浅谈纤维增强复合材料与结构的失效机理

材料与结构的失效机理是工程结构设计必备的基本认知之一，对其把握的准确度影响着结构设计的科学性与先进性。纤维增强复合材料作为当代先进工程材料的一大类，广泛应用于航空航天、风电、汽车、船舶、体育和轨道交通等领域（如图1）。在飞机结构设计中，连续长纤维增强复合材料是其中最常用的一种，对其失效机理的研究亦有较长的历史，虽然相关研究还在继续开展，但对其典型的失效机理已经达成了一定的共识。本文针对连续长纤维增强复合材料及其结构在典型应力状态与载荷工况下的失效机理进行简单阐述。

图1 纤维增强复合材料的应用领域

01

纤维增强复合材料的基本构成及其结构的多尺度性

纤维增强复合材料的基本构成有三相：增强相、基体相和界面相（如图2所示）。增强相为纤维材料，主要有玻璃纤维、碳纤维和芳纶纤维等，直径为几微米到几十微米不等；基体相有树脂基体、陶瓷基体和金属基体等，目前树脂基复合材料应用最为广泛，树脂有环氧树脂、双马树脂和聚酰亚胺树脂等类型；界面相为纤维增强复合材料在制造成型过程中，纤维与基体间形成的过渡区，具有纳米以上尺寸的厚度并与基体相和增强相在结构上有着明显差别。在结构受载过程中，纤维承担着主要的载荷，基体将纤维粘接在一起并传递纤维间的载荷，界面相为前二者的纽带与桥梁。

图2 纤维增强复合材料的三相示意图

纤维增强复合材料按照纤维的几何形态还可以分为单向连续纤维增强复合材料、编织连续纤维增强复合材料（可分为2维、2.5维和3维）和随机短切纤维增强复合材料等（如图3所示），其中在纤维和基体相同的情况下，单向连续纤维增强复合材料的层内性能更强，在航空航天等高端装备结构中的应用量也更多，也是本文接下来的主要介绍对象。

图3 不同纤维形态的复合材料示意图

单向连续纤维增强复合材料以厚度为0.05mm~0.3mm的单层板形式按不同的角度交错铺叠，便形成了相应的复合材料层合板（工程中为1mm至几十mm不等的厚度），层合板以不同的几何形式，经装配连接成为典型的复合材料结构（典型尺寸为几百mm至几千mm不等）。从纤维的微米尺度，到单层板的毫米尺度，再到工程复合材料结构的分米、米的尺度，纤维增强复合材料及其结构存在着一定的多尺度性。相应的，如图4所示，可以定义三种空间尺度以便研究：细观尺度、介观尺度和宏观尺度。细观尺度的基本单元为纤维、基体和界面，介观尺度的基本单元为单层板，宏观尺度的基本单元为多向层合板。

图4 纤维增强复合材料及其结构的三种尺度

02

纤维增强复合材料的细观/介观失效机理

在不同空间尺度下，对纤维增强复合材料及其多向层合板结构中典型失效机理的描述也有所不同。细观尺度下，纤维增强复合材料的基本单元为纤维、基体和界面，在不同应力状态下的典型失效模式包括（如图5）：

① 基体粘塑性变形与开裂；

② 纤维-基体界面脱粘；

③ 纤维破坏（拉断或弯折）。

细观失效在本质上为更小尺度的裂纹萌生与扩展，按照断裂力学中的三种断裂模式（张开型、滑剪型和撕剪型）则可以有更多的分类，图5只列出部分情况。由于其尺度较小，相应机理的物理观测也较为困难，尤其是就位的实时观测。

图5 纤维增强复合材料典型细观失效模式（其中，图4a为介观横向拉伸失效，图4b为介观横向剪切失效，图4c 为介观纵向拉伸失效，图4d 为介观纵向压缩失效，即纤维折曲）

各种细观失效模式的不同组合与汇聚便形成了不同的介观失效模式，如图6所示，以单层板和层间为基本单元，纤维增强复合材料层合板的介观失效模式包括：

① 纤维行为主导的纵向拉伸和纵向压缩（纤维折曲）失效；

② 基体行为主导的横向拉伸失效、横向剪切失效和纵向剪切失效（介观基体裂纹）；

③ 相邻异向铺层间的层间失效（分层），包括张开型分层和剪切型分层。

图6 纤维增强复合材料典型介观失效模式

其中，纤维行为主导的纵向拉伸失效包含细观上的基体开裂、纤维-基体界面脱粘（或称纤维拉脱）和纤维拉断。纤维行为主导的纵向压缩失效包含了细观上的基体开裂、纤维-基体界面脱粘和纤维弯折。横向失效则包括纤维间的细观基体开裂和纤维-基体界面脱粘。分层失效包括细观上的层间富脂区的基体开裂和富脂区基体与相邻层中纤维的界面脱粘以及可能的纤维桥联。

