不同铺层顺序的碳纤维增强聚合物层压板的缺口敏感性

摘要：复合材料传统上应用于航空航天领域，可满足严苛的服役条件。近年来，其应用已大幅拓展至风能、船舶制造和汽车工业等其他工程领域。复合材料结构设计常存在几何不连续特征，如检修开孔或机械连接用紧固件孔，这类结构在载荷作用下通常成为关键区域。因此，缺口引发的应力集中是主要关注点，因其会导致复合材料强度较无缺口层压板显著降低。故而，全面理解缺口试样的力学行为对于复杂复合材料组件的设计至关重要，这类组件通常采用螺栓和铆钉进行连接。本研究旨在通过对比分析无缺口与开孔试样，探究不同铺层顺序的碳纤维增强聚合物（CFRP）层压板的拉伸响应与缺口敏感性。试样中心开设圆形孔，以模拟工程结构中常见的几何不连续特征，从而详细评估应力集中效应。实验结果表明，单向层压板对缺口最为敏感；而多向层压板中，准各向同性构型的强度下降最显著，接近50%。此外，采用点应力准则（PSC）和平均应力准则（ASC）计算试样的特征长度，结果显示不同铺层构型的特征长度存在显著差异。总体而言，研究结果凸显铺层顺序对缺口碳纤维增强聚合物层压板力学响应的显著影响，并强调需进一步完善现有失效准则，以适配新型层压板结构，包括布利利冈型螺旋仿生铺层构型。

1 引言

现代工业对先进复合材料结构的需求持续增长，这类材料相较传统工程材料优势显著，尤其适用于要求高比强度与高比模量的应用场景。因此，复合材料现已广泛应用于航空航天、运动器材、压力容器和汽车零部件等领域。值得注意的是，波音787和空客A350等新一代民用大型运输机，已在机身主承力结构中大量采用复合材料。

复合材料结构设计常包含几何不连续部位，如装配用开孔与紧固件孔，在机械载荷下这些部位通常成为关键区域。碳纤维增强聚合物（CFRP）层压板用于高性能结构件，要求全面掌握其力学行为，尤其是开孔状态下的行为。实际上，复合材料的缺口强度一直是研究重点，众多研究探究了缺口碳纤维增强聚合物层压板在拉伸与压缩载荷下的行为。缺口存在会导致强度较无缺口层压板大幅降低，显著影响复合材料结构的破坏。层压板的强度下降与缺口敏感性受多种因素影响，包括铺层顺序、缺口尺寸与几何形状、单层与层压板厚度。此外，缺口存在时，载荷作用下的损伤与失效机制更为复杂，产生无缺口层压板中不存在的应力与应变梯度。

已有研究表明，缺口强度强烈依赖缺口尖端的损伤类型，包括偏轴层基体开裂、分层与0°层轴向劈裂，最终发生失效。层间损伤（如分层）通常会降低缺口强度，因为各单层可沿阻力最小的断裂模式独立失效。相反，若层间结合保持完好，缺口尖端的层内损伤可通过改变缺口几何形状释放局部应力，有可能提高缺口强度。因此，铺层顺序的影响至关重要，纤维取向与铺层位置均显著影响缺口强度。尤其是与加载方向一致的0°层，可通过形成轴向劈裂有效降低缺口尖端应力集中，从而提高缺口强度并延迟最终失效。

已有多种贯穿厚度不连续形式用于评估碳纤维增强聚合物层压板的缺口行为，包括中心裂纹、双边缺口和开孔构型。其中，开孔层压板已成为测定碳纤维增强聚合物层压板缺口强度的行业标准。然而，实验结果对测试条件高度敏感，受众所周知的缺口尺寸效应与层压板铺层等因素影响。因此，碳纤维增强聚合物层压板在拉伸载荷下的力学性能，由缺口、孔洞等应力集中因素与层压板铺层顺序、纤维结构之间的相互作用决定。缺口敏感性定义为几何不连续导致的强度降低程度，对结构设计与预测建模尤为重要。

本研究整合刚度下降定性趋势、特征长度估算、缺口敏感性规律与观测失效机制。通过对比纤维主导型与基体主导型层压板，建立铺层顺序、失效模式与开孔强度之间的普适性关系，突破单一构型研究的局限。上述要素、连贯的多层压板数据集、点应力准则/平均应力准则作为跨层压板解析工具的应用，以及失效行为与缺口敏感性的综合评估，共同构成本研究的主要创新点。

2 实验方法

2.1 材料与开孔拉伸试样制备

试样采用市售碳纤维/环氧树脂预浸料带制备，标称厚度0.25 mm，材料以300 mm宽卷状供货。预浸料体系为单向连续中模量碳纤维，浸渍环氧树脂体系，树脂体积分数34%。该材料体系广泛应用于空客A350 XWB主承力结构件，包括机翼梁、机翼蒙皮、机身段、龙骨梁和中央翼盒。M21E/IMA碳纤维/环氧树脂材料体系的刚度与强度性能，如表1 所示。

