玻璃纤维增强等规聚丙烯（iPP）在静态与循环载荷下的失效行为：时间、温度与纤维取向的可分解性表征

本综述系统阐述了短/长玻璃纤维增强等规聚propylene（iPP）复合材料的力学性能各向异性与时间-温度依赖性特征。研究创新性地提出基于现象学模型的"可分解性框架"，证实了塑性失效（yield stress）与慢速裂纹扩展（slow crack growth, SCG）失效机制中，纤维取向（fiber orientation）与应变率（strain rate）、温度（T）的影响可被乘法解耦。该模型显著降低了材料表征的实验复杂度，实现了跨速率（10-4–102 s-1）、温度（-20–80°C）、取向（Pσσ）及载荷比（R）、频率（f）等多参数条件下的失效行为精准预测，为纤维增强热塑性复合材料在汽车轻量化等工程领域的长期性能评估提供了高效建模工具。

　　

引言：纤维增强热塑性复合材料的挑战与机遇

纤维增强热塑性塑料（如短/长玻璃纤维增强等规聚丙烯，iPP）因其轻质、可回收及易加工特性，在汽车结构件等领域应用日益广泛。然而，其力学行为存在显著各向异性（源于纤维取向分布）和时间-温度依赖性（源于基体粘弹性），导致材料表征需耗费大量短期与长期测试资源。本研究整合塑性失效与慢速裂纹扩展（SCG）驱动的失效模型，提出基于"可分解性"（factorizability）的统一框架，旨在高效预测多维参数空间下的材料行为。

实验设计与材料体系

研究选用三种SABIC提供的玻璃纤维增强iPP：30wt%短玻纤（SGF30）、40wt%短玻纤（SGF40）及40wt%长玻纤（LGF40）。通过注塑成型制备标淮试样（ISO 527 1A/1BA），并利用X射线断层扫描（μCT）量化纤维取向张量（P_σσ）——关键参数用于表征各向异性程度。力学测试涵盖拉伸、蠕变及疲劳实验，温度范围-20–80°C，应变率10^-4–10² s^-1，疲劳载荷比（R）0.01–0.55，频率（f）0.3–10 Hz。

塑性失效机制的可分解性验证

应变率与温度依赖性：通过Ree-Eyring本构模型成功描述屈服应力（σ_y）响应，其包含三个分子弛豫过程贡献：

σ_y(ε?,T) = Σ_x=1³ [k_bT/v_x^*]·sinh^-1[ε?/ε?_0,x · exp(ΔU_x/RT)]

关键参数如激活体积（v_x^*）、速率常数（ε?_0,x）及活化能（ΔU_x）通过联合拉伸与蠕变数据拟合获得。蠕变失效通过临界应变（ε_cr）准则关联塑性流动率（ε?_pl）与失效时间（t_f）：ε_cr = ε?_pl·t_f，且ε_cr随温度升高呈S型增长。

纤维取向因子的普适性：证实屈服应力满足乘法分解：

σ_y = f(ε?,T)·g(P_σσ)

其中各向异性缩放函数g(P_σσ)遵循经验幂律：g(P_σσ) = 1 + a·P_σσ^b（SGF30: a=3.08, b=3.34；LGF40: a=3.99, b=3.36）。该函数将取向影响简化为垂直应力轴的平移，使单一取向下的速率-温度表征可推广至任意取向。

慢速裂纹扩展失效的扩展框架

温度与载荷历史的耦合效应：SCG主导区（低应力、长时域）显示循环载荷显著降低寿命，且频率依赖性明显。时间-温度叠加原理适用，水平移位因子a_T(T)符合Arrhenius关系（ΔU=109 kJ/mol）。失效时间幂律关系：t_f ∝ (σ_a/c_f)^-m，斜率m=16.8（LGF40）且与温度无关。

载荷比与频率的模型集成：基于Kanters模型，推导出统一表达式：

t_f(R,f,σ_a) = [σ_a·f^(1-Rα)/m / (c_f,cyclic^1-Rα·c_f,static^Rα)]^-m

其中α=1.09捕捉载荷比非线性效应，c_f,cyclic=173 MPa（纯循环）与c_f,static=271 MPa（静态）定义失效界限。

纤维取向的相同缩放规律：SCG失效的各向异性缩放与塑性失效共用同一g(P_σσ)函数，证实因子分解在两种机制中的普适性。

跨机制统一预测模型

整合温度、取向、载荷比、频率的最终模型：

σ_a(t_f,T,R,f,P_σσ) = u(t_f,T,R,f)·g(P_σσ)

= [c_f(R,f)/g(P_σσ,ref)]·(t_f/t_f,0·a_T)^-1/m·g(P_σσ)

该模型在未参与参数化的实验条件（如高温、低取向、高R值）下仍保持良好预测精度，验证了框架的鲁棒性。

讨论与局限性

当前模型在特定iPP基体与纤维含量（30–40wt%）范围内验证，但微结构梯度（如皮芯形态）、加工诱导结晶度变化引入的预测偏差提示需进一步细化。纤维长度、含量与界面黏结的影响可望通过Kelly-Tyson或Fu-Lauke等分析模型扩展，但SCG斜率（m）随纤维含量增加（未填充iPP: m=3–6 → LGF40: m=16.8）表明此类扩展需谨慎。未来工作需聚焦多尺度结构参数与失效机制的耦合建模。

结论：可分解性框架的工程价值

研究证实时间-温度-取向的乘法分解可大幅提升纤维增强热塑性塑料的表征效率。塑性失效与SCG失效的统一描述为汽车轻量化等领域的长期性能评估提供了可靠工具，减少了对庞大实验矩阵的依赖，推动材料设计向数字化、高通量方向发展。