1前言

      隨著科技的進(jìn)步，很多工業(yè)特別是高新技術(shù)工業(yè)對(duì)材料的要求不i斷提高。復(fù)合材料山于比強(qiáng)度和比剛度高、質(zhì)量輕、耐磨性和耐腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于船舶、汽車、基礎(chǔ)設(shè)施和航空航天等領(lǐng)域，以及文體用品、醫(yī)療器械、生物工程、建筑材料、化工機(jī)械等方面。

       在復(fù)合材料構(gòu)件的使用過(guò)程中，山于應(yīng)力和環(huán)境等因素的影響，會(huì)逐漸產(chǎn)生構(gòu)件的損傷以至破壞，其主要破壞形式之一是疲勞損傷。疲勞損傷的產(chǎn)生、擴(kuò)展與積累會(huì)加速材料的老化，造成材料耐環(huán)境性能嚴(yán)重下降以及強(qiáng)度與剛度的急劇損失，大大降低其使用壽命，甚至報(bào)廢。為了使復(fù)合材料的應(yīng)用更加廣泛和深入，本文綜述了近年來(lái)在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料疲勞性能方面的研究。

2復(fù)合材料疲勞性能及損傷機(jī)理

       在周期性交變載荷作用下材料發(fā)生的破壞行為稱為疲勞，它記述了材料經(jīng)受周期應(yīng)力或應(yīng)變時(shí)的失效過(guò)程。復(fù)合材料疲勞主要是指復(fù)合材料構(gòu)件在交變載荷作用下的疲勞損傷機(jī)理、疲勞特性（強(qiáng)度、剛度隨時(shí)間變化規(guī)律及其破壞規(guī)律）、壽命預(yù)測(cè)及疲勞設(shè)計(jì)。

       復(fù)合材料是非均質(zhì)（在大尺度上）和各向異性的，它以整體的方式積累損傷，且失效并小總是山一個(gè)宏觀裂紋的擴(kuò)展導(dǎo)致。損傷積累的微觀結(jié)構(gòu)機(jī)理，包括纖維斷裂基體開(kāi)裂、脫黏、橫向?qū)娱_(kāi)裂和分層等，這些機(jī)理有時(shí)獨(dú)立發(fā)生，有時(shí)以互相作用的方式發(fā)生，而且材料參數(shù)和試驗(yàn)條件可能強(qiáng)烈影響其主要優(yōu)勢(shì)。多種損傷及其組合，
使疲勞損傷擴(kuò)展往往缺乏規(guī)律性，完全小像大多數(shù)金屬材料那樣能觀察到明顯的單一主裂紋擴(kuò)展，復(fù)合材料不僅初始缺陷／損傷大，而且在疲勞破壞發(fā)生之前，疲勞損傷已有了相當(dāng)大的擴(kuò)展。

3影響復(fù)合材料疲勞性能的主要因素

3.1基體材料

       Boller 研究了基體材料對(duì)玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料疲勞性能的影響，研究證明，小同的基體材料具有完全1i同的疲勞性能。一般情況下，疲勞性能最好的是環(huán)氧樹(shù)脂。

       很多復(fù)合材料的疲勞試驗(yàn)證明，基體和界面是薄弱環(huán)節(jié)。盡管樹(shù)脂含量的變化在106次循環(huán)下對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響很小，但在玻璃鋼中反應(yīng)活性較低的樹(shù)脂會(huì)導(dǎo)致較高的低應(yīng)力疲勞壽命，最佳的樹(shù)脂體積含量為25%-30%。相反，樹(shù)脂性能的變化對(duì)復(fù)合材料疲勞強(qiáng)度的影響并不大，提高基體抗裂紋擴(kuò)展能力或者改善界面黏結(jié)性能都可能改善疲勞性能。

3.2纖維材料

      3.2.1  纖維性能  吳金榮等指出，由于纖維是復(fù)合材料中傳遞載荷和承受載荷的主要甲．元，因此纖維的強(qiáng)度、彈性模量、斷裂應(yīng)變和環(huán)境穩(wěn)定性等是影響碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料疲勞特性的決定性因素。

      3.2.2  混雜復(fù)合材料  趙謙等在對(duì)各種混雜比例的碳／玻璃復(fù)合材料進(jìn)行拉伸試驗(yàn)后，指出影響混雜復(fù)合材料疲勞性能的因素很多，如組分材料的力學(xué)性能、混雜比例、混雜方式、纖維／基體界面強(qiáng)韌性等。而相同混雜比例條件下，混雜方式對(duì)強(qiáng)度和破壞延伸率的影響小大，夾芯結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度略高于分散結(jié)構(gòu)。