表1  M21E/IMA碳纤维/环氧树脂材料体系的刚度与强度性能

采用手工铺层方法制备200 mm×200 mm的8层板，包含多种铺层顺序：三种单向层压板，三种多向层压板。所有层压板标称总厚度2 mm。选择上述铺层顺序，以便评估单向拉伸载荷下缺口试样的不同损伤机制，包括纤维劈裂、基体开裂和分层。所有层压板按照厂商推荐标准固化工艺制备。层板在热压机系统中7 bar压力下固化，升温速率控制为1–3 ℃/min，180 ℃保温120 min，随后以2–5 ℃/min速率冷却。后固化后，所有层板采用超声C扫描检测，验证层压板完整性。M21E/IMA各铺层的等效刚度性能与应力集中系数，如表2所示。 

表2  M21E/IMA各铺层的等效刚度性能与应力集中系数

2.2 试样几何形状与拉伸测试

遵循ASTM D5766标准测试方法，对单向与多向层压板制备的试样进行评估。采用硬质合金钻头以受控进给量和转速加工中心圆孔，加工公差控制在±0.05 mm以内，确保高质量加工，实现缺口敏感性与损伤的精准表征。为确保无加工损伤，每个钻孔在放大条件下目视检查，确认无边缘崩缺、分层或热降解，测试试样均未发现缺陷。孔径与试样宽度比为0.1。此类不连续特征会显著影响结构件内部应力分布，形成应力集中区域，局部应力直接影响最终断裂，失效通常始于几何不连续部位。

对上述铺层的无缺口与开孔试样开展实验测试。试样长度200 mm，宽度30 mm，缺口试样中心孔直径3 mm（见图1a）。采用千分尺在标距段三个位置测量层压板厚度，取平均值用于计算。同样，加工后立即用数显卡尺测量孔径，确保尺寸精度。试样两端粘贴50 mm长、3 mm厚的玻璃纤维端 tab，标距长度100 mm。采用标准高强度双组分环氧树脂胶粘剂粘贴端 tab。所有测试在50 kN电子万能试验机上进行，拉伸载荷速率恒定为50 N/s。参照ASTM D3039标准，通过初步重复拉伸测试调整载荷速率，确保试样在1–10 min内发生失效。选择恒定载荷速率，确保标距段应变速率近似恒定。设备配备专用软件，可精确控制施加的位移或载荷，并记录测试过程中的所有力学响应。

每种铺层的5个缺口试样测试至失效，测定平均开孔拉伸强度并评估相关损伤机制。开孔强度按失效时最大载荷除以总横截面积（不考虑孔洞）计算，即原始试样宽度乘以层压板厚度。此外，对5个与缺口试样尺寸相同的无缺口试样（图1b）进行测试，测定平均无缺口拉伸强度。由于未使用外部引伸计或应变测量设备，试验机位移信号获取的延伸值作为各铺层定性对比的统一参考。

图1 (a) 开孔拉伸试样几何形状；(b) 无缺口拉伸试样几何形状（所有尺寸单位：mm）

3 缺口层压板的应力准则模型

惠特尼和纽伊斯默开发了两种解析模型预测缺口碳纤维增强聚合物层压板的行为。这些模型针对含圆孔或直裂纹的正交各向异性板建立，旨在预测几何不连续存在下的失效。第一种模型假设当孔边缘某一距离处的应力达到无缺口板的拉伸强度时发生失效，该方法称为点应力准则（PSC）。第二种模型假设某一特征长度上的平均应力等于无缺口拉伸强度时发生失效，称为平均应力准则（ASC）。此外，特征长度被视为材料固有属性，与不连续几何形状和局部应力分布均无关。

计算缺口复合材料层压板的特征长度，旨在定义与缺口附近应力重分布相关的材料长度尺度，这些参数定量表征层压板对应力集中效应的固有抗力。基于无缺口与缺口试样实验测试获得的强度比，采用惠特尼-纽伊斯默应力准则计算所研究层压板的特征长度。

4 结论

本研究采用无缺口与开孔试样评估多种碳纤维增强聚合物（CFRP）层压板的拉伸强度。试样中心开设圆形孔，形成几何不连续并引发局部应力集中。测试主要目的为探究缺口敏感性随层压板铺层顺序的变化规律。

结果表明，单向层压板的缺口敏感性显著高于交叉铺层和斜铺层构型，纤维0°取向的单向试样敏感性最高。多向层压板中，准各向同性试样受开孔影响最显著，拉伸强度大幅下降（接近50%）。斜铺层层压板观察到的伪塑性行为，对所评估应力准则的预测精度有显著影响。该发现表明，将预测模型应用于含倾斜纤维取向的其他层压板时，应明确考虑伪塑性。开孔构型对应的失效模式与文献报道一致，并成功通过实验复现，除单向构型外，所有铺层均观察到基体开裂、层间分层和轴向劈裂，单向构型主要失效机制为轴向劈裂。采用点应力准则（PSC）和平均应力准则（ASC）估算特征长度，对比不同铺层顺序的结果发现存在显著差异。综上所述，本研究结果凸显铺层设计对复合材料缺口敏感性的决定性影响，进而影响现有缺口层压板应力准则模型的预测精度。除整体力学响应外，纤维取向在支配缺口试样性能方面起关键作用。

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