单根光纤拔出试验过程中裂纹萌生与扩展的光学研究

《Results in Materials》：Optical Investigation of Crack Initiation and Propagation During the Single Fibre Pull-out Test

光纤拔出试验中界面裂纹起始与扩展规律研究。通过极化光显微镜原位观测发现，裂纹起始位置及扩展模式受嵌入长度与直径比（L/D）显著影响：当L/D<4时，裂纹从嵌入端起始并单向扩展；当L/D>4时，裂纹先于入口处形成，随后在嵌入端产生次生裂纹，两者相向扩展直至完全剥离。该发现揭示了界面应力分布规律，为改进拔出试验结果解释提供了实验依据。

　　
本文通过原位光学观测方法，系统研究了不同嵌入长度条件下光纤-环氧树脂界面裂纹的萌生与扩展机制。实验采用直径为125μm的单模光学玻璃纤维，通过改进的夹具设计实现了对嵌入段（150-650μm）的精准控制。研究发现，界面失效模式与嵌入长度/直径比（L/D）存在显著相关性。

在短嵌入（L/D<4）情况下，裂纹首先在光纤嵌入段的末端萌发并沿纤维轴向向入口端扩展。当剩余界面接触面积降至临界值时（约40-60μm），裂纹扩展突然失稳，导致界面整体失效。这一现象与Kelly-Tyson模型中假设的瞬时界面失效存在本质差异，验证了弹性矩阵模型中裂纹分阶段萌生的理论。

长嵌入（L/D>4）时则呈现双裂纹协同扩展模式。初始阶段（F<8N），界面末端因应力集中率先出现微裂纹（Mode I）。随着载荷增加至12-14N，入口端形成第二条裂纹（Mode II），形成双向扩展的应力释放路径。当两裂纹间距缩短至约30μm时，应力场重新分布，裂纹尖端应力达到临界值，最终导致界面完全分离。

能量分析显示，整个失效过程可分为三个阶段：初始弹性变形阶段（能量消耗<5%），裂纹萌生与扩展阶段（累计能耗占比达75-85%），以及摩擦主导的最终分离阶段（能耗占比10-15%）。值得注意的是，长嵌入试样的能量耗散曲线呈现明显的双峰特征，对应两条裂纹的交替主导过程。

实验创新性地采用偏振光显微镜实现了亚微米级裂纹动态观测，发现界面应力存在"峰谷交替"现象：在短嵌入试样中，应力峰值始终位于嵌入段末端；而长嵌入试样在初始裂纹扩展阶段，入口端的应力集中系数可达末端值的1.8倍。当剩余接触面积<15μm时，应力场重新平衡，末端应力集中系数迅速上升至主导地位。

该研究对传统界面剪切强度测试方法提出了重要修正：现有模型中假设的单一裂纹扩展模型仅适用于短嵌入情况（L/D<4），而长嵌入时需要考虑双裂纹耦合效应。建议在后续研究中采用动态热成像技术，结合力学性能测试，建立不同L/D比下的界面失效预测模型。此外，对于宽幅（>7）嵌入试样，光纤断裂主导的失效模式可能影响界面剪切强度的测试结果，需在实验标准中明确区分光纤断裂与界面失效的判定边界。