玻璃纤维铝合金层板的拉伸和疲劳性能研究

         纤维铝合金层板是在20世纪70年代末由荷兰Delft大学率先研究的。早期的研究主要集中在芳纶纤维铝合金层板上，但芳纶纤维与材料体系的匹配存在一定问题睥1，使得层板的层间强度低、残余应力大，需对纤维进行表面处理和层板预应变拉伸等措施。制造成本和周期随之增加。为解决芳纶纤维铝合金层板存在的问题，90年代初出现了新一代纤维金属层板，玻璃纤维铝合金层板。由于玻璃纤维表面活性高、强度高且与体系匹配性好。因此避免了纤维处理和预应变拉伸工艺，同时玻璃纤维铝合金层板还具有非常高的静态和疲劳性能。

       由于玻璃纤维铝合金层板优异的性能，目前在国外飞机市场上已经得到了广泛的应用。而国内对玻璃纤维铝合金层板的研究尚处于初级阶段。为此。本工作以玻璃纤维铝合金层板为研究对象，对玻璃纤维铝合金层板的拉伸和疲劳性能进行了较为系统的实验研究。利用和修正了金属体积分数f MetalVolume Fraction, MVF)方程，对得到的拉伸结果进行验证。根据疲劳实验结果和疲劳试样形貌，得出了玻璃纤维铝合金层板的裂纹扩展速率方程和裂纹扩展机理，为玻璃纤维．铝合金层板的设计和应用奠定实验基础。

1实验

1.1原材料

         制备玻璃纤维铝合金层板的原材料见表1。
        

1.2玻璃纤维铝合金层板制备工艺及类别

       玻璃纤维铝合金层板制备工艺如图1所示。本实验制备了两种不同铺层方式的3/2结构（三层铝合金两层复合材料交替铺层1玻璃纤维铝合金层板，即单向玻璃纤维铝合金层板f预浸料中纤维的铺层方向为0/0)和正交玻璃纤维铝合金层板(预浸料中纤维    的铺层方向为0/90)。
              
1.3  实验过程

      (1)拉伸性能实验

       实验方法：CB3354 -  82:实验设备：MTS8 80-50KN型实验机：实验条件：拉伸速度2mm/min.

      (2)疲劳性能实验 

       实验方法：G B/T 6398 -   2000;实验设备：MT S810-250KN型实验机；实验条件：最大循环应力为150M Pa循环应力比R为0 1，所有疲劳试样的实验频率为10Hz。   

2实验结果与讨论

2.1拉伸性能

       由于玻璃纤维铝合金层板的拉伸性能对于其应用具有重要作用，一些研究着力于利用模型对纤维金属层板的拉伸性能进行预测。从而为玻璃纤维铝合金层板的设计和应用提供方便条件，其中M．S．pma提出的金属体积分数(M etal V olume  Frae-tion，MVF)理论应用最为广泛。M．S．Pma定义MVF值为：
         

        本实验中两种玻璃纤维铝合金层板的纵向拉伸性能结果如表2所示。
       

       由表2中结果可知。单向玻璃纤维铝合金层板的拉伸强度、拉伸模量和拉伸屈服强度均高于正交玻璃纤维铝合金层板，说明玻璃纤维对于层板的拉伸强度、拉伸模量和拉伸屈服强度有较大贡献。因为正交玻璃纤维铝合金层板中纵向拉伸方向上的玻璃纤维体积含量仅为单向玻璃纤维铝合金层板拉伸方向上玻璃纤维体积含量的一半，在拉伸过程中纤维对拉伸性能影响较大。所以与单向玻璃纤维铝合金层板相比正交玻璃纤维铝合金层板的拉伸强度、拉伸模量和拉伸屈服强度较小。

       分析M．S．Pma提出的层板拉伸性能预测公式可知。它仅适用于单向铺层的纤维金属层板。针对正交铺层的层板特点，需对M.S．Pma提出层板拉伸性能预测公式进行如下修正：
           玻璃纤维铝合金层板的拉伸和疲劳性能研究   
      本实验中单层铝合金板的厚度为0. 287mm。总层数3层，层板总厚度为1. 36lmm。铝合金和纤维增强复合材料性能见表3
            
