摘要

為在試樣級與子結(jié)構(gòu)級復(fù)制分層，研究中常向測試試件內(nèi)引入模擬缺陷。因此，明確這些缺陷在層合板內(nèi)的力學(xué)行為至關(guān)重要。全場成像技術(shù)應(yīng)用于探究碳纖維增強(qiáng)聚合物（CFRP）復(fù)合材料中人工缺陷的影響機(jī)制。

研究選用中心裂紋層(CCP)試件，通過簡單的拉伸試驗(yàn)來評估層合復(fù)合材料的Ⅱ型斷裂韌性。制備兩批試件，型號分別為IM7/8552，均將5μm厚度的鋼膜插入試件作為人工缺陷。其中第一批試件的鋼膜插入件表面涂覆Frekote脫模劑，第二批試件的鋼膜插入件則未經(jīng)涂覆直接嵌入層合板。此外，還制備了第三批鋪層方式為[04, 90]s的試件。

為獲取測試試件的全場溫度與位移數(shù)據(jù)，研究同步采用熱彈性應(yīng)力分析（TSA）與數(shù)字圖像相關(guān)法(DIC)。90°鋪層可以增強(qiáng)熱對比度利用、各向異性力學(xué)與熱學(xué)性能。首先對試件施加單調(diào)載荷直至破壞，期間通過數(shù)字圖像相關(guān)法捕捉損傷起始與破壞階段的應(yīng)變分布；同時，采用聲發(fā)射技術(shù)（acoustic emission）評估損傷起始時刻，并通過載荷下降間接評估斷裂韌性。

研究結(jié)果表明全場成像技術(shù)能夠確定脫模劑與鋪層結(jié)構(gòu)是如何影響損傷起始及擴(kuò)展過程的。非絕熱熱彈性響應(yīng)可有效觀測試件亞表面損傷。最后，研究還提出一種基于失效事件的溫度升高值評估斷裂韌性的新方法。

1.引言

為模擬復(fù)合材料層壓板中的分層，通常會在測試試件中引入人工缺陷。所測斷裂參數(shù)的可靠性取決于這些缺陷復(fù)制真實(shí)的失效機(jī)制的準(zhǔn)確程度。因此，對此類缺陷的真實(shí)呈現(xiàn)至關(guān)重要。研究II型斷裂行為的一種廣泛采用的構(gòu)型是中心裂紋層（CCP）試樣，該構(gòu)型最早于1990年代初提出。CCP試樣是一種單向?qū)訅喊?，其中若干鋪層被橫向切斷，形成人工裂紋。該切口誘發(fā)局部應(yīng)力集中，從而引發(fā)四個層間基體裂紋，這些裂紋在拉伸載荷下以不穩(wěn)定方式擴(kuò)展。II型斷裂韌性（GII）通過基于能量的公式計算，該公式取決于試樣寬度W、厚度t、楊氏模量E、切割層數(shù)x的比值以及觸發(fā)不穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展的臨界載荷P等參數(shù)。

該測試方法早期應(yīng)用時，因裂紋擴(kuò)展存在不對稱性與不規(guī)則性，測試重復(fù)性欠佳。這一問題主要源于只有橫向?qū)忧懈钸@種損傷起始方式。后續(xù)研究中引進(jìn)了一種改良版本的試件，在預(yù)裂紋位置增設(shè)兩處人工分層結(jié)構(gòu)。引入插入件主要有兩大主要功能：一是通過促進(jìn)層合板中面（層合板厚度方向的中間平面）處的對稱性，穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展路徑；二是最大限度降低混合模式效應(yīng)。

Le Cahain 等人針對不同插入件材料對斷裂韌性測試結(jié)果的影響開展對比研究。結(jié)果表明，采用鋼質(zhì)插件時，測試所得數(shù)據(jù)與無插件試件的行為價值最接近。Scalici 等人通過實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)合的方式，進(jìn)一步分析人工分層對測試的影響，最終確定了可消除Ⅰ/Ⅱ型混合模式效應(yīng)的最小裂紋長度值。