       3.2.3  短纖維  短纖維可以顯著提高復(fù)合材料的韌性，山于疲勞性能部分依賴于強(qiáng)度，部分依賴于抵抗裂紋能力，因此短纖維有利于改善復(fù)合材料的疲勞性能。Lavengood和Gulbransen測(cè)定了短切硼纖維／環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的失效循環(huán)次數(shù)，發(fā)現(xiàn)在低于失效應(yīng)力的任一應(yīng)力下循環(huán)，疲勞壽命隨纖維的長(zhǎng)徑比增大而迅速增大，在長(zhǎng)徑比大約為200時(shí)達(dá)到穩(wěn)定。這意味著存在一個(gè)臨界長(zhǎng)徑比，當(dāng)K徑比大于臨界長(zhǎng)徑比后，疲勞強(qiáng)度正比于彎曲強(qiáng)度。

3.3鋪層方式

       胡靜等研究了拉一拉疲勞載荷作用下三種不i同鋪層的層合板復(fù)合材料的疲勞性能。研究指出，0°鋪層比例大的正交異性板，破壞時(shí)剛度臨界值分散性較大，其疲勞壽命分散性也較大。隨著應(yīng)力水平的降低，各種鋪層復(fù)合材料的分散性變化小盡相同，準(zhǔn)各向同性板的疲勞壽命分散性一般不變或稍有增大；而各向異性板疲勞壽命分散隨應(yīng)力水平的降低而有所降低。

       除鋪層方向外，鋪層順序也影響疲勞壽命。Foye和Baker觀察到當(dāng)[±15/±45]s層合板中鋪層順序改變時(shí)，疲勞強(qiáng)度約產(chǎn)生175MPa的差異。Pagano和Pipes通過(guò)層間應(yīng)力分析指出，改變鋪層順序使層合板自山邊的層間拉伸應(yīng)力變?yōu)閴嚎s，避免了邊緣分層，提高了疲勞壽命。

3.4纖維含量

       材料中纖維的體積含量不僅對(duì)其靜態(tài)力學(xué)性能影響很大，對(duì)彎曲疲勞性能同樣起到?jīng)Q定性作用。在一定范圍內(nèi)，增強(qiáng)纖維組分的體積百分?jǐn)?shù)越高，疲勞壽命也高，疲勞極限增大，裂紋擴(kuò)展速率下降。一般認(rèn)為體積百分?jǐn)?shù)在60%- 70%左右較好。

3.5溫度

       張亞軍在自然冷卻和風(fēng)扇冷卻條件下進(jìn)行了兩組纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的拉一拉疲勞性能試驗(yàn)。結(jié)果表明，自然冷卻時(shí)，山于加載頻率過(guò)高而引起試驗(yàn)材料工作部分過(guò)熱，使其疲勞壽命明顯比采用風(fēng)扇冷卻時(shí)測(cè)試山的值偏低。

3.6載荷形式

       劉宇艷等利用自行建立的疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)，以單向聚酯簾線增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料為對(duì)象，研究了循環(huán)載荷作用下影響橡膠復(fù)合材料疲勞性能的因素。研究指出，應(yīng)力幅值和加載頻率對(duì)橡膠復(fù)合材料疲勞性能影響較大，平均應(yīng)力影響較小。

4結(jié)語(yǔ)

       復(fù)合材料疲勞性能對(duì)復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用影響深遠(yuǎn)，但由于不同材料不同結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料疲勞形式都不盡相同，因此，很難使其疲勞性能系統(tǒng)化。盡管近幾十年以來(lái)，對(duì)于多種材料和結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料疲勞性能的探索取得了較大突破，但是仍需要發(fā)展和完善。目前研究復(fù)合材料疲勞性能還是有很多問(wèn)題，需要給以足夠的重視，其中有以下幾點(diǎn)。

      (1)復(fù)合材料宏微觀損傷結(jié)合分析。(2)低頻、高載下的彈塑性行為研究。(3)混雜纖維疲勞問(wèn)題研究。(4)特殊疲勞研究。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的上作狀況很多是受環(huán)境影響的，這包括高溫度，高濕度，介質(zhì)等等。(5)組建復(fù)合材料疲勞性能數(shù)據(jù)庫(kù)。(6)建立復(fù)合材料疲勞性能多參數(shù)模型。