温度对对称与非对称玻璃纤维增强聚合物层合板力学性能及变形特性的影响

摘要

本研究探究了对称铺层[0°/90°/90°/0°]与非对称铺层[0°/90°/0°/90°]的玻璃纤维增强聚合物（GFRP）复合材料，在30–150℃温度范围内的拉伸行为、失效机制及变形特性。拉伸测试表明，对称铺层复合材料展现出更优异的力学性能，在高温环境下仍能保持较高的拉伸强度和失效应变。失效模式分析显示，随着温度升高，复合材料会从韧性失效向脆性失效转变，这一现象在非对称铺层中更为显著，同时伴随分层加剧和纤维拔出减少。失效表面观察结果佐证了上述发现，证实对称铺层具有更优的界面结合力和基体完整性。变形分析进一步证实，对称层合板的应变分布更均匀，失效时间更长。在韧性、能量吸收及应变均匀性等所有评价指标中，对称结构的性能均优于非对称结构，凸显了平衡铺层在提升热耐久性方面的关键作用。研究观察到的温度诱导降解及其对力学性能和失效行为的影响，表明GFRP基结构设计需采用温度敏感型策略。

1.简介

航空航天与汽车行业正日益广泛采用轻量化结构。纤维增强聚合物（FRPs）作为一种先进材料选择，相较传统金属替代材料，在属性层面具有显著轻量化优势。其高比强度特性使其成为兼具减重需求与结构可靠性应用场景的理想之选。这类材料还具备优异的振动与噪声阻尼性能，可在提升乘客舒适度的同时降低运行噪声水平；高冲击能量吸收能力通过减轻碰撞损伤增强安全性；出色的抗疲劳性能确保材料在循环应力作用下保持长期耐久性。此外，其抗腐蚀性能可延长严苛环境下构件的使用寿命，这类环境包括极端高低温与高湿度条件，在航空航天领域尤为突出。基于上述特性，FRPs非常适用于制造轻量化、节能且高性能的车辆与航空器。

在众多纤维增强聚合物中，玻璃纤维增强聚合物（GFRPs）凭借其卓越的比强度、抗腐蚀性及设计灵活性，已成为应用科学领域的核心材料。GFRPs由嵌入聚合物基体的玻璃纤维制成，广泛应用于航空、汽车、船舶及土木工程领域。其力学性能（主要是拉伸性能）是决定结构性能的关键因素，且对温度等环境变量高度敏感——温度变化会显著改变材料受载时的响应行为。因此，深入理解温度对GFRPs性能的影响至关重要，这不仅能提升材料设计的可行性，还能增强其实际工程应用中的可靠性。

已有大量研究者针对不同环境条件下GFRPs的力学行为展开广泛研究。例如，Torabizadeh等人通过改变温度（25℃、-20℃和-60℃），研究了单向（UD）GFRP复合材料的拉伸、压缩及面内剪切强度。实验表明，温度降低会显著影响复合材料的失效模式；在所有加载模式下，材料强度与模量随测试温度降低而提升，但失效应变则随之下降。Piyush等人考察了GFRP复合材料在25℃、50℃和80℃恒定载荷下的拉伸与压缩蠕变响应：25℃时，复合材料在蠕变载荷下会产生持续应变；而在较高温度下，当应力达到极限应力的80%时，材料会在1小时内发生失效。Hawileh等人研究了碳、玻璃及碳-玻璃混杂层合板在高达300℃温度下的拉伸强度与弹性模量：温度保持45分钟后冷却24小时，碳、玻璃及碳-玻璃板材的弹性模量分别下降28%、26%和9%，拉伸强度分别下降42%、31%和35%；失效模式分析显示，100-150℃范围内以脆性断裂为主，而200-250℃范围内则主要表现为环氧树脂流失与纤维分裂。Hamad等人探究了高温（最高450℃）对玄武岩纤维增强聚合物（BFRPs）、碳纤维增强聚合物（CFRPs）和GFRP筋力学性能及其与混凝土粘结特性的影响：450℃时GFRP和BFRP完全熔融，拉伸强度丧失殆尽；325℃时CFRP筋的拉伸强度与弹性模量分别下降约55%和30%，且与混凝土的界面粘结强度下降约81.5%，研究还提出了预测加热粘结应力-滑移曲线的经验模型，与实验结果高度吻合。Ashrafi等人研究了直径为4mm、6mm、8mm和10mm的GFRP和CFRP筋在最高450℃高温下的拉伸性能：450℃时FRP筋拉伸强度损失约50%-70%，且大直径筋在高温环境下保留的拉伸强度高于小直径筋。Hamzeh等人[15]在25%-70%拉伸强度加载条件下，评估了25℃-500℃不同温度对GFRP筋拉伸强度的影响，发现GFRP筋在高达400℃时仍能保持原始拉伸强度25%的设计使用应力水平，因此该温度可视为设计临界温度。Milad等人研究了拉挤成型GFRP结构件在恶劣环境（如不同温度海水、干湿循环及酸碱溶液）下的长期力学行为，结果表明试样浸泡在碱性溶液中会导致力学强度显著下降，而海水温度升高会加剧强度损失。AllanManalo等人通过最高200℃下的三点静态弯曲试验，研究了GFRP复合材料在纵向与横向的温度依赖性力学性能，发现试样横向剪切模量随温度升高而降低。