除靜態(tài)斷裂特性表征外，中心裂紋層（CCP）試件還被用于疲勞測試。測試中采用夾式引伸計監(jiān)測分層擴(kuò)展速率，為建立半經(jīng)驗(yàn)裂紋擴(kuò)展模型提供數(shù)據(jù)支撐。疲勞載荷過程允許使用熱彈性應(yīng)力分析（TSA），該分析技術(shù)需依托循環(huán)應(yīng)力狀態(tài)，利用應(yīng)力與溫度間的可逆關(guān)系實(shí)現(xiàn)應(yīng)力場表征。對于正交各向異性鋪層，溫度變化主要取決于主材料方向的施加應(yīng)力幅值（?σ?、?σ?），以及材料本身的特性參數(shù)，如熱膨脹系數(shù)（α?、α?）、密度（ρ）和定壓比熱容(Cp)  

鮮有研究在全場技術(shù)評估CCP試驗(yàn)中應(yīng)用TSA來分析碳纖維和玻璃纖維層壓板中的裂紋擴(kuò)展。本研究旨在通過采用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)DIC和TSA來增進(jìn)對CCP試樣行為的理解。主要目標(biāo)包括：1.利用非絕熱熱彈性響應(yīng)無需直接觀察分層裂紋前沿來監(jiān)測損傷進(jìn)程；2.融合全場應(yīng)力和應(yīng)變數(shù)據(jù)，更深入地理解人工分層在測試環(huán)境中的影響；3.通過直接評估斷裂過程中釋放的能量，借助全場數(shù)據(jù)來評估斷裂韌性。

2. 材料與方法

本研究采用IM7/8552碳纖維/環(huán)氧樹脂預(yù)浸料制備三組試件，并使用長度20mm、厚度5μm的鋼質(zhì)插入件構(gòu)建人工分層結(jié)構(gòu)。研究核心目的一是探究涂覆Frekote? 脫模劑（美國康涅狄格州羅基希爾市樂泰公司生產(chǎn)）對人工分層力學(xué)行為的影響，二是通過對鋪層方案進(jìn)行微調(diào)，分析其對全場測試結(jié)果的影響。

實(shí)驗(yàn)共設(shè)計三種試件構(gòu)型（方括號內(nèi)數(shù)字代表鋪層方向）：（1）[04,0]s：鋼質(zhì)插入件表面涂覆 Frekote? 脫模劑；（2）[04,0]s：鋼質(zhì)插入件直接固化（未涂覆脫模劑）；（3）[04,90]s：鋼質(zhì)插入件表面涂覆 Frekote? 脫模劑（注：下劃線上數(shù)字代表經(jīng)橫向切割的鋪層）。從制備完成的層合板中切割出尺寸為 200 mm（長）×10 mm（寬）的試件條，其幾何參數(shù)與文獻(xiàn)[3]一致，以便與已報道的斷裂韌性數(shù)據(jù)進(jìn)行直接對比。

為滿足全場測試需求，試件需進(jìn)行如下預(yù)處理：先涂覆一層啞光黑漆（用于紅外熱成像），再通過噴涂方式制作精細(xì)的白色散斑圖案（用于數(shù)字圖像相關(guān)法，DIC），從而實(shí)現(xiàn)試件表面應(yīng)變場與溫度場的同步采集。此外，每個試件均布設(shè)兩個聲發(fā)射傳感器。

全場成像測試系統(tǒng)由兩部分組成：一是立體數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）系統(tǒng)，含 2 臺 1200 萬像素 FLIR Blackfly 白光相機(jī)（配備 25 mm 鏡頭）；二是 Telops Fast M3K紅外相機(jī)（配備50mm鏡頭），用于采集溫度數(shù)據(jù)。DIC圖像采用商業(yè)軟件MatchID進(jìn)行處理，熱彈性應(yīng)力分析（TSA）數(shù)據(jù)則通過自定義的室內(nèi)算法分析—該算法可在選定加載頻率下進(jìn)行時間濾波，進(jìn)而提取熱彈性信號。

力學(xué)測試包含兩項(xiàng)內(nèi)容：（1）單調(diào)拉伸測試（位移速率0.5 mm/min）直至試件破壞，用于評估Ⅰ型斷裂韌性（GII）；（2）循環(huán)加載測試（載荷范圍 3.5±3 kN），加載頻率涵蓋 0.5~30 Hz，以捕捉人工分層對試件疲勞性能的影響。

3. 結(jié)果與討論

圖1呈現(xiàn)了單向試件的單調(diào)拉伸測試結(jié)果。實(shí)驗(yàn)共測試6個試件，其中3個采用涂覆脫模劑的鋼質(zhì)插入件，另外3個采用未涂覆脫模劑的鋼質(zhì)插入件。

