厚截面复合材料层间剪切性能的尺寸效应

针对厚截面玻璃纤维增强树脂基复合材料,开展数字图像相关技术辅助的短梁剪切实验,获得不同厚度单向复合材料层间剪切行为随厚度的变化规律。为了探索材料层间剪切力学行为的尺寸效应机制,通过试样切片扫描电镜照片,观察不同厚度试样的孔隙微观特征。采用图像处理,获得不规则孔隙轮廓,提出定量表征微观特征的参数。随机生成包含纤维、基体、纤维/基体界面和孔隙的三维代表体元(RVE)模型,并通过数值分析研究不同尺寸和分布的不规则孔隙对复合材料层间剪切强度的影响。短梁剪切实验结果表明单向复合材料的层间剪切力学行为与试样厚度无关,但剪切强度随着试样厚度的增加下降。图像分析结果可见不同厚度试样孔隙的分布规律,大小,集中和不规则程度存在显著差异。RVE的数值分析结果表明:损伤是由于靠近孔隙的纤维与基体界面破坏引起的,且随着在相同孔隙率的情况下最大孔隙尺寸的增加,厚截面复合材料的层间剪切强度下降。同时孔隙集中度、孔隙率也对材料层间剪切强度有明显的影响。上述实验与分析结果表明厚截面复合材料层间剪切强度尺寸效应与材料孔隙的微观特征参数有关,随复合材料厚度增加,孔隙率、最大孔隙尺寸和集中程度变大,剪切强度下降,因此不同厚度材料孔隙微观特征的差异性是导致了材料层间剪切强度下降的重要机制之一。