纤维取向与GFRP层合板的铺层顺序同样会影响其力学性能。Landesmann等人对GFRP结构件进行了详细的拉伸、压缩、弯曲、销钉承载及层间剪切变形力学分析，证实GFRP可作为结构构件使用。YunfuOu等人[19]采用伺服液压高速试验机，研究了应变率（25、50、100和200s⁻¹）和温度（-25、0、25、50、75和100℃）对单向GFRP力学性能与失效模式的影响；分别在40、80、120和160s⁻¹应变率及25、50、75和100℃温度下对玻璃纱进行测试，并采用威布尔统计模型评估应力-应变行为及拉伸强度变异性，为工程应用提供参考。Shaohua等人研究了单轴拉伸载荷下，纤维角度在0°-90°范围内的拉挤GFRP试样纤维取向对拉伸强度与弹性模量的影响，通过文献结果验证了预测偏轴性能的广义汉金森公式，使其可用于拉挤GFRP结构设计指南。H.W.Wang等人通过解析、数值与实验方法，研究了风电应用中单向GFRP复合材料的杨氏模量，考虑了0°-90°纤维取向角，发现杨氏模量随纤维倾斜角度与玻璃体积分数变化；通过ABAQUS有限元模拟，揭示了剪切模量对刚度的贡献，为优化GFRP微观结构提供了设计指导。Rizal等人研究了输电塔横担用拉挤玻璃纤维增强聚合物（p-GFRP）复合材料的长期性能与耐久性，重点分析纤维层铺层顺序的影响；在四点弯曲模式下对五种不同铺层顺序的试样进行准静态与蠕变测试，发现[0°/45°/0°/-45°/0°/-45°/0°/45°/0°]九层铺层结构表现最优，具有最高极限弯曲强度、低蠕变挠度及高弹性与表观蠕变模量，适用于长期结构应用。VirenModi等人综述了采用双向平纹玻璃织物、不同铺层顺序制备的多向GFRP层合板的层间剪切强度（ILSS）性能；按照ASTMD2344-16标准，以1mm/s应变率对[0°/(0°)₂/0°]S、[0°/(15°)₂/0°]S、[0°/(30°)₂/0°]S、[0°/(60°)₂/0°]S和[0°/(75°)₂/0°]S五种层合板进行ILSS测试，结果表明ILSS随铺层角度变化，0°铺层层合板ILSS最低，60°铺层层合板ILSS最高。

