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  纖維增強(qiáng)復(fù)合材料廣泛應(yīng)用于土木工程、風(fēng)力發(fā)電和航空工程。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的疲勞往往會導(dǎo)致嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)破壞，因而受到廣泛關(guān)注。在近年來興起的纖維增強(qiáng)軟材料中，纖維本身的力學(xué)性能往往起主導(dǎo)作用，而現(xiàn)階段復(fù)合材料中玻璃纖維織物的疲勞還沒有得到充分的研究。

  近日，美國哈佛大學(xué)鎖志剛院士與西安交通大學(xué)唐敬達(dá)副教授等人在固體力學(xué)旗艦期刊Journal of the Mechanics and Physics of Solids發(fā)表題為“How does glass fabric tear under cyclic force?” 的文章，研究了玻璃纖維織物在循環(huán)載荷下的撕裂行為，繪制了玻璃纖維織物的三種典型撕裂模式與樣品尺寸及載荷幅值的相圖。希望這項工作將引起更多的對于纖維織物和纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的斷裂和疲勞的行為的關(guān)注，有助于抗疲勞織物和纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的研究。

實驗結(jié)果

1. 單根紗線的斷裂

  首先研究單根紗線在單調(diào)加載與循環(huán)加載下的行為，發(fā)現(xiàn)單調(diào)加載時紗線斷裂的臨界力為108.7 N，而循環(huán)加載時紗線斷裂的臨界力僅為25 N，遠(yuǎn)小于單調(diào)載荷，可見紗線本身存在疲勞現(xiàn)象。

圖1 單根紗線的斷裂

2. 單根紗線的抽出

  單根紗線的抽出是織物破壞的一種基本模式。研究發(fā)現(xiàn)紗線在單調(diào)載荷下抽出的峰值力與寬度相關(guān)，隨紗線長度的增加而增加，且與紗線紡織方向有關(guān)（圖2）。有趣的是，作者首次研究了單根紗線在循環(huán)載荷下的抽出行為，發(fā)現(xiàn)對于相同長度的紗線，循環(huán)載荷下抽出所需要的力比單調(diào)載荷下抽出所需的力更小（圖3）。單根紗線的斷裂及抽出行為研究為織物的疲勞斷裂奠定了基礎(chǔ)。

圖2 單調(diào)載荷下單根紗線的抽出

圖3 循環(huán)載荷下單根紗線的抽出

3. 玻璃纖維織物的撕裂

3.1 玻璃纖維織物單調(diào)載荷下的撕裂

  在單調(diào)載荷下玻璃纖維織物的撕裂過程中，隨著撕裂力逐漸增大，試樣會經(jīng)歷兩個過程：三角形區(qū)域的形成和裂紋的擴(kuò)展。當(dāng)撕裂力較小時，裂紋尖端橫向紗線有抽出趨勢但因靜摩擦而被卡住。當(dāng)撕裂力逐漸增大超過一定水平時，橫向紗線開始在裂紋尖端發(fā)生滑移，形成一個三角形區(qū) (圖4a，b)。隨著力的增加，更多的橫向紗線發(fā)生滑移，三角形區(qū)域的尺寸增大。在一個臨界力下，裂紋開始擴(kuò)展 (圖4c)。在單調(diào)載荷下隨試樣寬度的變化，試樣以三種不同的模式撕裂。

  對于較窄的樣品，橫向紗線抽出為主要撕裂形式(圖4d, 4g)。橫向紗線一個接一個地拉出，形成平臺期，沒有紗線發(fā)生斷裂。對于中等寬度的樣品，縱向紗線和斷裂和橫向紗線的抽出為主要撕裂形式(圖4e, 4h)。當(dāng)縱向紗線開始斷裂和橫向紗開始抽出時，力達(dá)到峰值。隨后，裂紋偏轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向樣品的一側(cè)，力開始下降。對于較寬的試樣，橫向和縱向紗線的斷裂以及橫向的紗線的抽出為主要撕裂形式 (圖4f, 4i)。當(dāng)縱向和橫向紗線開始斷裂時，力達(dá)到峰值。隨后，裂紋轉(zhuǎn)向樣品的一側(cè)，紗線被抽出，力開始下降。一組接一組的紗線斷裂時，力上升到一個接一個的峰值。不同寬度的樣品撕裂模式不同，峰值力隨試樣寬度的增大而增大（圖4g-i）。

圖4 單調(diào)載荷下玻璃纖維織物的撕裂

3.2 玻璃纖維織物循環(huán)載荷下的撕裂

  在循環(huán)載荷下，玻璃纖維織物撕裂的門檻值力F_th隨著樣品寬度的增大而增大。這是因為當(dāng)試樣寬度較大時，橫向紗線會受到較大的摩擦力。因此，疲勞閾值與織物的幾何形狀有關(guān)。對于寬度較大的試樣，循環(huán)載荷下的門檻值力比單調(diào)載荷下的臨界撕裂力低一個數(shù)量級。

圖5 玻璃纖維織物在循環(huán)載荷下撕裂

4.結(jié)論

圖6 玻璃纖維織物的不同撕裂模式在力幅值-試樣寬度平面上的相圖；空心點為單調(diào)載荷下的數(shù)據(jù)點，實心點為循環(huán)載荷下的數(shù)據(jù)點。

  該文章研究了循環(huán)載荷下玻璃纖維織物的撕裂，在不同的試樣寬度和力幅值下，可觀察到三種不同的撕裂模式：橫向纖維的抽出；橫向纖維的抽出和縱向纖維的斷裂；橫向纖維和縱向纖維的斷裂。

  圖6中，空心方點表示單調(diào)載荷下撕裂力的均值，實心方點表示循環(huán)載荷下的數(shù)據(jù)點。對應(yīng)每個給定寬度的玻璃纖維織物試樣，均存在一個臨界力F_c和一個門檻值力F_th。臨界力為在單調(diào)荷載下玻璃纖維織物撕裂的峰值力。給試樣施加一個幅值為F的循環(huán)力，若幅值低于門檻值力F<F_th，那么循環(huán)加載無法使織物發(fā)生疲勞裂紋擴(kuò)展。若F_th < F < F_c，則玻璃纖維織物會在一定周數(shù)后撕裂。對于較寬的試樣，門檻值力與臨界撕裂力的差值較大，F_th <<F_c。門檻值力與單根紗線抽出峰值力相近，且隨紗線長度的增加而增大。這表明，在循環(huán)荷載作用下，裂紋的疲勞擴(kuò)展是由于橫向紗線的抽出引起的。

  論文第一作者為西安交通大學(xué)航天航空學(xué)院碩士生劉豐愷，通訊作者為西安交通大學(xué)唐敬達(dá)副教授和哈佛大學(xué)鎖志剛教授。

  上述研究得到了國家自然科學(xué)基金重點國際（地區(qū)）合作研究項目、面上項目、青年項目等資助。

  論文鏈接：Fengkai Liu, Zhigang Suo, Jingda Tang, How does glass fabric tear under cyclic force? Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 2022, 158,104659.

  https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0022509621002921

作者簡介：

  唐敬達(dá)，西安交通大學(xué)副教授，北京大學(xué)與哈佛大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士（導(dǎo)師方岱寧院士和鎖志剛院士），2017年進(jìn)入西安交通大學(xué)航天航空學(xué)院工作，在軟物質(zhì)力學(xué)領(lǐng)域開展研究。發(fā)表論文30余篇，其中以第一/通訊作者發(fā)表在Matter,J. Mech. Phys. Solids, Adv. Funct. Mater., ACS Appl. Mater. Interfaces等期刊上。