高性能玻璃纖維增強樹脂基復合材料拉-壓疲勞行為

馬 丹 方允偉 王佳慶 王玉梅 徐 琪

(中材科技股份有限公司，南京玻璃纖維研究設計院，南京 210012)

文 摘 對LTX1240玻璃纖維/環氧復合材料開展拉-壓疲勞試驗，繪制S-N曲線進行疲勞壽命預測，利用掃描電鏡觀察疲勞試樣斷口形貌，分析其在拉-壓循環載荷作用下的失效模式。結果表明：LTX1240玻璃纖維增強環氧樹脂基復合材料的條件疲勞極限為278 MPa；失效過程為樹脂基體最先破壞，接著界面分層乃至纖維拉伸、剪切破壞，它們相互作用形成了彌散損傷區并據此擴展發生材料斷裂。

0 引言

纖維樹脂基復合材料(FRP)具有比強度高、比模量大、可設計性強和耐疲勞性能好的特點，近幾十年來廣泛用于航空、航天、交通等諸多領域[1]。在工程應用中，諸如旋翼機部件、風電葉片等高周疲勞結構，疲勞損傷導致的斷裂是結構破壞的重要原因之一。由于復合材料獨特的疲勞行為(門檻值高、數據分散性大和多種疲勞損傷機理)，金屬結構的疲勞可靠性分析與設計方法已經不能用于復合材料結構。已有諸多文獻從試驗和理論的角度對此進行了研究，包括玻璃纖維和碳纖維在內的纖維增強樹脂基層合板拉-拉、含孔拉-壓、彎曲試驗研究[2-6]，利用S-N曲線理論[7]和疲勞剩余強度、剩余剛度等理論[8-15]對纖維樹脂基復合材料疲勞損壞進行失效分析，探索其疲勞損傷模型，對疲勞壽命進行預測，積累了一定的試驗數據，取得了一定進展。目前國外ASTM D3479規定了纖維增強樹脂基復合材料拉-拉疲勞性能的測試方法，國內僅有GJB 2637—1996中闡述了碳纖維樹脂基復合材料拉-壓疲勞試驗方法的具體內容，但該標準發表距今20余年，不可避免的出現滯后性、不適用性。一般而言，對復合材料更危險的是壓-壓疲勞和拉-壓疲勞，研究規范的、適用的纖維增強樹脂基復合材料拉-壓疲勞試驗方法迫在眉睫。

本文以LTX1240單向玻璃纖維增強環氧樹脂復合材料層合板為對象，模擬風電葉片受力狀況，重點研究了其拉-壓疲勞性能并預測疲勞壽命，對破壞斷口進行失效分析，為工程應用提供技術支持。

1 實驗

1.1 材料和儀器

復合材料體系是以歐文斯科寧公司生產的LTX1240 H-Glass單向玻璃纖維布為增強纖維，道生天合材料科技(上海)有限公司生產的Techstorm 180/185真空灌注用環氧樹脂為樹脂基體。

拉-壓疲勞試驗在電液伺服疲勞試驗機上進行，設備為MTS公司生產的MTS 570.10疲勞試驗機，其動態載荷量程為100 kN，載荷示值準確度等級為0.5級(圖1)。

疲勞試樣破壞斷口形貌通過場發射掃描電子顯微鏡進行微觀成像，設備為德國ZEISS公司生產的SIGMA 300。

圖1 電液伺服疲勞試驗機Fig.1 Electro-hydraulic servo fatigue testing machine

1.2 試樣制備

圖2 復合材料拉-壓疲勞試樣尺寸和形狀Fig.2 Shape and size of tension-compression fatigue specimen of composites

采用真空灌注成型工藝制備玻璃纖維單向層合板，根據設計要求以[0°/0°/0°/0°]s方式對稱鋪設8層，名義厚度為7 mm，單向板拉伸強度為1 250 MPa，纖維質量含量為74.0%。層合板預成型后進行75℃，7 h后固化處理，使用數控機床進行精確切割至測試樣條，復合材料拉-壓疲勞試樣的尺寸和形狀見圖2。選用這種雙曲面啞鈴型試樣，可確保疲勞破壞位置在試樣中部最薄弱區域，有效提高試驗成功率，另外相對于試樣中段其他區域可視為加強區，可有效降低試樣在拉-壓交變循環載荷下發生屈曲失穩的現象。