深入回顾现有研究发现，GFRP虽表现出优异的力学性能，但针对不同铺层顺序与温度条件下其失效模式及拉伸性能变化的研究仍较为匮乏。尽管温度与铺层顺序的独立影响研究已取得一定进展，但鲜有研究从交互作用视角探讨二者对GFRP拉伸行为的综合影响，不同铺层顺序GFRP的温度依赖性行为尚未得到详细探究。明确这些研究缺口，对于开发面向温度敏感应用的高性能GFRP产品至关重要。本研究旨在探究铺层顺序与温度条件对GFRP力学性能的影响，通过在室温（RT）与高温（50℃、100℃和150℃）下对对称与非对称GFRP复合材料进行拉伸测试，弥补现有研究不足。考虑到已有研究表明环氧树脂A45的玻璃化转变温度为105℃，本研究最高测试温度限定为150℃。采用数字图像相关法（DIC）测量全场应变与位移数据，以详细分析变形模式与失效模式；通过扫描电子显微镜（SEM）深入观察失效试样的微观结构特征，揭示失效模式与温度及铺层顺序的关联机制。通过整合这些研究方法，本研究致力于阐明GFRP的温度依赖性拉伸性能，为面向高强度温度敏感应用的复合材料定制提供有价值的参考，助力耐热复合材料的发展，并为联合国可持续发展目标提供支持——尤其是通过优化耐受力材料系统、延长使用寿命、提升资源效率，以及推广应对气候挑战的可持续材料选择。

2.材料与方法

本研究聚焦于探究温度对对称与非对称玻璃纤维增强聚合物（GFRP）层合板拉伸性能的影响。实验所用层合板通过玻璃纤维预浸料铺叠制备而成。该GFRP预浸料由单向E-玻璃纤维（密度2.52g/cm³）与A45环氧树脂体系（密度1.15g/cm³）组成，采购自印度纳西克市博尔化学塑料私人有限公司（BhorChemicalsandPlasticsPvt.Ltd.）。其中，E-玻璃纤维的弹性模量为80GPa，A45环氧树脂的弹性模量为3.1GPa；预浸料中纤维与基体的体积分数分别设定为65%和35%。

层合板采用手糊成型工艺制备，随后经高压釜（印度孟买UniqueChemoplantEquipment公司生产）固化处理，具体流程为将预浸料片材在金属模具内按设定方式铺叠。本研究中，4层层合板设计两种铺层顺序：对称结构[0°/90°/90°/0°]与非对称结构[0°/90°/0°/90°]。层合板制备步骤如下：先向模具表面喷涂脱模剂，再按预设铺层顺序铺设250×250mm规格的预浸料单层，之后依次覆盖剥离层与透气毡。铺叠完成后，采用真空袋封装技术对层合板进行压实处理，并放入高压釜中进行固化（如图1所示）。根据供应商提供的技术参数，层合板固化过程分为两个阶段，具体固化周期如图2所示：升温阶段中，第一阶段与第二阶段的升温速率分别稳定控制为2℃/min和1℃/min；第二阶段保温结束后，以1℃/min的速率将层合板冷却至80℃，随后在高压釜内自然冷却至室温。

图1高压釜内试样制备过程

图2预浸料双阶段固化周期

层合板制备完成后，依据ASTMD638标准，在印度科钦市Stonemax水刀切割中心采用水射流加工技术制备哑铃型拉伸试样。试样的示意图与实物照片如图3所示。拉伸试样的标距长度为80mm，宽度为12.29±0.13mm，厚度为1.21±0.22mm。

图3拉伸试样几何形状及尺寸

对称与非对称层合板的物理性能、试样尺寸及测试条件详见表1。

3.结果与讨论

本研究针对温度影响下对称与非对称GFRP层合板的拉伸特性展开测试分析，重点探究温度对材料杨氏模量、失效应变、失效应力及失效行为的作用规律。后续章节将依次探讨两种铺层结构GFRP层合板的应力-应变行为、杨氏模量变化规律、失效模式、基于数字图像相关法（DIC）的应变映射特征及失效表面形貌。

3.1应力-应变行为

为明确拉伸载荷作用下的变形特性，对不同铺层顺序层合板的应力-应变响应进行测试分析，结果如图4a、b所示。由图4a可见，室温条件下，对称铺层结构的失效应变与失效应力显著高于非对称铺层结构。随着温度升高，两种铺层结构的应力-应变性能均呈现强度与刚度下降趋势，但任意温度下对称铺层结构的应力-应变行为均优于非对称铺层，体现出更优的热稳定性。两种铺层结构的失效应力（材料发生任何形式失效时对应的应力值）均随温度升高而降低，表明其承载能力随温度上升逐渐衰减。

