文章采用带偏轴纤维的紧凑型压缩试样，研究了面内剪切应力对层合板纤维扭曲压缩断裂韧性的影响。利用数字图像相关方法分析了试样表面的应变分布，并用热成像对损伤过程进行了监测。注意到由偏轴角纤维引入的面内剪切应力导致当偏轴角为10度或更大时，R曲线值的增加。微观形态表明，随着纤维偏轴角的增加，大纤维束的劈裂增多，随后是这些束内的纤维压缩失效。这种多步骤损伤过程可能是能量耗散增加的原因。
由于纤维增强聚合物复合材料具有高刚度与重量比、高强度与重量比、良好的耐腐蚀性、高阻尼能力和低的制造成本，因此在工业中的应用日益增加。在许多产品中，复合材料结构可能受到多种载荷的作用，导致材料在组合应力状态下受损。复合材料层合板的纤维扭折失效（fibre kinking）是可能导致产品灾难性失效的主要失效模式之一。考虑到实际复合材料结构中的复杂载荷，深入理解压缩和剪切应力组合下的层内纤维失效对于轻量化结构和系统是至关重要的。
此前，人们已经普遍认识到，扭折带（kink-band）的形成主导了碳纤维增强聚合物复合材料的纵向压缩失效。在扭折带的起始和扩展过程中，加载方向的纤维受到高的压缩应力，并经历了由纤维间剪切应力驱动的不稳定旋转。
目前研究人员已对复合材料的纵向压缩失效机理开展了大量的实验研究。Pinho等人在紧凑压缩交叉铺设复合材料中观察到了纤维/基体分裂在纤维扭折中的作用。纤维错位引入的高剪切应力导致了纤维之间的基体分裂和纤维的旋转。Crasto等人使用小型三明治梁对无缺口试样进行纵向压缩试验，观察到剪切驱动的纤维压缩失效。当剪切驱动的纤维压缩损伤扩大时，剪切裂纹的两侧相互滑动，导致裂纹尖端前的纤维弯曲，促进了扭折带的形成。
同样，一些研究报告了纤维扭结的断裂韧性确定方法。部分采用紧凑压缩(CC)试验来表征裂纹起始时的压缩断裂韧性。由于基于传统断裂力学的数据处理方法，还没有得到裂纹扩展的断裂韧性。或使用不同尺寸的双边缺口试样进行压缩试验，利用尺寸效应定律计算裂纹阻力曲线(R-curves)。通过拟合获得的R曲线并不真正反映损伤的演变。然而，目前，有关面内剪切应力如何影响纤维扭折压缩断裂韧性的报道很少。
近日，西北工业大学的研究人员使用具有偏轴角纤维的紧凑压缩试样，研究了压缩和剪切组合应力对层合复合材料中纤维扭折断裂韧性的影响。文章介绍了试样制备方法、测试方法及数据处理方法，对试验结果进行了比较，分析了偏轴角度的影响机制。文章发表在复合材料领域顶刊《Composites Science and Technology》，文章标题为“The fibre kinking fracture toughness of laminated composites under combined compression and shear ”。
紧凑压缩(CC)试样已被公认为是研究压缩载荷下断裂韧性的可靠几何形状。文章采用了Pinho提出的CC样品。试样的几何形状和铺设方式见图1。材料为T700/LT-03A碳纤维增强单向环氧预浸料。所有试样均由同一批次的预浸料制成，以确保试样的基本力学性能相同。文中的层压板以[(90/θ)8 90]S方式铺设，其中角度θ为0°、3°、6°、10°和15°，总厚度为4.25 mm，90°方向的纤维与加载方向垂直。每个偏轴角度实验测试了四个试样。
图1.试样的几何形状和铺层示意图
实验装置如图2(a)所示。所有的测试都是在电子万能试验机上进行的，位移控制为0.5 mm/min的加载速率。在试验前，对液压卡盘进行对中校准。整个测试过程中，力-位移数据以10 Hz的采样率提取。红外摄像机以50 Hz的帧率监测试验过程中CC试样的温度场变化。此外，还使用数字图像相关（DIC）技术记录了试样的位移/应变场。
图2.（a）实验装置，（B）红外相机视图，（c）ARAMIS相机视图。