另一方面，由于连续纤维增强复合材料特有的细观构造和多向层合板的结构特征，介观尺度的损伤起始后，会按照各自不同的路径进行扩展：①纵向拉伸损伤一般沿垂直纤维方向扩展；②纵向压缩损伤沿着与纤维方向呈一定角度的方向扩展；③横向拉伸和横/纵向剪切均沿着平行于纤维方向的断裂面扩展；④分层损伤则沿着层间界面扩展。

然而，在多向层合板中，各模式损伤的扩展并不是独立的，它们会发生一定程度上的交互耦合（相互竞争和相互促进并存），从而影响整体结构的力学响应。损伤的出现意味着局部材料的刚度退化，这会在结构的内部引起应力集中，并使载荷重新分配，从而影响其他模式损伤的萌生与演化。图7给出了复合材料多向层合板在销钉挤压和面外冲击载荷下损伤交互耦合的例子。

图7 复合材料多向层合板的介观损伤交互耦合：a) 面外冲击, b) 销钉挤压

当累积了足够多的介观失效后，结构中便出现了明显可见的宏观裂纹；随着载荷的进一步增加，宏观裂纹继续扩展，当其发生非稳定扩展时，结构便发生灾难性的整体破坏。不同型式的复合材料结构分别有对应的宏观失效模式分类。本文下一部分将对典型结构在典型载荷下的典型宏观失效及其中的介观失效模式构成进行详细介绍。

03

纤维增强复合材料典型结构的宏观失效机理

无论复合材料结构的失效问题如何复杂，均可由典型结构在典型载荷下的典型失效模式的组合来描述。所以，对于典型结构在典型载荷下的失效机理的研究，有助于分析复杂的实际工程问题以及相应分析模型的建立。本节基于以往研究，总结典型复合材料结构（试样级和元件级）的不同宏观失效模式及其介观失效模式组成，包括开孔板拉/压失效、层合板面外低速冲击和冲击后压缩失效以及机械连接结构失效。当结构中存在其他材料时，如复合材料胶接结构、蜂窝夹芯结构等，其相应的层合板部分的失效模式依然是下文中典型失效模式的组合，同时其整体结构失效模式将叠加其他材料（胶粘剂和蜂窝芯等）的失效模式。

1) 复合材料开孔结构拉/压失效

开孔结构在拉伸载荷下的主要介观失效模式包括：基体行为主导的横向拉伸和纵向剪切失效、层间分层失效和纤维行为主导的纵向拉伸失效。开孔结构在压缩载荷下的主要介观失效模式包括：基体行为主导的横向剪切（主要由宏观的横向压缩触发）和纵向剪切失效、层间分层和纤维行为主导的纵向压缩失效。其中，各模式的介观失效占比由层合板铺层比例和顺序、单层厚度以及几何尺寸决定。图8为典型的开孔结构拉伸宏观失效模式。图9为典型的开孔结构压缩宏观失效模式。

图8 典型开孔结构拉伸失效模式

图9 典型开孔结构压缩失效模式

2) 复合材料层合板面外低速冲击和冲击后压缩失效

层合板在面外低速冲击下的介观失效模式包括基体行为主导的横向拉伸和横向剪切失效、层间分层（多为花生状）和少量的纤维行为主导的纵向压缩（受冲击面）和拉伸失效（冲击背面）。层合板冲击后压缩失效中的主要介观失效模式包括层间分层、纤维行为主导的纵向压缩和基体行为主导的横/纵向剪切失效。其中各式介观失效占比由单层厚度、铺层比例和顺序以及几何尺寸决定。图10为典型面外冲击损伤在截面上的分布示意以及C扫所得分层损伤分布。图11为典型冲击后压缩过程中层合板表面轴向应变变化与沿加载向切面的损伤扩展情况。

图10 典型层合板面外冲击失效模式

图11 典型层合板冲击后压缩失效模式

3) 复合材料机械连接结构失效

不同设计参数下（构型、铺层和几何尺寸等）的复合材料机械连接结构具有复杂多样的宏观失效模式，典型的被连接板破坏包括净截面拉伸/压缩失效、挤压失效、剪切失效、剪豁失效和拉脱失效，此外还有紧固件的破坏，如图12。