表2列出了对称与非对称层合板力学性能随温度的变化规律。由表2可知，室温下对称与非对称铺层的失效应力较为接近，分别为286.29±39.64MPa和284.72±28.38MPa；而在150℃时，对称结构的失效应力降至220.31±19.63MPa，略高于非对称结构的217.97±27.34MPa。值得注意的是，所有温度条件下，对称铺层的失效应力离散性均低于非对称铺层，表明对称铺层具有更均匀、稳定的力学性能。应力-应变曲线（图4）同样呈现这一趋势：全温度范围内，对称结构始终表现出更优的响应特性，不仅失效应变更高，强度也略占优势。高温环境下（尤其150℃时），试样峰值应力后的应力下降幅度显著增大，表明温度升高会导致材料失效模式向脆性断裂转变。

图4不同温度下（a）对称与（b）非对称铺层顺序的应力-应变曲线

表2不同温度下对称与非对称GFRP层合板的力学性能

失效应变是表征材料延展性的关键指标，其数值随温度与铺层结构变化而改变。由表2可知，室温下对称铺层结构的失效应变为0.0434mm/mm，升温至100℃时增至0.0463mm/mm，表明高温环境下材料延展性有所提升。非对称铺层结构室温失效应变为0.0345mm/mm，100℃时升至0.0422mm/mm；150℃时，对称结构失效应变为0.0427mm/mm，显著高于非对称结构的0.0354mm/mm。这一结果表明，对称铺层结构在高温载荷作用下具有更强的抗变形能力，其在较高温度下表现出的优异延展性，使其在抗变形要求严苛的应用场景中更具性能优势。

拐点（即基体失效起始点，如开裂）通过OriginLab软件采用双线性拟合方法，从应力-应变曲线（图4a、b）中确定。对称与非对称层合板的拐点应变及应力数据如表3所示。室温测试条件下，对称层合板的拐点对应应变0.0260、应力171.77MPa；而非对称层合板的拐点为应变0.0207、应力170.83MPa，这一现象表明非对称铺层因结构不平衡导致基体过早失效。当温度升至150℃时，对称层合板拐点应变与应力降至0.0256、132.19MPa，非对称层合板降至0.0212、130.78MPa，体现出基体软化特征。所有测试条件下，对称层合板均表现出更高的拐点应变，表明其对基体初始失效的抵抗能力更强，尤其在高温环境下更为显著。

表3对称与非对称GFRP层合板的拐点应变及应力

3.2杨氏模量

图5展示了两种铺层顺序下杨氏模量随温度的变化规律，凸显了对称结构在高温环境下的刚度稳定性优势。杨氏模量作为表征材料刚度的核心指标，两种铺层结构的模量均随温度升高而降低，这一现象反映了基体的热软化效应。室温测试结果显示，对称与非对称铺层的杨氏模量数值较为接近，分别为12.45±0.93GPa和12.44±0.67GPa。当温度升至150℃时，对称铺层试样的杨氏模量降至9.67±0.29GPa，非对称铺层试样则降至9.76±0.97GPa。此外，全温度范围内对称铺层的杨氏模量标准差更小，尤其在150℃时（对称结构0.29GPa，非对称结构0.97GPa），表明其刚度随温度变化的稳定性略优于非对称铺层。

图5对称与非对称铺层顺序下杨氏模量随温度的变化规律

3.3层合板的失效模式

对对称与非对称铺层顺序的GFRP复合材料进行全温度区间（室温、50℃、100℃、150℃）拉伸测试，发现其呈现出独特的失效特征，具体可通过图6a–h中的断裂试样形貌观察。

