（一）
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通常复合材料按增强体几何形状划分为四大类：
- 颗粒复合材料
图1. 复合材料按增强体几何形状分类
（图片来源: 《Design and optimization of laminated composite materials》）
一、碳纤维层合复合材料
层合复合材料，顾名思义，即该材料是由多层（至少两层）复合材料叠加，通过层间树脂粘合而成。依据每层叠合顺序和铺层方向的不同，产品所具备的力学性能也有所差异。反之，也可以根据所需材料的性能，改变铺层角度和顺序。
图2. 层合复合材料成型原理
（图片来源:论文《Etude numérique de l’effet des singularités géométriques sur la distribution des contraintes dans les plaques stratifiées》）
碳纤维层合复合材料的增强纤维多为长纤，由于其高比模量和高比强度的特性，在航空航天领域得到了广泛应用。在研究层面上，单向（Unidirection, UD）层合复合材料（即各铺层角度相同，各层纤维排列方向一致）的力学能性能检测及优化较为简单；而多向（Multidirection, MD）层合复合材料由于其结构的复杂性和多样性，目前依然存在着许多待解决的问题，例如多向层合复合材料的断裂力学性能测定。
二、多向层合复合材料（MD）的断裂力学性能
为了确保多向层合复合材料（以下简称MD）产品设计的可行性以及MD使用时的完整性，破坏性力学性能检测对于长纤增强的碳纤维MD十分重要。虽然目前航空航天领域内已经广泛应用了MD材料，但其材料在破坏性测试下的临界值是以UD的标准为参考而定的，且范围比较宽泛，为的是保证材料必须在其能承担的负载下安全可靠地应用。这种状况的出现是由于其材料结构的特殊性决定的。以目前的检测能力和手段来看，要想能够在实验室内准确测量出大部分MD的破坏性能极限值，仍存在着一定的困难。因而目前的检测手段大多是数字仿真模拟与试验测试同步进行，比对后形成一个大范围的数据标准。
图3.飞机上的材料应用分布
（图片来源：论文《Bird-strike simulation for certification of the Boeing 787 composite moveable trailing edge》）
1. MD的断裂形式
MD的断裂形式有三种：层内破裂、层间破裂和跨层破裂。
图4.三种断裂形式
（图片来源：论文《Caractérisation de la propagation de délaminage des stratifiés composites multidirectionnels》）
-层内破裂：指的是裂缝只出现在单层内部。这主要是由于树脂基体强度较低或基体与纤维的粘合度不高导致的。层合复合材料板平面上的应力通常会导致此种断裂产生。
-层间破裂：指的是断裂发生在层与层之间。通常此种问题的产生是由于纤维与树脂基体连接不紧密。此种断裂又分为三类：模式I（ouverture）、模式II（cisaillement）、模式III（vissage）
-跨层破裂：指的是断裂的发生在与纤维方向垂直的位置。此种断裂 是由于拉力或压力导致。
2. 层合复合材料的分层损伤现象（Delamination）
在层合材料的不同损坏方式中，分层损伤是一种较为严重的情况，因此得到了科研机构和应用企业的高度关注。分层损伤是层间断裂的一种表现形式，也是其中常见和最危险的一种。这种损伤的出现是由于生产缺陷、应力集中或者疲劳应力导致的。该现象会在机械和热负荷的影响下不断扩大。
分层损伤现象不容易测量表征，并且会导致材料的力学性能大幅下降，尤其是层合复材设计里的重要因素——抗压强度。
正如上文所述，层间断裂有三种开裂表现形式,这三种形式均会导致裂缝的延长：
-模式I（ouverture）：此种形式是指样条受到两个反向的拉力。该力的方向与裂缝表面法向量平行。
-模式II（cisaillement）：此种形式是指样条受到两个反向的平行于裂纹的剪切力。该力的方向与裂缝表面法向量垂直。
-模式III（vissage）：此种形式是指样条受到两个反向的垂直于裂缝的扭力。该力的方向与裂缝平面法向量垂直。
图5.三种开裂模式
（图片来源：论文《Caractérisation de la propagation de délaminage des stratifiés composites multidirectionnels.》）
应变能释放率G是控制分层损伤出现的基本参数。G代表着弹性势能与裂纹增长量之比。只受材料与结构的影响。
G=-dΠ/dA
其中Π代表结构内部储存的弹性势能，dA表示裂纹增长的面积。
Gc是应能释放率临界值，它代表着裂缝产生时所需要的最小能量。因此当G大于Gc时分层损伤现象开始出现。Gc只与材料性质有关。
来源：本文内容均依据作者于法国国家科学研究中心波尔多材料与机械研究所的实习报告整理编辑。部分专业术语如有翻译欠妥之处，请见谅。
参考文献：
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[2]GÜRDAL, Z., HAFTKA, R.T., & HAJELA, P. « Design and optimization of laminated composite materials. » Canada: Wiley-Interscience Publication, 1999,352 p. ISBN 047125276X.
[3]SMITH, B.W. « Fractography for continuous fiber composites. » Engineered materials handbook – Volume I: Composites. Ohio, USA: ASM International, 1993, p. 786-3793. ISBN 0871702797 (v.1).
[4]BARBERO, E.J. Finite element analysis of composite materials using AbaqusTM. CRC press, 2013.
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[7]Bouzgou A A, Tati A. Etude numérique de l’effet des singularités géométriques sur le comportement des plaques stratifiées[D]. Université Abderrahmane Mira-Bejaia, 2014.
来源：北京市碳纤维工程技术研究中心
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