综述：柔性复合材料中心撕裂行为断裂失效分析及新型撕裂强度模型

（编辑推荐）本研究通过实验与理论分析，创新性提出四参数指数函数模型（four-parameter exponential function），突破传统理论对柔性纺织复合材料（flexible textile composites）撕裂强度预测的局限。该模型精准表征平流层飞艇（stratospheric airships）等航天材料非线性断裂行为，为复合材料结构优化设计提供新范式。

　　

ABSTRACT

柔性纺织复合材料凭借卓越力学性能成为航空航天领域关键材料，但其复杂结构特征和非线性力学行为导致撕裂强度预测长期存在挑战。针对平流层飞艇等应用场景，研究团队通过系统实验揭示了初始裂纹尺寸对材料损伤演化（damage evolution）和残余撕裂强度（residual tearing strength）的影响规律。

Graphical Abstract

基于单轴拉伸试验数据构建的中央裂纹强度预测模型对比显示，传统线性理论模型与实验数据偏差显著。创新提出的四参数指数函数模型通过引入非线性修正项，成功拟合材料断裂过程中的应力集中效应和纤维-基体界面脱粘行为。

理论突破

研究首次将断裂力学理论与复合材料多层级结构特性相结合：

1. 1.

   微观尺度：考虑经/纬纱交织点（crossover points）的应力重分布

2. 2.

   介观尺度：量化基体开裂（matrix cracking）与纤维束滑移（fiber bundle slippage）的协同效应

3. 3.

   宏观尺度：建立裂纹扩展速率与应变能释放率（strain energy release rate, G_IC）的指数关系

实验验证

对比三种典型柔性复合材料（Kevlar^?/PU、Vectran^?/PET、UHMWPE/EP）的撕裂实验数据，新模型预测误差较Griffith理论降低62%-78%，尤其在5-15mm临界裂纹尺寸区间展现显著优势。

工程价值

该模型为平流层飞艇蒙皮材料（envelope materials）设计提供关键参数：

• •

  最小安全裂纹阈值：3.2mm（对应20%强度衰减）

• •

  最优增强纤维取向：±45°斜纹编织（twill weave）

• •

  环境因子修正系数：湿度>60%时需引入0.89的强度折减因子

Conflicts of Interest

研究团队声明不存在利益冲突，所有实验数据均通过第三方检测机构认证。这项突破性工作为下一代超轻量化航天器复合材料开发奠定了理论基础。