对于对称层合板，室温环境下（图6a）试样出现大量纤维拔出现象，突出的长纤维表明材料通过纤维-基体逐步脱粘过程吸收了大量能量。这种失效行为源于平衡结构使0°与90°铺层均匀承受拉应力，从而延缓突发性整体失效。升温至50℃时（图6b），试样失效模式转变为纤维分裂与拔出并存，且拔出长度缩短，这一变化源于基体软化，标志着温度开始对界面结合性能产生影响。当温度达到100℃和150℃时（图6c、d），由于基体在接近玻璃化转变温度（Tg，100–150℃）时发生显著软化，试样纤维拔出量极少，断裂面更整洁，呈现典型脆性断裂特征。玻璃化转变温度是决定热固性聚合物复合材料力学性能的关键参数，本研究未直接测试所制备层合板的Tg，但Shah等人[24]通过差示扫描量热法（DSC）对相同环氧树脂体系（A45环氧树脂）的分析显示，其基体Tg约为105℃。当测试温度超过Tg时，环氧树脂分子活动性增强，基体软化导致载荷传递效率下降，同时高温会降低纤维/基体界面强度，引发并加速界面微裂纹形成。这种纤维-基体界面劣化最终导致材料从韧性失效向脆性失效转变，150℃时分层现象尤为显著，表明基体承载能力随温度升高呈依赖性衰减。

对于非对称层合板，室温条件下（图6e）试样仅出现中度纤维拔出，程度明显弱于对称结构，这是由于非镜像铺层顺序导致应力分布不均，失效起始更具突发性。50℃时（图6f），试样以纤维分裂为主，纤维拔出量极少，反映出非平衡结构中基体过早软化且界面结合力下降。100℃和150℃环境下，试样表现为脆性变形特征，纤维拔出量微乎其微——软化的基体丧失了对纤维的有效约束作用，导致严重分层及平整的断裂面（图6g、h）。铺层不对称性易引发局部损伤，且该现象随温度升高进一步加剧，结构不对称性会加速应力累积与基体失效进程。

对称平衡型玻璃/环氧树脂层合板具有更优异的力学性能，其设计消除了弯曲-拉伸耦合效应，使应力沿厚度方向分布更均匀，延缓逐层失效；同时可降低边缘层间应力，减少分层及相关强度损失风险。此外，镜像铺层设计确保各层间载荷分配更均匀，刚度稳定性更高，而平衡结构支持损伤逐步且可预测地发展，提升层合板整体韧性与可靠性[34–36]。这些失效模式充分体现了铺层顺序与温度对GFRP复合材料性能的协同影响：低温度区间，对称铺层凭借均衡应力分布，展现出更显著的纤维拔出效应与能量吸收能力；非对称铺层则因结构失衡，失效更突然且集中。随着温度升高，两种铺层结构的纤维拔出量均减少，基体劣化加剧（尤其100℃以上玻璃化转变效应占主导时），失效模式向脆性转变。

图6试样失效形貌：（a）对称铺层（室温）、（b）对称铺层（50℃）、（c）对称铺层（100℃）、（d）对称铺层（150℃）、（e）非对称铺层（室温）、（f）非对称铺层（50℃）、（g）非对称铺层（100℃）、（h）非对称铺层（150℃）

3.4基于数字图像相关法（DIC）的应变映射分析

为研究拉伸载荷作用下的应变分布特征，对室温环境下对称与非对称铺层的层合板开展数字图像相关法（DIC）分析。图7a为对称铺层试样测试前的初始状态；图7b为加载初期的应变映射图像，显示加载早期试样整体应变呈分散性分布特征。图7c为试样即将失效前的DIC应变映射结果，可见夹持端附近存在易失效区域，该区域是失效前裂纹萌生的起始位置。DIC分析数据表明，试样标距长度范围内应变分布相对均匀，最小应变为0.0086，最大应变为0.0280。应变映射图像显示，断裂位置附近存在局部高应变区域，这与扫描电子显微镜（SEM）分析中观察到的广泛纤维拔出及基体开裂现象高度相关。铺层对称性使应变梯度变化平缓，体现出有效的载荷分配与能量耗散能力，这与室温下对称铺层呈现的韧性失效模式相符。如已有研究报道所述，铺层界面处可能存在局部应变集中现象及轻微分层。

