单向玻璃纤维增强复合材料高温力学性能与失效机理：实验与理论建模

《Journal of Materials Research and Technology》：High Temperature Mechanical Properties and Failure Mechanisms of Unidirectional Glass Fiber Reinforced Composites: Experimental and Theoretical Modeling

　　

本研究针对单向玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料，系统考察了温度与纤维取向角对其拉伸、弯曲及剪切性能的影响。研究人员在25°C至125°C范围内，对不同纤维取向(0°、45°、90°)的试样开展力学测试，结果表明复合材料的强度与模量均随温度升高及纤维取向角增大而显著下降，且在超过环氧树脂基体玻璃化转变温度(Tg)后降幅最为明显。随着纤维取向角增加，失效模式由纤维主导型转变为界面主导型。基于力热等效能量密度原理与Tsai-Hill理论，研究人员建立了考虑温度与纤维取向角影响的拉伸强度预测模型，该模型与实验结果吻合良好。进一步分析表明，低温及低纤维取向角条件下复合材料强度对界面剪切强度更为敏感。该模型可为玻璃纤维复合材料的高温力学性能评估及单向层合板温度相关失效准则的建立提供实用工具。

研究背景方面，玻璃纤维增强复合材料(GFRC)因其高比强度、高比模量、耐腐蚀及成本效益高等优势，已广泛应用于汽车、航空航天、新能源装备及建筑工程等领域。然而，材料在实际应用中常面临极端温度环境挑战——例如航天器在近地轨道服役时需承受-170°C至200°C的温度波动，火灾场景下基体软化会导致力学性能骤降。此外，纤维取向角是影响复合材料性能的关键内因，尤其在风电叶片等对纤维排布精度要求高的结构中，其直接影响承载与变形行为。当前研究虽在常温改性（如纳米填料增强、纤维混杂、表面处理等）方面成果较多，但对宽温域内结合纤维取向角的强度演化规律缺乏统一理论模型，尤其缺少可同时纳入温度与取向效应的失效判据。为此，西南大学研究团队在《Journal of Materials Research and Technology》发表研究，通过实验与理论建模相结合的方法填补这一空白。

关键技术方法上，研究人员采用热压工艺制备质量分数10 wt.%的单向GFRC板材，按国家标准加工0°、45°、90°三种取向试样；在25°C、50°C、75°C、125°C条件下开展拉伸、三点弯曲及双V缺口剪切测试；通过显微脱粘试验测定室温界面剪切强度；结合扫描电镜(SEM)观察断口形貌；利用动态热机械分析(DMA)表征环氧树脂基体的储能模量(G′)、损耗模量(G″)及玻璃化转变温度(T_g)；基于力热等效能量密度原理与Tsai-Hill强度理论构建温度-取向耦合的拉伸强度预测模型，并通过实验数据验证模型有效性。

研究结果部分，首先，纯环氧树脂基体在不同温度下的拉伸性能显示：低于T_g（100.1°C）时呈脆性断裂，高于T_g后发生严重软化，125°C时强度与模量损失超90%。其次，GFRC拉伸性能随温度变化规律表明：0°试样强度与模量降幅相对较小（125°C时分别下降74.6%、64.17%），呈纤维主导断裂特征；45°与90°试样强度损失达95%以上，且断裂行为逐渐由基体与界面控制。弯曲性能方面，0°试样刚度最高，90°试样因纤维垂直于载荷方向，表现为界面缺陷主导的弱承载行为。剪切性能则显示，界面粘结退化是高温强度衰减的主因，125°C时三类取向试样的剪切强度均趋近于零。断口SEM分析证实：0°试样以纤维断裂与拔出为主，45°与90°试样则以纤维-基体界面脱粘为主要失效模式，且高温未改变这一机制。DMA结果进一步揭示，基体从玻璃态向高弹态的转变区间（60°C~120°C）与复合材料强度陡降区一致，说明基体刚度丧失导致应力传递能力中断。基于上述实验规律，研究人员将Tsai-Hill准则扩展至温度域，引入力热等效能量密度关系描述纤维与基体强度的温度依赖性，建立的模型预测值与实验数据误差较小，优于传统经验拟合模型。敏感性分析发现，低温与低纤维取向角条件下，复合材料强度对界面剪切强度的变化更为敏感。

讨论与结论部分，该研究证实温度与纤维取向角共同调控GFRC的力学响应与失效机制，所建模型兼具物理可解释性与参数易获取性，可为极端环境下层合复合材料的结构设计与数值仿真提供温度相关的强度预测工具。研究最终指出，在面向高温工程应用时，需同步考虑材料热退化与制造缺陷的协同效应，以避免实际性能低于预期。