       根据公式(5)一(7)，可得单向玻璃纤维铝合金层板和正交玻璃纤维铝合金层板的拉伸屈服强度、拉伸强度及拉伸模量的理论计算值，将其与实验值进行比较。得表4。

       由表4可见，两种玻璃纤维铝合金层板的拉伸性能实验值与金属体积分数理论计算值吻合较好。说明本实验中玻璃纤维铝合金层板的拉伸性能实验结果可靠。玻璃纤维铝合金层板的拉伸力学性能与各组成材料的拉伸性能和所占体积分数有关。可以通过金属体积分数理论对玻璃纤维铝合金层板的拉伸性能进行理论预测。但需要根据玻璃纤维铝合金层板的结构特点对金属体积分数理论进行适当修正。
              

2.2疲劳性能

        材料的疲劳性能通常由其裂纹扩展速率来表征。在材料力学中，裂纹扩展速率有多种表达形式。如Paris公式、Form an公式、Donalure公式和陈篪公式等。其中，Paris公式常被应用于玻璃纤维铝合金层板裂纹扩展速率的计算。
                    
       从图2可知，在裂纹扩展的初期两种层板在相同的应力强度因子幅夫△K下。裂纹扩展速率相差不大：随着应力强度因子幅△K的增大，单向玻璃纤维铝合金层板的裂纹扩展速率基本保持恒定，而正交玻璃纤维铝合金层板的裂纹扩展速率则呈增大趋势。但两种层板的裂纹扩展速率均低于2024 T3铝合金板。单向玻璃纤维铝合金层板的裂纹扩展速率比正交玻璃纤维铝合金层板还低。

      将两种层板的da/ dN- △K曲线按Paris公式进行拟合，可得到和n的值。进一步可得到两种层板的裂纹扩展速率方程：
                    
       对疲劳实验后的试样进行C扫描f见图31。可以看到：两种层板在疲劳过程中均出现了分层现象。分层区域的形状都接近椭圆形，并且分层是沿切口基本对称扩展的。

      根据上述疲劳实验结果，两种层板中的玻璃纤维能起到很好的“桥接”作用，使得两种层板的疲劳裂纹扩展速率远低于相应铝合金板的疲劳裂纹扩展速率。在应力从铝合金层经树脂层传递至纤维层的过程中，会在树脂层产生周期性的剪切应力。它与纤维层的“桥接’应力有直接关系。这种周期性的剪切应力的产生会诱发铝合金层和纤维层之间分层扩展。裂纹扩展和分层扩展是玻璃纤维铝合金层板疲劳过程中的两种损伤模式，二者均与纤维盼‘桥接”应力相关。并相互牵制。随着裂纹的扩展，铝合金层不断将应力传递至纤维层，纤维的“桥接”应力在不断地增加；而分层扩展则是疲劳过程中防止纤维层断裂的必然趋势。也就是说。分层扩展在一定程度上缓解了纤维层的断裂趋势。从而降低纤维层的应力，二者的相互平衡促成了纤维金属层板的裂纹相对稳定扩展。

       此外，纤维的“桥接”效率与纤维的杨氏模量、纤维层中加载方向纤维体积含量、胶粘剂的剪切模量及层板的层间性能等密切相关，正交玻璃纤维铝合金层板由于其纤维层中加载方向上的纤维体积含量仅为单向玻璃纤维铝合金层板的50%，因此其纤维层的“桥接’作用相对于单向玻璃纤维铝合金层板来说较低。表现为正交玻璃纤维铝合金层板的裂纹扩展速率有小幅度增长的趋势，而单向玻璃纤维铝合金层板的裂纹扩展速率则近似恒定。
                 
3结论

       (1)玻璃纤维铝合金层板具有优异的拉伸性能，其拉伸强度与层板中纤维的铺层方向有较大关系。拉伸方向上纤维体积含量较多时，层板的拉伸强度、拉伸模量和拉伸屈服强度较高。

       (2)单向玻璃纤维铝合金层板的拉伸性能可通过金属体积分数理论进行预测，正交玻璃纤维铝合金层板由于其铺层方式不同于单向玻璃纤维铝合金层板，需对金属体积分数理论进行适当修正。

      (3)由于玻璃纤维的“桥接”作用抑制了裂纹扩展。玻璃纤维铝合金层板具有优异的疲劳性能。玻璃纤维铝合金层板的疲劳损伤主要有裂纹扩展和分层扩展两种模式，两者相互牵制促成玻璃纤维铝合金层板裂纹扩展速率的相对稳定。