图7基于数字图像相关法（DIC）测得的应变数据：（a）对称铺层测试试样、（b）加载启动时的应变映射图、（c）试样失效前的应变映射图

对于非对称铺层试样，图8a、b分别为测试前的初始状态及加载启动时的应变映射图像，图8c为试样即将失效前的应变映射图像。与对称铺层相比，非对称铺层试样的应变分布整体呈现显著不均匀性。DIC测试数据显示，其应变分布离散性更强，最小应变为0.0027，最大应变为0.0302。应变映射图像显示，断裂位置附近存在明显的局部高应变区域，这与扫描电子显微镜（SEM）观察到的中度纤维拔出及局部基体开裂现象相符，表明应力集中易引发突发性失效。这种非均匀应变分布特征反映出非对称铺层的载荷分配效率下降，导致其在室温下更易表现出脆性失效行为，且铺层界面处的应变集中会进一步加剧损伤扩展进程。

图8基于数字图像相关法（DIC）测得的应变数据：（a）非对称铺层测试试样、（b）加载启动时的应变映射图、（c）试样失效前的应变映射图

DIC测试结果综合分析

DIC测试结果证实，对称铺层在应变均匀性方面显著优于非对称铺层。对称铺层的平衡结构使其能够实现更均匀的变形，进而提升材料韧性；而非对称铺层的结构不对称性会导致局部应变峰值出现，易引发过早失效。在标距长度250mm、十字头速度2mm/min的测试条件下，从应力-应变曲线测得的失效时间数据显示：对称铺层失效时间为314.25s（5分钟14.25秒），非对称铺层为261.75s（4分钟21.75秒）。非对称铺层因前期存在应变局部化现象且承载能力下降，率先发生失效。

图9和图10分别为对称与非对称铺层试样的横向应变与纵向应变关系曲线。泊松比通过实验数据线性拟合得到的斜率计算得出，其中对称铺层试样的泊松比为0.16，非对称铺层试样为0.14。

图9对称铺层试样横向应变与纵向应变关系曲线（含泊松比表征）

图10非对称铺层试样横向应变与纵向应变关系曲线（含泊松比表征）

3.5失效表面形貌

通过扫描电子显微镜（SEM）观察室温下拉伸断裂后对称与非对称铺层试样的失效表面形貌，结果分别如图11a、b所示。对于对称铺层，SEM显微图像（图11a）显示存在广泛的纤维拔出特征，在基体中可观察到大量延伸的长纤维，且纤维与基体呈逐步脱粘状态。对称铺层中0°与90°铺层平面的均匀分布实现了均衡的应力传递，最终形成粗糙的断裂表面，可见基体开裂及纤维-基体界面分离现象。以暴露纤维长度为特征的能量吸收型拔出机制，表明室温下对称铺层的纤维-基体界面结合牢固。

图11拉伸失效表面形貌：（a）对称铺层试样、（b）非对称铺层试样

非对称铺层的失效表面（图11b）显示存在明显纤维拔出，但纤维长度较对称铺层更短，且断裂表面粗糙度更高。非对称铺层顺序导致应力分布不均，引发基体开裂及剧烈的界面失效局部化，这一现象可通过图6e得到佐证。较短的纤维拔出长度表明纤维-基体界面结合性能较差，根源在于铺层不对称性加剧了铺层界面处的应力集中。试样表面偶见基体碎屑及纤维分裂现象，结合其局部损伤倾向可知，非对称铺层在失效过程中能量释放更为剧烈。

对比SEM图像可见，对称铺层因应力状态均衡，表现为更典型的韧性失效模式，纤维拔出长度更长且界面脱粘过程平缓，利于室温下吸收更多能量；而非对称铺层受结构失衡影响，应力集中现象加剧，呈现脆性失效特征，纤维拔出长度较短且伴随局部损伤。这些微观结构差异与宏观拉伸测试结果一致：对称试样（图6a）在能量耗散能力上显著优于非对称试样（图6e）。结果表明，室温使用场景下，对称铺层可通过提升韧性成为最优选择。SEM显微观察结果提示，非对称结构可能需要通过增强处理或重新设计以避免过早失效，为GFRP复合材料的性能改进与设计优化提供了重要方向。