1.3 測試

本文中拉-壓疲勞試驗應力比R=-1，測試頻率3 Hz，波形為正弦波。為了防止試樣在拉-壓交變載荷下屈曲失穩，設計加工了防失穩裝置，可有效保障實驗的順利進行。

2 結果與討論

2.1 不同應力水平下復合材料的疲勞壽命

本文依據德國勞氏船級社(DNV-GL)規范要求選擇N1=104、N2=105、N3=5×105、N4=2×1064組參數為目標疲勞壽命，獲得S-N曲線。

按照試驗方案，依次進行了層合板靜拉強度平均值的24%～37%應力水平范圍內的復合材料拉-壓疲勞試驗，在該應力水平范圍內，可達到N1～N44組預期疲勞壽命。一般而言，對于纖維增強樹脂基復合材料，疲勞試驗頻率不應使試樣溫升大于2.8℃，通常選用足夠低的頻率來避免試樣發熱，因為這種發熱可能導致熱引起的破壞。本文選用的試驗參數及拉-壓疲勞試驗數據見表1。

表1 不同應力水平下復合材料單向板拉-壓疲勞試驗結果1)Tab.1 Tension-compression fatigue test results of compositeunidirectional plates under different stress levels

注：1)應力比R=-1，測試頻率3 Hz。

從表1看出，隨著應力水平不斷增大，該玻纖增強復合材料疲勞壽命不斷降低，應力水平低于26%，即應力幅低于325 MPa時，材料極限疲勞循環周次超過100萬次，疲勞壽命較長。而當應力水平高于37%，即應力幅高于462.5 MPa時，材料極限疲勞循環周次僅為5 000多次，疲勞壽命急劇下降，復合材料在半小時甚至幾分鐘內被破壞。應力水平為24%，即應力幅為300 MPa時，該復合材料拉-壓疲勞循環周次已達到300萬次，試驗用時超過285 h，疲勞壽命較長，考慮試驗周期和成本，停止了試驗。

通過對表1中試驗數據擬合，獲得S-N曲線(圖3)，其中m=13.2，及相關線性擬合方程式[式(3)式(4)]。

圖3 S-N曲線Fig.3 S-N curve

本文采用線性擬合的對數形式進行S-N曲線的擬合，其數學表達式(1)為：

lgσ0=a-blgN

(1)

式中，σ0為最大應力；a為復合材料靜強度；b為線性擬合曲線斜率；N為疲勞循環周次。

線性擬合曲線斜率指數表達式為：

(2)

線性擬合曲線方程式(3)和指數曲線方程式(4)如下：

Y=2.974-0.07571X

(3)

y=941.9x-0.07571

(4)

據此我們可對玻璃纖維增強樹脂基復合材料層合板進行拉-壓疲勞壽命預測，獲得疲勞壽命為107次時的應力幅為278 MPa，最大應力值為278 MPa。

在復合材料領域，一般認為在規定的某一應力水平下，循環周次達到107次材料不發生疲勞破壞的最大應力值稱為條件疲勞極限。因此，本文得出，最大應力值為278 MPa為該玻纖增強復合材料在拉-壓交變載荷下的條件疲勞極限。