净截面拉伸/压缩失效中的介观失效模式与开孔拉伸/压缩失效中的介观失效模式组成类似，但宏观裂纹面位置略有不同；挤压失效模式较为复杂，包括了所有可能的介观失效模式，即纤维行为主导的纵向拉压失效（但压缩为主导模式）、基体行为主导的纵向剪切与横向剪切或者纵向剪切与横向拉伸的混合失效以及层间分层，其中，基体裂纹的断裂面角度较其他情况更为多样；剪切失效模式包括介观的纤维行为主导纵向拉伸失效、基体行为主导的纵向剪切失效和层间分层；剪豁失效模式包括介观的纤维行为主导纵向拉伸失效、基体行为主导的横向拉伸失效和层间分层；拉脱失效模式与面外低速冲击下的介观失效模式组成具有一定的相似性，同样包括基体行为主导的横向拉伸和横向剪切失效、层间分层和少量的纤维行为主导的纵向压缩和拉伸失效。

图12 复合材料机械连接结构典型宏观失效模式示意图

04

纤维增强复合材料的准脆性及其结构失效的尺寸效应

虽然在实际工程应用中，大部分的复合材料结构呈现出脆性破坏的特点（直到失效前的载荷位移曲线依然为线性），但这只是结构在宏观尺度上的表现，若以此为依据，采用单纯的基于应力或应变的失效判据，并结合由单向板测得的材料基本强度来预测结构的整体失效，在某些尺度范围下则会产生与试验偏离较大的结果。

大量的试验研究表明，不论是无缺口或损伤的复合材料结构，还是含有缺口、损伤或明显缺陷的复合材料结构，在保持几何相似的情况下，其名义强度会在一定尺度范围内依赖于其几何尺寸的大小，这就是著名的“尺寸效应” (size effect)。无损件的尺寸效应可以用缺陷分布的随机性来解释，含损伤件的尺寸效应则与材料中裂纹扩展的能量释放有关，可以用断裂力学来解释。本节主要讨论第二种尺寸效应。

然而，单纯基于线弹性断裂力学的预测结果并不总是与试验吻合的，这是因为复合材料是一种工程结构尺度上的准脆性材料。准脆性材料是一种介于脆性材料和韧性材料之间的一种材料分类。图13和图14分别展示了准脆性材料、脆性材料和韧性材料在本构关系、裂纹扩展阻力曲线和损伤扩展区应力分布上的区别。

图13 脆性材料、准脆性材料和韧性材料的典型性质：a) 本构关系, b) 裂纹扩展阻力曲线

图14 脆性材料、准脆性材料和韧性材料的“损伤”扩展区应力分布的区别

理论上，脆性材料在裂纹尖端的应力极大，但实际中总是存在一个很小尺度的塑性区，其最大应力也是有限的；准脆性材料在宏观裂纹尖端存在一个“粘聚区”，也被称作“断裂扩展区”，在这样一个区域内，存在很多的细观裂纹，但因区域内的材料在宏观上未完全分离，故可以继续承担一定的载荷；塑性材料在裂纹尖端存在一个较为均匀的塑性区，塑性区内的应力大致相同。由于准脆性这种分类是有一定尺度范围的（取决于断裂扩展区长度与典型结构尺寸的比例），因而任何脆性材料在足够小的尺度上都可以算作准脆性材料。

鉴于准脆性材料的特殊性，有学者，如Zdeněk P. Bažant等，自上世纪70年代逐步提出了适用于混凝土、岩石和纤维增强复合材料等准脆性材料的尺度律，发展出一套相应的准脆性断裂力学，其理论也得到了大量的试验验证并被广泛应用于相关工程领域。

05

纤维增强复合材料及其结构失效机理的研究展望

综上可见，研究人员对于纤维增强复合材料及其结构失效机理已有较为丰富的研究，但工程中纤维增强复合材料的种类之多、应用之广，以及相关工程领域设计边界的不断拓展，使得对于复杂载荷环境或者相对新型的纤维增强复合材料及其结构失效机理的研究还有很大的空间，包括高强振噪环境、疲劳和雷击等复杂载荷工况下的失效机理、树脂基复材的中温失效机理、各式编织复合材料的失效机理、陶瓷基复材的宽温域多场耦合失效机理以及多功能复合材料的失效机理等等。