摩擦叠焊铝-玻璃纤维增强聚合物异质接头的I型断裂特性研究及其热塑性夹层效应

为解决铝-热固性GFRP异质接头在摩擦叠焊中的断裂行为难题，研究人员通过双悬臂梁(DCB)测试结合数字图像相关(DIC)技术，揭示了热塑性PA6夹层的机械互锁与纤维桥接机制。创新性提出三线性内聚区模型(CZM)，其有限元仿真与实验结果高度吻合，为热塑性夹层异质焊接系统的断裂预测提供了新范式。

　　

这项研究深入解析了带热塑性夹层的铝-热固性玻璃纤维增强聚合物(GFRP)摩擦叠焊接头的I型断裂行为。通过双悬臂梁(DCB)实验配合数字图像相关(DIC)技术，科研人员精确捕捉裂纹扩展过程并计算应变能释放率(SERR)。研究对比了考虑断裂过程区(FPZ)效应的基于柔量梁法(CBBM)与传统裂纹尖端法(CTM)，发现前者更能准确表征界面失效行为。

扫描电镜(SEM)观测揭示了两种关键结合机制：热塑性聚酰胺6(PA6)夹层与铝的机械互锁，以及熔融聚合物向GFRP纤维的渗透。断裂面分析显示，裂纹最初在夹层聚合物内扩展引发内聚破坏，随着载荷增加转向GFRP层导致显著纤维桥接现象。这些动态过程通过牵引-分离曲线得到完美呈现。

研究团队创新性构建了三线性内聚区模型(CZM)来量化纤维桥接效应，有限元模拟获得的载荷-位移曲线与实验数据高度吻合。该工作不仅深化了对异质接头断裂机理的认识，更为含热塑性夹层的摩擦焊接系统建立了可靠的断裂预测模型，为航空航天等领域的轻量化结构设计提供了重要理论支撑。