【复材资讯】单向层压复合材料仿生自拼接技术研究进展(3)

图3(a)准静态弯曲试样；(b)不同结构样品铺层切口的光学显微照片；(c)SS-100显微CT显微照片及二维切片；(d)CFRP层合板自拼接层内形成的三角形空洞示意图
图4a为CFRP试样具有代表性的应力-应变曲线。所有曲线均表现出相似的初始线弹性阶段，但应力峰值后的趋势不同。对于UD，应力在应变为0.012时达到峰值，随后峰值应力突然下降40%，然后继续逐渐降低至破坏，整体破坏应变较小。与UD不同的是，自拼接微观结构的CFRP试样在达到峰值后应力下降幅度更大；但试件的残余承载能力和整体破坏应变明显增大。其中，SS-40的弯曲曲线在应变为0.01时达到峰值后应力下降幅度最大，几乎达到峰值的90%；之后发生应变硬化，直到应力再次突然下降到一个很小的值，并逐渐减小到完全失效。SS-60、SS-80和SS-100在加载过程中，应力分别从峰值处急剧下降了80%、50%和50%，随后出现数次波动。试样在完全破坏前仍能承载，表现出与金属屈服和应变硬化相似的伪延性响应。
可以看出，试样的峰值应变随自拼接层数的增加而减小(图4b)，按自拼接层数排序，峰值应变分别比UD低25.7%、29.3%、40.1%和42.0%。由于不连续性的引入导致局部应力加剧，从而导致试样过早破坏。相反，随着自拼接层数的增加，破坏应变明显增大。SS-40的失效应变比UD高187.8%。其中，SS-60、SS-80和SS-100表现出相当大的破坏应变，超过了实验应变极限(0.07)。与UD相比，破坏应变增加了228%以上，远高于参考文献中报道的4%。自拼接微观结构的存在使得初始损伤发生得较早，但同时也将灾难性破坏转化为渐进性破坏，延缓了完全破坏的发生。

图4三点弯曲试验下试样的力学响应：(a)代表性应力-应变曲线；(b)峰值应变与破坏应变比较；(c)两种响应模式下的应力-应变曲线示意图；(d)第一转变点应力应变对比；(e)弹性阶段和损伤阶段的能量吸收；(f)第二转变点应力应变对比
图5为动态条件下层合板的损伤模式示意图。在纤维断裂位置方面，有3种情况。对于UD和SS-40，压缩导致纤维断裂发生在层压板上部冲击位置，造成灾难性破坏。而对于SS-80和SS-100，纤维断裂首先发生在距离冲击位置两步远的位置。这两种情况与准静态弯曲情况相似。对于SS-60，距离冲击位置约1步长的上部区域发生了纤维断裂，这与准静态条件下的断裂行为不同。此外，还可以发现，设计的自拼接结构引入的纤维桥接对应变速率敏感，这与参考文献一致。文献报道，在不同载荷下的纤维桥接量是不同的。随着自拼接层数的增加，准静态弯曲条件下的活化纤维桥接增加；而在动态弯曲条件下，活化纤维桥接先增加后稳定。作者认为桥接是由分层引起的，而分层扩展速率随加载速率几乎呈线性增加。因此，虽然预制纤维桥接随着自拼接层数从6层增加到10层而增加，并变得更加分散；