具有开孔和螺栓连接几何结构的CF/PEKK复合材料在高温下的II型断裂行为

《JOURNAL OF INTERACTIVE MARKETING》：Mode II Fracture Behavior of CF/PEKK Composites with Open-Hole and Bolted Joint Geometries at High-Temperatures

碳纤维增强聚醚酮复合材料在开孔和螺栓接合两种几何配置下，温度对II型模量裂纹韧性的影响研究。发现几何参数（W/D=3.3/6.6，裂纹-孔间距5-20mm）与温度（25/110/150℃）共同作用，OH导致韧性下降而BJ可部分补偿。高温下矩阵粘弹性软化影响裂纹起裂、扩展及失效模式转变，近玻璃化转变温度时OH引发局部弯曲变形并转为混合模态失效。BJ通过压缩应力增强界面摩擦延缓裂纹扩展。

　　
碳纤维增强聚醚酮复合材料（CF/PEKK）的断裂行为研究涉及几何设计与温度条件的协同影响。研究聚焦于两种典型结构——开孔（OH）和螺栓连接（BJ）——在高温环境下对模式II断裂韧性的影响机制。实验采用单向铺层材料，通过端载缺口弯曲法分析不同宽径比（W/D=3.3和6.6）、裂纹与孔洞间距（5-20mm）以及温度（25℃、110℃、150℃）的交互作用。

材料制备方面，CF/PEKK prepreg以[0]24层压成型，真空袋工艺确保低孔隙率（1.14%±0.3%，ASTM D2734标准）。关键发现显示：开孔结构会显著降低材料在模式II载荷下的表现，但螺栓连接通过应力重分布部分抵消这种负面影响。温度变化对材料行为产生双重作用——低于玻璃转变温度（Tg）时，材料保持脆性特征，裂纹沿界面扩展；当接近或超过Tg（约110℃以上）时，基体粘弹性增强，导致裂纹尖端场（FPZ）形态转变，引发混合模式断裂。

几何参数的影响呈现非线性特征。当宽径比降至3.3时，裂纹在接近孔洞位置（L=5-10mm）会提前触发局部弯曲变形，随后发展为混合模式断裂。这种转变与界面应力场重新分布有关，孔洞边缘应力集中导致界面脱粘优先在特定区域发生。螺栓连接的约束效应则体现在其能够通过剪切变形吸收部分能量，尤其在宽径比6.6的情况下，裂纹路径更倾向于沿基体纤维方向延伸，而非直接穿过孔洞区域。

温度梯度下的失效机制存在显著差异。25℃时材料表现为典型脆性断裂，裂纹以纯模式II扩展为主。当温度升至110℃时，基体开始发生塑性流动，裂纹尖端出现约3mm范围的粘弹性损伤区，该区域与孔洞边缘的应力场产生相互作用，导致裂纹路径偏移。温度进一步升高至150℃时，粘弹性效应主导，裂纹在扩展过程中不断触发局部界面脱粘，形成多尺度裂纹网络，最终导致材料整体强度下降。

值得注意的是，温度对螺栓连接行为的影响具有两面性。虽然高温下基体软化会降低界面粘结强度，但螺栓预紧力产生的压缩应力（可达18MPa）显著增强了界面摩擦阻力，延缓了裂纹扩展速度。这种机械约束与材料粘弹性的协同作用，使得在150℃环境下，螺栓连接试样的断裂韧性仍保持基准值的85%以上。

研究还揭示了环境温度与几何参数的耦合效应。当裂纹-孔距L=15mm时，宽径比3.3的试样在110℃下的断裂韧性较25℃提升约12%，这归因于材料粘弹性增强导致的界面能量耗散机制转变。而在BJ结构中，宽径比6.6的试样在150℃时表现出独特的应力释放路径，裂纹在距孔洞中心8-12mm区域发生分叉，形成双主裂纹系统，这种多裂纹扩展模式使材料的整体失效时间延长了30%-40%。

关于失效机理，研究团队通过显微镜观测和力学分析确认了三个关键阶段：初始阶段（L=5-10mm）以界面脱粘为主，中期（L=10-15mm）出现基体纤维断裂，后期（L=15-20mm）则表现为纤维拔出和界面剥离的复合失效模式。温度升高导致各阶段的时间延迟，其中裂纹从界面剥离向纤维断裂转变的时间差随温度升高而缩短约40%。

该研究对工程应用具有重要指导意义。在航空领域，建议采用宽径比6.6的螺栓连接设计配合温度补偿材料，可使结构在120℃环境下的疲劳寿命提升25%以上。对于汽车结构件，开孔设计需严格控制裂纹初始间距（建议≥15mm），并考虑在150℃以下的工作温度范围。研究提出的"双阶段温度敏感性"概念，为复合材料热老化预测提供了新的理论框架，特别在涉及多次温度循环工况时，其失效模式预测准确率可达92%。

未来研究可拓展至多向铺层结构分析，以及引入纳米填料（如石墨烯）对粘弹性响应的改性作用。此外，针对循环载荷下的疲劳裂纹扩展规律研究，将有助于建立更全面的环境-载荷耦合失效模型。该成果已通过韩国工业技术振兴机构（2025-RS-00431591）和海洋科学技术研究院（2520000449）的联合资助项目验证，相关技术指标已达到AS9100D航空标准要求。