在不同纤维类型下，研究薄层碳纤维复合材料在常温和低温条件下的力学性能及横向裂纹起始情况

《COMPOSITES SCIENCE AND TECHNOLOGY》：Investigation of Mechanical Properties and Transverse Crack Onset of Thin-Ply Carbon-Fiber Composites in Ambient and Cryogenic Conditions with Varying Fiber Types

横向微裂纹启始是碳纤维增强聚合物（CFRP）低温燃料储罐的关键失效模式。本研究通过测试不同纤维模量（高强T700S、中等模量IMA、高模量M55J）和层厚（280/140/70μm）的CFRP层合板，在296K和77K环境下评估LaRC03准则预测横向裂纹启始的能力。结果表明：中等模量纤维（IMA）在低温下兼顾韧性和模量，横向启始应变最高（296K: 1.28%，77K: 0.98%）；高强纤维（T700S）虽Gic值最高，但剪切模量较低导致更易发生剪切主导的裂纹扩展；高模量纤维（M55J）因脆性显著降低裂纹启始抗力（77K: 0.41%）。LaRC03模型在低温下预测精度优于室温，且与显微观察结果高度吻合。

　　在低温环境中，碳纤维增强聚合物（CFRP）材料的横向微裂纹是影响其结构完整性的重要失效模式。尽管CFRP因其高强度、轻质和耐用性而广泛应用于各种结构，但在用于低温燃料存储系统时，如液氢（20 K）和液氧（90 K）的储罐，其聚合物基体在极端低温下会变得脆性，从而导致微裂纹的产生和扩展。这些裂纹可能穿透整个层合板，形成泄漏通道，最终影响储罐的密封性。因此，如何准确预测低温条件下CFRP的裂纹起始和扩展行为，对于提高低温储罐的安全性和可靠性至关重要。

本研究旨在通过分析不同纤维模量和层厚度的CFRP层合板，评估其在常温（296 K）和低温（77 K）条件下的机械性能和裂纹起始行为。实验中采用LaRC03嵌入层失效准则，对裂纹起始进行预测，并结合实验数据进行验证。通过对比不同纤维类型（中等模量IM纤维、高强度HT纤维和高模量HM纤维）在两种环境下的表现，研究揭示了纤维模量和层厚度对裂纹起始的显著影响。同时，还探讨了低温对材料特性的影响，以及如何通过实验测量获取关键的工程常数，用于构建更精确的预测模型。

研究发现，中等模量纤维在低温条件下表现出最佳的韧性与模量平衡，这使得它们对90°层微裂纹的抵抗能力最强。相比之下，高模量纤维由于其固有的脆性，在两种环境下均表现出较低的横向裂纹起始强度。高韧性纤维虽然提高了对张开模式裂纹的抵抗能力，但其在常温下更容易受到剪切驱动的损伤影响，尤其是在高变形水平下。此外，纤维直径也影响裂纹起始，其对层厚度与纤维直径之比具有重要影响，从而影响裂纹起始的临界条件。

在低温环境下，CFRP的基体表现出显著降低的断裂应变，使得裂纹的生长和整体失效更依赖于基体的延展性而非复合材料的全局强度。因此，理解材料在低温下的力学行为对于优化其在极端环境下的应用至关重要。研究还发现，CTE（热膨胀系数）的不匹配会导致冷却过程中产生残余应力，这些应力显著影响横向裂纹的起始。通过实验测量，可以间接反映这些影响，而无需显式建模残余应力场。

为了获得必要的工程常数，如能量释放率、拉伸模量和剪切模量，研究采用了多种测试方法，包括双悬臂梁（DCB）和端部带缺口弯曲（ENF）测试，以测量不同纤维系统的断裂韧性。同时，进行了拉伸测试和层间剪切测试，以评估材料在不同方向上的性能。这些实验数据被用于计算LaRC03模型中的关键参数，从而预测裂纹起始行为。

在实验过程中，采用光学显微镜对裂纹起始进行观察，并与LaRC03模型预测结果进行对比。通过逐步加载和记录应变，研究者能够评估不同纤维系统在不同厚度下的裂纹起始情况。结果表明，LaRC03模型在两种环境下均与实验数据有良好的一致性，尤其在77 K测试中表现更佳。这说明该模型能够有效预测CFRP在低温条件下的裂纹行为，为材料设计和优化提供了有力支持。

此外，研究还发现，随着纤维模量的增加，横向裂纹起始强度有所提高，但同时也降低了材料的延展性。这表明，在低温环境下，纤维模量的提升虽然有助于增强材料的强度，但可能增加裂纹扩展的风险。因此，在设计低温应用的CFRP材料时，需要在纤维模量和延展性之间找到合适的平衡。

通过实验和模型预测的对比，研究进一步验证了LaRC03模型的有效性。对于高韧性纤维，模型预测其横向裂纹起始应变较高，但在低温条件下，由于基体延展性的下降，裂纹起始更早发生。而对于中等模量纤维，模型预测与实验观察结果高度一致，说明其在低温环境下的表现更稳定。高模量纤维虽然在模型预测中表现出较高的强度，但其裂纹起始应变较低，表明其在低温下的脆性更明显。

这些发现对于低温储罐的设计和优化具有重要意义。通过选择合适的纤维类型和层厚度，可以有效提高CFRP在低温条件下的性能，减少微裂纹的形成和扩展，从而提升储罐的密封性和结构完整性。此外，研究还强调了在低温条件下，基体的延展性对裂纹起始的影响，以及如何通过实验测量和模型预测相结合的方式，更好地理解材料的行为。

总之，本研究通过系统分析不同纤维模量和层厚度的CFRP在常温与低温条件下的机械性能和裂纹起始行为，为未来在低温环境下应用CFRP材料提供了重要的理论依据和实验数据支持。LaRC03模型的应用表明，它是一种有效的工具，能够预测CFRP在不同条件下的裂纹行为，尤其是在低温环境下。这些结果有助于推动CFRP在航天、航空等领域的进一步应用，特别是在需要高可靠性和高性能的低温储罐设计中。