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納米纖維在碳纖維復(fù)合材料抗疲勞損傷和裂紋中的應(yīng)用淺析

發(fā)布日期：2021-03-24 作者：大連義邦科技瀏覽數(shù)：11013

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碳纖維復(fù)合材料相較于金屬鈑金材料，其在耐腐蝕、耐疲勞、比強 度、比模量等方面的優(yōu)勢碳纖維復(fù)合材料因其優(yōu)異的力學(xué)性能，在航大航空、汽車、新能源、軍事、工業(yè)等領(lǐng)域具有越來越多的應(yīng)用。但其設(shè)計影響因素較多，如在疲勞載荷作用下發(fā)生微小裂紋，疲勞斷裂等，其失效形式較為復(fù)雜，通常復(fù)合材料斷裂是從基體開始的，然后擴展到界面，其失效的形式和實際載荷多種多樣。

在1970年代和80年代早期研發(fā)的各種軍用飛機(如F-16, F-15和F/A-18的設(shè)計和開發(fā)過程中，并沒有對復(fù)合材料特定損傷公差的要求和設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。雖然早期碳纖維材料顯著節(jié)約了重量，增強了耐腐蝕性能，但復(fù)合材料層間抗疲勞損傷和裂紋并不理想。高損傷阻抗、高抗疲勞及彈擊損傷容限等都是飛機等高強度碳纖維結(jié)構(gòu)件所需要的特性。

瑞典新型戰(zhàn)斗機JAS39鷹獅的主結(jié)構(gòu)采用碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料層壓，重量約為20%

雖然碳纖維本身韌性很好，但是目前的復(fù)合材料在使用過程中因不斷運動，部分機械部件可能會疲勞失效，并且由于材料的本身性質(zhì)不同，我們無法對每個材料都作出幾何學(xué)上的描述。

如在濕熱的條件環(huán)境下，復(fù)合材料的疲勞性能與常溫下的溫度和濕度有很多的區(qū)別，因為，復(fù)合材料的疲勞性能依賴于環(huán)境，復(fù)合材料中的基體不僅對溫度敏感，而且極易吸收環(huán)境周圍中的水分。

另外復(fù)合材料本身具有優(yōu)越的拉伸疲勞特性，但與金屬有著本質(zhì)的區(qū)別，壓縮荷載對金屬結(jié)構(gòu)的疲勞裂紋起到閉合作用，而復(fù)合材料在壓縮荷載的作用下，疲勞壽命明顯降低，疲勞壽命的分散度遠(yuǎn)大于金屬材料，不能采用以上方法進(jìn)行研究。

由于碳纖維復(fù)合材料其疲勞失效形式具有復(fù)雜性，其影響因素不僅有復(fù)合材料本身層疊成形的原因，同時其疲勞性能也受制于復(fù)合材料鋪層方向與載荷方向的角度。80年后各國開啟了對碳纖維在環(huán)氧樹脂基中的層間抗疲勞損傷和裂紋的測試和研究。

改性的碳纖維樣品的斷面（放大倍數(shù)2000倍）（a）左側(cè)未添加，（b）右側(cè)增韌

其中有代表性的如大連義邦Xantu. Layr納米纖維膜層間增韌膜，是提升復(fù)合材料抗疲勞損傷和裂紋而研發(fā)的一款樹脂增韌材料，通過在預(yù)浸料層間增加熱塑性納米纖維膜從微觀提高樹脂韌性，沖擊或壓縮后吸收裂紋能量。千米長的納米纖維通過靜電紡，具有巨大的表面積，如同壁虎觸角，在預(yù)浸料上下層樹脂間，充當(dāng)脆性樹脂基體的納米級增強物質(zhì)，最終形成更堅韌的樹脂，增加了裂紋擴展所需的能量。

當(dāng)今的現(xiàn)代戰(zhàn)斗機在飛行的關(guān)鍵主要結(jié)構(gòu)中含有很高比例的先進(jìn)復(fù)合材料，例如B-2隱形轟炸機、F-22先進(jìn)戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)斗機、F-117A和V-22旋翼直升機等。隨著當(dāng)今碳纖維及復(fù)合材料廣泛應(yīng)用，民用市場也在不斷壯大，如高端汽車、競技自行車等都在因材料和技術(shù)不斷更新迭代而獲得更多的創(chuàng)新可能。

本文意在傳播新材料資訊，文中圖片來自網(wǎng)絡(luò)。

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