《Materials Today Communications》：Effect of Layup Configuration on the Quasi-Static Tensile and Tension-Tension Fatigue Behaviors of Unidirectional Glass Fabric-Reinforced Composites
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聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）因其成本低、加工性好而被广泛用于汽车、医疗和光学应用，但其固有的脆性限制了其在循环载荷下的性能。研究人员采用三种铺层配置——单层[0°]1、双层[0°]2和正交铺层[0°/90°]
聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）因其成本低、加工性好而被广泛用于汽车、医疗和光学应用，但其固有的脆性限制了其在循环载荷下的性能。研究人员采用三种铺层配置——单层[0°]1、双层[0°]2和正交铺层[0°/90°]1——将单向玻璃织物增强到PMMA中，并系统评估了其准静态拉伸和拉伸-拉伸疲劳行为。研究证明，双层[0°]2配置具有最高的拉伸强度（53.93 MPa），比纯PMMA提高126%，并且在106次循环时达到10.74 MPa的疲劳极限应力，而未增强基体则几乎为零疲劳抗力。利用基于刚度的等效Paris型损伤模型，识别出一种依赖于应力水平的疲劳机制：在较高应力水平下，界面脱粘占主导并加速失效；而在较低应力水平下，取向纤维有效传递载荷、抑制裂纹扩展并延长疲劳寿命。值得注意的是，单层[0°]1复合材料表现出最高的Paris指数（8.99），表明其对界面损伤具有强敏感性，而双层[0°]2复合材料具有最低的系数（2.79×10-6），证实了其对累积损伤的优异抵抗能力。该研究表明，纤维增强热塑性复合材料的疲劳行为强烈受铺层配置控制。
聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）因成本低、可加工性好而被广泛用于汽车、医疗和光学领域，但其本征脆性限制了在循环载荷下的应用。当前纤维增强聚合物复合材料研究多集中于热固性体系，连续玻璃织物增强热塑性复合材料经热压成型的疲劳行为尚未被系统研究；注塑成型易造成连续纤维断裂和缺陷。为此，研究人员以PMMA 8N树脂粉（Rohm公司）和单向玻璃纤维织物（UDGF，江苏农潮提供）为原料，通过热压成型制备了纯PMMA（PA）及三种铺层构型[0°]
1（UD1）、[0°]
2（UD2）、[0°/90°]
1（CP）的层合板，实测纤维体积分数为8.44%~13.49%。采用电液伺服试验机完成准静态拉伸（ASTM D3039）和拉-拉疲劳试验（R=0.1、f=5 Hz，应力水平为各自强度的75%、55%、40%、30%），依据ASTM D2344进行短梁剪切试验测定层间剪切强度（ILSS）；基于刚度退化定义损伤变量D，用等效Paris型模型拟合损伤演化规律，并结合滞回环能量耗散、断口形貌及SEM观察建立多尺度分析链。
### 3.1.1 准静态拉伸行为
准静态拉伸试验显示，UDGF增强显著提高PMMA拉伸强度：PA为23.87 MPa，UD1为33.53 MPa（+40.47%），UD2为53.93 MPa（+125.93%），CP为33.56 MPa（+40.59%）。UD1与CP强度相近，表明90°纤维层对轴向承载贡献很小；UD2双0°层均沿加载方向传递载荷，强度较UD1提高60.84%。
