【专题综述】碳纤维增强聚合物层合板Ⅱ型断裂韧性评估的全场成像技术

摘要

为在试样级与子结构级复制分层，研究中常向测试试件内引入模拟缺陷。因此，明确这些缺陷在层合板内的力学行为至关重要。全场成像技术应用于探究碳纤维增强聚合物（CFRP）复合材料中人工缺陷的影响机制。

研究选用中心裂纹层(CCP)试件，通过简单的拉伸试验来评估层合复合材料的Ⅱ型断裂韧性。制备两批试件，型号分别为IM7/8552，均将5μm厚度的钢膜插入试件作为人工缺陷。其中第一批试件的钢膜插入件表面涂覆Frekote脱模剂，第二批试件的钢膜插入件则未经涂覆直接嵌入层合板。此外，还制备了第三批铺层方式为[04, 90]s的试件。

为获取测试试件的全场温度与位移数据，研究同步采用热弹性应力分析（TSA）与数字图像相关法(DIC)。90°铺层可以增强热对比度利用、各向异性力学与热学性能。首先对试件施加单调载荷直至破坏，期间通过数字图像相关法捕捉损伤起始与破坏阶段的应变分布；同时，采用声发射技术（acoustic emission）评估损伤起始时刻，并通过载荷下降间接评估断裂韧性。

研究结果表明全场成像技术能够确定脱模剂与铺层结构是如何影响损伤起始及扩展过程的。非绝热热弹性响应可有效观测试件亚表面损伤。最后，研究还提出一种基于失效事件的温度升高值评估断裂韧性的新方法。

1.引言

为模拟复合材料层压板中的分层，通常会在测试试件中引入人工缺陷。所测断裂参数的可靠性取决于这些缺陷复制真实的失效机制的准确程度。因此，对此类缺陷的真实呈现至关重要。研究II型断裂行为的一种广泛采用的构型是中心裂纹层（CCP）试样，该构型最早于1990年代初提出。CCP试样是一种单向层压板，其中若干铺层被横向切断，形成人工裂纹。该切口诱发局部应力集中，从而引发四个层间基体裂纹，这些裂纹在拉伸载荷下以不稳定方式扩展。II型断裂韧性（GII）通过基于能量的公式计算，该公式取决于试样宽度W、厚度t、杨氏模量E、切割层数x的比值以及触发不稳定裂纹扩展的临界载荷P等参数。

该测试方法早期应用时，因裂纹扩展存在不对称性与不规则性，测试重复性欠佳。这一问题主要源于只有横向层切割这种损伤起始方式。后续研究中引进了一种改良版本的试件，在预裂纹位置增设两处人工分层结构。引入插入件主要有两大主要功能：一是通过促进层合板中面（层合板厚度方向的中间平面）处的对称性，稳定裂纹扩展路径；二是最大限度降低混合模式效应。

Le Cahain 等人针对不同插入件材料对断裂韧性测试结果的影响开展对比研究。结果表明，采用钢质插件时，测试所得数据与无插件试件的行为价值最接近。Scalici 等人通过实验与数值模拟结合的方式，进一步分析人工分层对测试的影响，最终确定了可消除Ⅰ/Ⅱ型混合模式效应的最小裂纹长度值。

除静态断裂特性表征外，中心裂纹层（CCP）试件还被用于疲劳测试。测试中采用夹式引伸计监测分层扩展速率，为建立半经验裂纹扩展模型提供数据支撑。疲劳载荷过程允许使用热弹性应力分析（TSA），该分析技术需依托循环应力状态，利用应力与温度间的可逆关系实现应力场表征。对于正交各向异性铺层，温度变化主要取决于主材料方向的施加应力幅值（∆σ₁、∆σ₂），以及材料本身的特性参数，如热膨胀系数（α₁、α₂）、密度（ρ）和定压比热容(Cp)  

鲜有研究在全场技术评估CCP试验中应用TSA来分析碳纤维和玻璃纤维层压板中的裂纹扩展。本研究旨在通过采用数字图像相关技术DIC和TSA来增进对CCP试样行为的理解。主要目标包括：1.利用非绝热热弹性响应无需直接观察分层裂纹前沿来监测损伤进程；2.融合全场应力和应变数据，更深入地理解人工分层在测试环境中的影响；3.通过直接评估断裂过程中释放的能量，借助全场数据来评估断裂韧性。

2. 材料与方法

本研究采用IM7/8552碳纤维/环氧树脂预浸料制备三组试件，并使用长度20mm、厚度5μm的钢质插入件构建人工分层结构。研究核心目的一是探究涂覆Frekote® 脱模剂（美国康涅狄格州罗基希尔市乐泰公司生产）对人工分层力学行为的影响，二是通过对铺层方案进行微调，分析其对全场测试结果的影响。

实验共设计三种试件构型（方括号内数字代表铺层方向）：（1）[04,0]s：钢质插入件表面涂覆 Frekote® 脱模剂；（2）[04,0]s：钢质插入件直接固化（未涂覆脱模剂）；（3）[04,90]s：钢质插入件表面涂覆 Frekote® 脱模剂（注：下划线上数字代表经横向切割的铺层）。从制备完成的层合板中切割出尺寸为 200 mm（长）×10 mm（宽）的试件条，其几何参数与文献[3]一致，以便与已报道的断裂韧性数据进行直接对比。