2.2 拉-壓疲勞失效分析

玻璃纖維增強樹脂基復合材料由多種組分材料組成，其結構上的各向異性導致復合材料的疲勞損傷機理遠比金屬材料復雜。相關試驗研究表明：在一般環境下，疲勞損傷能在復合材料任何一種材料中、和/或沿任何一個材料的界面起始和擴展，在此過程中產生了纖維斷裂、界面脫膠、基體裂紋、界面剪切斷裂(圖4)以及由它們相互作用而形成的諸多破壞模式[16]。隨著循環載荷的不斷作用，疲勞損傷是一個不斷累積的過程，當累積到一定程度，復合材料將發生破壞失效。對于單向復合材料，必須考慮在平行于纖維方向受軸壓時的強度破壞和穩定性破壞，其中纖維的小波長的微失穩引起的微屈曲是人們提出的一種分析軸壓破壞的機理[17]。已經證實，復合材料在常幅疲勞情況下最嚴重的加載情況是拉-壓交變循環載荷，其中對壓縮為主的疲勞載荷最敏感。

圖4 復合材料單向板疲勞損壞機理Fig.4 Fatigue failure mechanism of compositeunidirectional plate

從圖5中看出斷口形貌，呈現出多種失效形式。

圖5 玻璃纖維增強復合材料拉-壓疲勞試樣斷口形貌Fig.5 Fracture appearance of tension-compression fatigue specimen of GFRP

(1)首先從斷口整體看[圖5(a)]，纖維與基體以區域形式整體形成，我們稱之為損傷區，在每一個損傷區內斷口近乎平整，區域之間發生裂紋、分層。這是因為隨著拉-壓循環載荷不斷加載，一旦疲勞損傷起始，通過應變能釋放來驅動它的擴展形成新的表面，然而由于有很多損傷模式，且沒有起控制作用的能量釋放機理，所以沒有明確的損傷擴展路徑，復合材料中的疲勞損傷擴展常常以漸進損傷區的形式推進。

(2)其次從圖5(b)(c)觀察損傷區內，存在樹脂基體斷裂、被壓碎，界面分層以及纖維拉伸斷裂、剪切斷裂等綜合現象。造成這種現象的原因可能是，相對于玻璃纖維強度較弱的樹脂基體在拉-壓疲勞循環載荷作用下，首先產生裂紋并逐漸被壓碎，形成了平整的斷口樹脂形貌。樹脂基體裂紋不斷擴展，玻璃纖維與樹脂基體之間的界面強度被不斷削弱，同時在拉-壓循環載荷下，纖維軸向壓縮周期性屈曲，纖維-基體界面剪應力不斷擴大，直到纖維從樹脂基體中完全分離，形成界面分層。

(3)玻璃纖維強度具有非均勻性的特點，在損傷區內各個纖維不會同時斷裂，在加載過程中最先斷裂的纖維將干擾斷裂附近的應力場，引起高的纖維-基體界面剪應力，剪應力通過界面傳遞載荷，又引起相鄰未斷裂纖維產生應力集中，這種斷裂可能拉伸破壞也可能是壓縮破壞[圖5(c)]。隨著循環周次的增加，載荷被不斷的重新分布到未破壞的纖維，即疲勞損壞以漸進損傷區的形式推進，加重了應力集中程度。當纖維損傷密度加大到一定程度，復合材料剩余強度與外界應力幅相近時，材料發生斷裂，也就是所謂的“突然死亡”行為[18]。

可以推測，所有這些影響都將在材料破壞之前發生，即局部損傷將沿著纖維方向和垂直于纖維方向擴展，在復合材料內部不同點產生斷裂并增長。隨即產生一個累積的彌散損傷區，直至這個區的損傷累積數足夠多，相互影響產生了弱表面時，就引起復合材料拉-壓疲勞破壞。

3 結論

(1)本文在不同應力水平下對LTX1240玻璃纖維/環氧復合材料進行拉-壓疲勞試驗，通過對試驗數據擬合分析，獲得了S-N曲線，得到了該復合材料的條件疲勞極限為278 MPa；在施加最大應力值為325 MPa時，該玻纖增強復合材料拉-壓疲勞壽命較長。

(2)通過掃描電鏡觀察了拉-壓疲勞試樣的斷口形貌，分析了其失效過程為樹脂基體最先發生斷裂、被壓碎，接著界面分層乃至纖維拉伸斷裂、剪切斷裂，它們相互作用形成了彌散損傷區并據此擴展發生材料斷裂。