### 3.1.2 短梁剪切（ILSS）测试
短梁剪切试验测得ILSS排序为UD2（9.44±0.17 MPa）＞CP（8.59±0.44 MPa）＞UD1（7.62±0.05 MPa）。双层0°构型提供更大的界面面积和均匀传力路径，而0°/90°错配引入界面应力集中，削弱层间剪切抗力。
### 3.2.1 S-N疲劳寿命分析
在四个应力水平下进行拉-拉疲劳试验，采用S-N线性拟合（R
2>0.95）。以外推10
6次循环定义疲劳极限，PA接近0 MPa，UD1为3.241 MPa，CP为3.659 MPa，UD2最高达10.841 MPa。高应力（>50%）时PA疲劳寿命反而高于UD1和CP，低应力时UD2寿命最长（30%应力下平均208156次），体现出应力水平依赖的机制转变。
### 3.2.2 应力-应变滞回环分析
典型滞回环显示，PA在断裂前斜率几乎不变，呈脆性断裂；UDGF/PMMA复合材料的滞回环斜率随循环数增加持续下降，反映纤维-基体界面渐进损伤、基体开裂及载荷再分配。
### 3.2.3 刚度退化分析
基于损伤变量D的刚度退化曲线均呈三阶段：初始微裂纹萌生、稳态损伤扩展、失稳破坏。CP在10%寿命时刚度损失超26%（30%应力下达48.31%），而UD1一般低于20%，PA低于15%。高应力下总刚度损失反而小于低应力，归因于累积损伤等于单周损伤率与寿命的乘积（ΔD
total=(dD/dN)×N
f）。Paris型拟合参数表明：PA的m=3.13、C=5.95×10
-5；UD1的m=8.99、C=1.74×10
-4；UD2的m=5.33、C=2.79×10
-6；CP的m=7.79、C=2.98×10
-5。高m反映界面损伤对驱动力的高敏感性，低C代表单位驱动力下基础损伤累积率低。
### 3.2.4 能量耗散分析
通过滞回环面积积分获得每周期耗散能。PA呈两阶段耗散，复合材料呈三阶段耗散。稳态耗散能随应力水平下降而减小；75%应力下UD2耗散能最高（10.30×10
3 J/m
3），但Paris系数C最低，表明其能量主要消耗于可逆弹性变形和界面摩擦而非不可逆损伤。ILSS排序（UD2>CP>UD1）与C排序（UD2
### 3.2.5 宏观断口形貌
宏观断口以LGM型为主，无SGM型。高应力下PA严重碎裂，低应力下沿单一主裂纹断裂；复合材料在低应力下表面裂纹增多、断口错位，说明多薄弱点激活、损伤分散，刚度损失更大但寿命更长。CP在低应力下裂纹优先集中于0°侧，最终在90°侧失效。
### 3.2.6 SEM观察
75%应力下复合材料断口出现部分纤维断裂且残留树脂，界面结合良好；30%应力下表现为纤维拔出和界面脱粘。PA断口相对光滑，并观察到热压脱气不足引起的气泡。所有层合板制造条件相同，气泡属于系统性缺陷，不影响相对比较。
### 讨论与结论
综合ILSS、Paris参数及SEM结果，多尺度证据链一致表明UDGF/PMMA复合材料的疲劳损伤为界面主导。高应力下界面脱粘快速扩展，低应力下纤维桥接和载荷传递抑制裂纹增长。本研究结论局限于R=0.1、f=5 Hz的条件，未来将优化热压参数并研究应力比和频率的影响。
本研究系统研究了不同铺层配置下热压UDGF/PMMA复合材料的准静态拉伸和拉伸-拉伸疲劳行为，主要结论为：(1) UDGF显著提高PMMA拉伸强度，UD2最高（53.93 MPa），较纯PMMA提高126%，CP与UD1强度相当，因90°层对轴向传力贡献有限。(2) UDGF明显改善10
6次疲劳极限，UD1、UD2、CP分别为3.241、10.841、3.659 MPa，而纯PMMA接近零，UD2整体疲劳抗力最优。(3) Paris型损伤分析揭示：单层[0°]
1具有最高指数（m=8.99），对界面损伤极度敏感；双层[0°]
2指数适中（m=5.33）且系数最低（C=2.79×10
-6），抗累积损伤能力最佳；该双参数框架定量解释了应力水平依赖的界面主导向纤维主导的损伤模式转变。(4) ILSS排序（UD2>CP>UD1）与Paris系数C（UD2