通過數(shù)字圖像相關(guān)法（DIC）獲取的載荷-應(yīng)變曲線中，均出現(xiàn)明顯的“載荷下降”現(xiàn)象，該現(xiàn)象與裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的起始時刻直接對應(yīng)（圖 1a），這一結(jié)果印證了DIC技術(shù)在識別復(fù)合材料損傷起始與擴(kuò)展過程中的有效性。紅外熱成像結(jié)果顯示，試件表面出現(xiàn)局部溫度升高區(qū)域（圖1b），該溫度變化源于裂紋擴(kuò)展過程中的能量釋放。聲發(fā)射測試結(jié)果（圖1c）進(jìn)一步佐證了損傷過程，在載荷曲線出現(xiàn)峰值并伴隨下降的階段，聲發(fā)射能量呈現(xiàn)顯著激增。

圖1.（a）載荷-應(yīng)變曲線；（b）損傷擴(kuò)展時釋放的熱能；（c）整個測試過程中的總聲能

根據(jù)公式（1）計算出的II型斷裂韌性，在每種類型的三個試樣上取平均值，涂有Frekote脫模劑的插入件為1271 J/m2，未涂覆的插入件為1224 J/m2。這些結(jié)果與文獻(xiàn)[2]中的1203 J/m2非常接近。這些數(shù)值表明沒有顯著差異，盡管涂覆脫模劑的插入件有略微的增加。除了公式（1）中已確立的載荷下降法之外，還引入了一種評估能量釋放率的新方法。該方法基于分層區(qū)域的局部溫度升高（圖1b）。在裂紋沿厚度方向?qū)ΨQ擴(kuò)展、裂紋前沿瞬間擴(kuò)展且均勻推進(jìn)的假設(shè)下，以及在所有斷裂能都以熱的形式耗散的假設(shè)下，GII型斷裂韌性可以表示如下：

通過該方法計算得出的斷裂韌性，與采用公式（1）獲得的結(jié)果高度吻合，其中涂覆脫模劑插入件試件的斷裂韌性平均值為1282 J/m2，未涂覆脫模劑插入件試件的平均值為1222 J/m2。

圖2呈現(xiàn)了單向鋪層試件在0.5 Hz加載頻率下，通過熱彈性應(yīng)力分析（TSA）獲取的全場?T/T?（溫度變化率）結(jié)果，具體涵蓋三種試件：（a）含涂覆Frekote脫模劑插入件的試件、（b）含未涂覆脫模劑插入件的試件、（c）鋪層中含90°鋪層且插入件涂覆Frekote脫模劑的試件。

圖2. 不同鋪層試件在 0.5 Hz 加載頻率下的熱彈性應(yīng)力分析（TSA）?T/T?分布圖對比：（a）[04,0]s鋪層（含 Frekote 脫模劑）（b）[04,0]s鋪層（不含 Frekote 脫模劑）（c）[04,90]s鋪層（含 Frekote 脫模劑）

由于所選碳纖維在縱向與橫向方向上的熱膨脹系數(shù)（CTE）存在不匹配現(xiàn)象—橫向方向的熱膨脹系數(shù)比縱向高兩個數(shù)量級—在層合板中心位置引入90°鋪層，可顯著提升熱對比度。這些 90°鋪層會產(chǎn)生更強(qiáng)的熱彈性響應(yīng)，其作用類似于內(nèi)置熱源，從而借助熱彈性應(yīng)力分析（TSA）技術(shù)，進(jìn)一步優(yōu)化對損傷的檢測、追蹤與可視化效果。

4. 結(jié)論

本研究采用中心裂紋層（CCP）試件，探究了人工分層對碳纖維增強(qiáng)聚合物（CFRP）層合板Ⅱ型斷裂韌性及全場響應(yīng)的影響。結(jié)果表明，當(dāng)使用5μm厚鋼質(zhì)插入件時，涂覆Frekote?脫模劑對所評估的斷裂韌性影響極小。 

研究證實(shí)，數(shù)字圖像相關(guān)法（DIC）與紅外熱成像技術(shù)具備檢測失穩(wěn)損傷擴(kuò)展起始時刻的能力。同時，本研究提出一種通過破壞事件發(fā)生時的溫度升高值評估斷裂韌性的新方法—該方法與成熟的基于載荷下降的傳統(tǒng)方法結(jié)果高度吻合。 

此外，在對碳纖維試件進(jìn)行熱彈性應(yīng)力分析（TSA）時，引入90°鋪層可顯著提升熱對比度，進(jìn)而提高對亞表面分層的檢測能力。