供稿人：陳衍龍、齊晨云、連芩 供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室 發(fā)布日期：2023-03-13
固在復(fù)合材料研究的早期，對其變形和失效的描述在很大程度上都是沿用了金屬材料的概念，與金屬相比，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料則表現(xiàn)出高度復(fù)雜的失效機(jī)制，即使是單向復(fù)合材料（層狀纖維增強(qiáng)層合板的基本組成部分），也會由于不同作用方向的載荷（拉伸、壓縮或剪切）造成失效。而現(xiàn)有描述金屬的力學(xué)性能特征的術(shù)語，并不能完全適用于描述纖維增強(qiáng)復(fù)合材料力學(xué)性能。
Ramesh Talreja等討論了纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在機(jī)械載荷下的失效形式，為解釋纖維增強(qiáng)復(fù)合材料力學(xué)性能相關(guān)的概念和定義提供了背景。
作者提出，單向復(fù)合材料有五種基本失效形式（圖1），（a）軸向拉伸失效,在低應(yīng)力下形成單線（單纖維失效），在不斷增加的載荷下形成雙線、三線，最后由斷裂的關(guān)鍵纖維束造成失效；（b）軸向壓縮失效，局部錯位纖維旋轉(zhuǎn)，將基體剪切在它們之間，使基體剪切模量減小，導(dǎo)致相鄰纖維組進(jìn)一步局部旋轉(zhuǎn)，最終導(dǎo)致纖維斷裂；（c）橫向拉伸失效，在橫向拉伸下，單向復(fù)合材料纖維基體脫落以及其聚結(jié)形成連續(xù)裂紋造成失效；（d）橫向壓縮失效，平行與纖維但其他方面更傾向與加載方向發(fā)生破壞，但由于觀測的困難，該失效模式的起始和進(jìn)展未被闡明；（e）面內(nèi)剪切失效，在平面剪切下，沿著與纖維傾斜的平面在基體中形成微裂紋，這些裂紋沿纖維方向旋轉(zhuǎn)和擴(kuò)展，合并一起造成失效。
研究人員通過對比發(fā)現(xiàn)，“高架橋”可以減輕樹脂在傳輸過程中所受到的力，對于大面積的部件幾乎降低了兩個數(shù)量級，并且消除了CLIP打印中的常見缺陷。iCLIP打印技術(shù)打印速度快，而且打印件的機(jī)械性能與CLIP打印機(jī)打印出來的零件差別不大。
CLIP打印技術(shù)在材料方面受到了很大的限制，填充樹脂具有優(yōu)異的機(jī)械性能，但是樹脂粘性太大，會使樹脂不能被動流過死區(qū)，為了量化這種限制，研究人員選用了粘度范圍為100cP到7000cP樹脂，用CLIP的方法進(jìn)行打印，研究發(fā)現(xiàn)，粘性越大的樹脂，臨界空化壓力越小。一些商用打印機(jī)通過減慢打印速度以留出樹脂回流的時間，讓樹脂通過預(yù)熱桶以降低粘度，但這都無法從根本上解決質(zhì)量傳輸限制。而iCLIP技術(shù)通過機(jī)械的注入粘性樹脂來抵消死區(qū)壓力。單個“高架橋”對于粘度極高的樹脂來說是不夠的，為了保持在臨界空化壓力以上，可將管道設(shè)計到零件中，通過四個分叉的“高架橋“分配樹脂可以改變氣蝕。雖然與CLIP技術(shù)相比，提高了可打印樹脂粘度的上限，但仍然會受到驅(qū)動粘性流通過狹窄通道力的限制。
目前同時用多種材料進(jìn)行打印的方法都很繁瑣，限制了打印速度，iCLIP技術(shù)通過機(jī)械注入不同的樹脂，可以創(chuàng)造出多材料的復(fù)合結(jié)構(gòu)，研究人員采用CFD仿真和微流體支持的多材料控制方法。為了證明模擬驅(qū)動對于復(fù)雜設(shè)計的可行性，研究者為復(fù)雜的建筑模型設(shè)計了注射輪廓，優(yōu)化了“高架橋”和樹脂流速。雖然在實現(xiàn)多材料3D打印方面不是唯一的，但與現(xiàn)有的基于液滴和擠出的多材料打印平臺相比，多材料iCLIP利用連續(xù)的液體界面來實現(xiàn)高體積通量，iCLIP最大限度地減少了額 外的硬件附件，通過以時空控制的方式管理可調(diào)流量分布。
當(dāng)不同取向的單向復(fù)合材料結(jié)合并固化形成層合板時，上述的五種基本形式發(fā)生了變化，主要是層合板分層，由于鋪層裂紋向界面的轉(zhuǎn)移，界間層面開裂引起分層導(dǎo)致層合板失效。同時，層合板還會受應(yīng)力集中造成的孔洞和缺口，以及沖擊損傷而失效。
雖然作者討論了復(fù)合材料的多種失效形式，但仍未提出新的術(shù)語來正確解釋復(fù)合材料復(fù)雜的失效行為，所以復(fù)合材料界需要共同努力，制定適當(dāng)?shù)男g(shù)語，來規(guī)范復(fù)合材料力學(xué)行為方面的用語。
圖1 單向復(fù)合材料（a）軸向拉伸；（b）軸向壓縮；（c）橫向拉伸；（d）橫向壓縮；（e）面內(nèi)剪切的失效形式