图3(a)-(c)展示了所有样本的三个典型偏轴角度的载荷-位移曲线以及试样表面纵向压缩应变的相应变化。这三个应变场图像分别显示了裂纹开始前的1秒，以及裂纹扩展至2毫米和4毫米时的情况。通过比较这三种典型条件下的断裂过程，可以发现，在偏轴角度样本中，裂纹在峰值载荷之前就开始萌生，这是因为在压缩加载过程中，偏轴角度纤维引入了面内剪切应力。一个有趣的现象是，在试样缺口附近的纤维方向上产生了正向纵向应变。
图3.三条典型的载荷-位移曲线和从裂纹萌生时刻起纵向压缩应变的变化（深蓝色区域代表过度的离面位移，即分层）
图4显示了每个偏轴角度试样在扭结带形成和传播过程中的明显温度变化。在所有的红外图像中都可以看到，扭结带的断裂伴随着明显的温度变化，这是由于能量释放导致的，而强温度变化区域集中在扭结带形成的小区域内。
图4.五个偏轴试样典型温度变化的红外图像
图5(a)-(e)中的五个系列的图像显示了试样在压缩过程中五个偏轴角度下剪切应变的变化。对于每个偏轴角度，选择了四个时刻，时间间隔为50秒。每组的第二张图像是相应的裂纹萌生时刻，偏轴角度用红色虚线标记。可以注意到，所有试样的剪切应变都关于缺口对称分布，并与纤维的偏轴角度相适应。这也证实了利用偏轴铺层引入面内剪切应力是可行的。
图5.五种不同偏轴角试样的剪切应变变化
文中，选择试样缺口附近的位置，提取相应的裂纹尖端压缩位移和剪切变形，如图6(a)所示。可以发现，在加载过程开始时，裂纹尖端压缩位移呈线性增加，裂纹萌生后有明显转折，而剪切变形保持增加。
选择了五个具有不同偏轴角度的试样，它们的裂纹尖端压缩位移和剪切变形随裂纹扩展的变化曲线如图6(c)所示。可以发现，尽管偏轴角度不同，但裂纹尖端压缩位移随裂纹扩展的变化趋势是相同的，都是随裂纹扩展线性增加。然而，剪切变形的演变却截然不同。偏轴角度为15°时裂纹萌生的剪切变形明显更大。除偏轴角度为3°的结果外，裂纹萌生后剪切变形增长非常平缓。
图6.（a）裂纹尖端位移位置的定义，（B）CC 试样的裂纹尖端压缩位移和剪切变形结果，（c）五个偏轴试样的裂纹尖端位移和剪切变形结果与裂纹长度的关系（实心点代表裂纹尖端压缩位移，空心点代表剪切变形）
文章还讨论了不同偏轴角度下的J积分、R曲线、断裂韧性的变化，此处不再赘述。感兴趣的读者可以点击文末“阅读原文”了解更多详细内容。
图8.（a）-（e）五种不同偏轴角试样的R曲线，（f）五种偏轴角典型R曲线的比较。
图10.不同裂纹长度不同偏轴角下断裂韧性的比较
文章最后分析了纤维偏轴对扭折带形成及压缩断裂的影响。在压缩试验后，选择了0°、6°、15°三个具有不同偏轴角度的试样，并沿着扭折带的尖端处的加载方向进行切割，如图11(a)所示。切割面的表面经过抛光后，使用光学显微镜进行观察，如图11(b)所示。在所有样本中，扭折带的形成都引发了明显的分层。此外，在偏轴角度为15°时，扭折带引起的裂纹面的角度变得更小。这可以解释为，更大的纤维偏轴角度会产生更大的剪切应力，使得更容易产生扭折带。
为了更好地理解纤维偏轴对压缩断裂的影响，选择了两个偏轴角度的试样，并使用扫描电子显微镜（SEM）观察了裂纹面（图12）。在纤维偏轴角度为6°和15°的样本中，由于在平面内剪切应力的作用下，在扭结带的形成过程中产生了典型的剪切带。当偏轴角度的纤维受到压缩载荷时，纤维之间的剪切应力使得纤维分裂，然后纤维束的剪切带使得更容易形成扭折带。更多的纤维束剪切带参与到扭折带的形成中，这可能是纵向压缩断裂韧性增加的原因（图10）。
图11.几种典型偏轴角试样的扭折带尖端截面示意图和扭折带尖端截面显微照片
图12.几种典型偏轴角裂纹表面的SEM显微照片及剪应力的作用机理。
文章使用交叉铺设层合复合材料紧凑压缩试样，研究了在准静态加载下，由偏轴纤维引入的面内剪切应力对纤维弯曲压缩断裂韧性的影响。在使用红外摄像机监测温度场变化的同时，采用数字图像相关技术（DIC）获取试样表面的应变/位移场，以提取裂纹尖端附近的位移，并计算了裂纹尖端附近的J积分。为理解压缩和剪切组合应力下纤维扭折带的损伤机制提供了新的可能性。当面内剪切应力增加时，纤维对失效变得更加敏感，纤维扭折带可能更容易发生。这些发现有助于进一步理解复合材料的断裂行为，并为设计和优化复合材料结构提供有价值的见解。
