂模式斷裂，300°C下纖維拔出更嚴(yán)重，無效長度增加41.4%。

周圍纖維的應(yīng)力集中顯著降低，基體損傷更加局部化。

復(fù)合材料在室溫和高溫下的實(shí)驗(yàn)與模擬縱向拉伸響應(yīng)。

進(jìn)一步深入分析

高溫下纖維斷裂的機(jī)理

第一根纖維斷裂后，周圍纖維的應(yīng)力重新分布顯著影響縱向拉伸失效過程。

在300°C下，斷裂纖維的無效長度從29μm增加到41μm，主要是由于基體和界面軟化引起的損傷加劇。

首根纖維斷裂后300°C和25°C時的應(yīng)力和損傷。（a） 斷裂纖維的歸一化應(yīng)力

高溫下的漸進(jìn)失效行為

斷裂纖維簇的發(fā)展以及周圍組分材料的損傷積累和擴(kuò)展，導(dǎo)致更大的局部失效區(qū)域。

矩陣軟化和界面損傷阻礙了應(yīng)力傳播，使基體損傷更加局部化。

300°C時斷裂纖維簇的發(fā)展及周圍組分的損傷情況。

結(jié)論

鋁基體和界面的力學(xué)性能隨溫度升高而顯著下降，界面性能退化對復(fù)合材料的力學(xué)性能退化起重要作用。