为满足全场测试需求，试件需进行如下预处理：先涂覆一层哑光黑漆（用于红外热成像），再通过喷涂方式制作精细的白色散斑图案（用于数字图像相关法，DIC），从而实现试件表面应变场与温度场的同步采集。此外，每个试件均布设两个声发射传感器。

全场成像测试系统由两部分组成：一是立体数字图像相关（DIC）系统，含 2 台 1200 万像素 FLIR Blackfly 白光相机（配备 25 mm 镜头）；二是 Telops Fast M3K红外相机（配备50mm镜头），用于采集温度数据。DIC图像采用商业软件MatchID进行处理，热弹性应力分析（TSA）数据则通过自定义的室内算法分析—该算法可在选定加载频率下进行时间滤波，进而提取热弹性信号。

力学测试包含两项内容：（1）单调拉伸测试（位移速率0.5 mm/min）直至试件破坏，用于评估Ⅰ型断裂韧性（GII）；（2）循环加载测试（载荷范围 3.5±3 kN），加载频率涵盖 0.5~30 Hz，以捕捉人工分层对试件疲劳性能的影响。

3. 结果与讨论

图1呈现了单向试件的单调拉伸测试结果。实验共测试6个试件，其中3个采用涂覆脱模剂的钢质插入件，另外3个采用未涂覆脱模剂的钢质插入件。

通过数字图像相关法（DIC）获取的载荷-应变曲线中，均出现明显的“载荷下降”现象，该现象与裂纹失稳扩展的起始时刻直接对应（图 1a），这一结果印证了DIC技术在识别复合材料损伤起始与扩展过程中的有效性。红外热成像结果显示，试件表面出现局部温度升高区域（图1b），该温度变化源于裂纹扩展过程中的能量释放。声发射测试结果（图1c）进一步佐证了损伤过程，在载荷曲线出现峰值并伴随下降的阶段，声发射能量呈现显著激增。

图1.（a）载荷-应变曲线；（b）损伤扩展时释放的热能；（c）整个测试过程中的总声能

根据公式（1）计算出的II型断裂韧性，在每种类型的三个试样上取平均值，涂有Frekote脱模剂的插入件为1271 J/m²，未涂覆的插入件为1224 J/m²。这些结果与文献[2]中的1203 J/m²非常接近。这些数值表明没有显著差异，尽管涂覆脱模剂的插入件有略微的增加。除了公式（1）中已确立的载荷下降法之外，还引入了一种评估能量释放率的新方法。该方法基于分层区域的局部温度升高（图1b）。在裂纹沿厚度方向对称扩展、裂纹前沿瞬间扩展且均匀推进的假设下，以及在所有断裂能都以热的形式耗散的假设下，GII型断裂韧性可以表示如下：

通过该方法计算得出的断裂韧性，与采用公式（1）获得的结果高度吻合，其中涂覆脱模剂插入件试件的断裂韧性平均值为1282 J/m²，未涂覆脱模剂插入件试件的平均值为1222 J/m²。

图2呈现了单向铺层试件在0.5 Hz加载频率下，通过热弹性应力分析（TSA）获取的全场∆T/T₀（温度变化率）结果，具体涵盖三种试件：（a）含涂覆Frekote脱模剂插入件的试件、（b）含未涂覆脱模剂插入件的试件、（c）铺层中含90°铺层且插入件涂覆Frekote脱模剂的试件。

图2. 不同铺层试件在 0.5 Hz 加载频率下的热弹性应力分析（TSA）∆T/T₀分布图对比：（a）[04,0]s铺层（含 Frekote 脱模剂）（b）[04,0]s铺层（不含 Frekote 脱模剂）（c）[04,90]s铺层（含 Frekote 脱模剂）

由于所选碳纤维在纵向与横向方向上的热膨胀系数（CTE）存在不匹配现象—横向方向的热膨胀系数比纵向高两个数量级—在层合板中心位置引入90°铺层，可显著提升热对比度。这些 90°铺层会产生更强的热弹性响应，其作用类似于内置热源，从而借助热弹性应力分析（TSA）技术，进一步优化对损伤的检测、追踪与可视化效果。

4. 结论

本研究采用中心裂纹层（CCP）试件，探究了人工分层对碳纤维增强聚合物（CFRP）层合板Ⅱ型断裂韧性及全场响应的影响。结果表明，当使用5μm厚钢质插入件时，涂覆Frekote®脱模剂对所评估的断裂韧性影响极小。 

研究证实，数字图像相关法（DIC）与红外热成像技术具备检测失稳损伤扩展起始时刻的能力。同时，本研究提出一种通过破坏事件发生时的温度升高值评估断裂韧性的新方法—该方法与成熟的基于载荷下降的传统方法结果高度吻合。 

此外，在对碳纤维试件进行热弹性应力分析（TSA）时，引入90°铺层可显著提升热对比度，进而提高对亚表面分层的检测能力。