Interlaminar Shear Degradation and Cohesive Zone Modelling of Thermally Aged CFRP Laminates
本研究通过将实验性的短梁剪切测试与贝叶斯推断的内聚力区参数及温度依赖型演化模型相结合，建立了一个将热老化历程与 T700/环氧树脂 CFRP 层间剪切性能退化联系起来的定量框架，旨在准确预测长期界面行为和力学响应。
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现代飞机、风力涡轮机以及高性能汽车越来越多地依赖于一种既有钢铁般强韧又如羽毛般轻盈的材料：碳纤维增强聚合物。这种材料通过将嵌入粘性塑料树脂中的薄碳纤维片层叠在一起制成，非常像一种三明治。虽然纤维提供了强度，但树脂将它们固定在一起，并将载荷从一层传递到下一层。然而，这些结构经常面临一个无形的敌人：热量。在多年的储存或使用过程中，暴露在热空气中可能会缓慢改变树脂的化学性质，使树脂变得脆弱，或导致纤维与塑料之间的结合力减弱。这种损伤通常用肉眼无法察觉，但却会导致层间剥离，这种失效被称为分层，它会危及整个结构的完整性。准确了解热量是如何使这种材料老化的，对于预测这些机器可以安全飞行或运行多久至关重要。
南京理工大学的一个研究小组致力于绘制这种无形的衰减图谱。他们专注于一种特定类型的碳纤维复合材料，使用了一种标准测试方法，即通过弯曲一块短而厚的材料直至其断裂。通过将样品加热到150、180和200摄氏度，加热时间从一天到一年以上不等，他们观察了材料抵抗剪切力的能力如何发生变化。他们不仅测量了样品在断裂前能承受多少重量，还利用强大的显微镜观察了断裂表面，并使用先进的计算机模拟来反向工程材料内部层的隐藏属性。其目标是建立一个数学模型，能够基于仅几周的测试，预测材料在多年老化后的行为。
结果显示，热量的作用并非简单地让材料呈线性变弱。在150摄氏度的较低温度下，材料在老化几个月后实际上承载了略多的重量，这表明热量可能有助于树脂进一步硬化或沉降，这一过程被称为后固化。然而，随着温度上升到180和200度，或者随着暴露时间延长至1,000小时，材料开始退化。在200度下经过一整年的暴露后，材料保留了约91%的原始强度，这一显著下降标志着严重的内部损伤已经开始。
通过仔细观察破碎的部分，研究人员看到了材料失效方式的明显转变。新鲜样品表现为破碎的树脂和分离的纤维的混乱混合。但经过高温长时间烘烤的样品则展示了不同的情况：纤维被树脂剥离得非常干净，层与层之间沿着界面干净利落地剥离。这表明热量削弱了纤维与塑料之间类似胶水般的结合力，导致层与层之间发生滑动，而不是树脂本身发生破碎。
为了理解背后的力学机制，该团队构建了一个详细的弯曲测试计算机模型。他们使用了一种复杂的数学方法，类似于一种高效的试错系统，来推测层间界面的隐藏属性。他们调整了模拟中的三个关键数值：断裂前的结合刚度、失效瞬间的结合强度，以及一旦损伤开始后拉开各层所需的能量。通过将计算机的输出与真实的实验数据进行匹配，他们准确识别了这三个属性如何随时间和温度而变化。
研究发现，结合强度是控制材料能承载多少重量的主要因素，而结合的刚度则决定了材料在开始失效前的行为。拉开各层所需的能量则支配了峰值载荷之后损伤的扩散。利用较短老化阶段的数据，研究人员创建了一组描述这些属性随时间演变的方程。当他们使用这些方程来预测材料在老化1,000小时后的行为时，他们的预测非常准确，与实际实验结果的平均误差仅为1.5%左右。
这项工作为观察复合材料的老化提供了一种新视角。研究人员不再仅仅测量样本能承受多少重量，而是将可见的性能与微观层面发生的不可见变化联系起来。他们表明，通过理解热量如何改变层间结合的具体方式，工程师可以建立能够准确预测结构剩余寿命的模型。这意味着在未来，飞机的安全性与寿命以及其他关键部件的安全性与寿命，将不仅取决于它们的外观，还将取决于对其内部结合随时间变化的精确计算。
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