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  纖維增強復合材料廣泛應用于土木工程、風力發電和航空工程。纖維增強復合材料的疲勞往往會導致嚴重的結構破壞，因而受到廣泛關注。在近年來興起的纖維增強軟材料中，纖維本身的力學性能往往起主導作用，而現階段復合材料中玻璃纖維織物的疲勞還沒有得到充分的研究。

  近日，美國哈佛大學鎖志剛院士與西安交通大學唐敬達副教授等人在固體力學旗艦期刊Journal of the Mechanics and Physics of Solids發表題為“How does glass fabric tear under cyclic force?” 的文章，研究了玻璃纖維織物在循環載荷下的撕裂行為，繪制了玻璃纖維織物的三種典型撕裂模式與樣品尺寸及載荷幅值的相圖。希望這項工作將引起更多的對于纖維織物和纖維增強復合材料的斷裂和疲勞的行為的關注，有助于抗疲勞織物和纖維增強復合材料的研究。

實驗結果

1. 單根紗線的斷裂

  首先研究單根紗線在單調加載與循環加載下的行為，發現單調加載時紗線斷裂的臨界力為108.7 N，而循環加載時紗線斷裂的臨界力僅為25 N，遠小于單調載荷，可見紗線本身存在疲勞現象。

圖1 單根紗線的斷裂

2. 單根紗線的抽出

  單根紗線的抽出是織物破壞的一種基本模式。研究發現紗線在單調載荷下抽出的峰值力與寬度相關，隨紗線長度的增加而增加，且與紗線紡織方向有關（圖2）。有趣的是，作者首次研究了單根紗線在循環載荷下的抽出行為，發現對于相同長度的紗線，循環載荷下抽出所需要的力比單調載荷下抽出所需的力更小（圖3）。單根紗線的斷裂及抽出行為研究為織物的疲勞斷裂奠定了基礎。

圖2 單調載荷下單根紗線的抽出

圖3 循環載荷下單根紗線的抽出

3. 玻璃纖維織物的撕裂

3.1 玻璃纖維織物單調載荷下的撕裂

  在單調載荷下玻璃纖維織物的撕裂過程中，隨著撕裂力逐漸增大，試樣會經歷兩個過程：三角形區域的形成和裂紋的擴展。當撕裂力較小時，裂紋尖端橫向紗線有抽出趨勢但因靜摩擦而被卡住。當撕裂力逐漸增大超過一定水平時，橫向紗線開始在裂紋尖端發生滑移，形成一個三角形區 (圖4a，b)。隨著力的增加，更多的橫向紗線發生滑移，三角形區域的尺寸增大。在一個臨界力下，裂紋開始擴展 (圖4c)。在單調載荷下隨試樣寬度的變化，試樣以三種不同的模式撕裂。

  對于較窄的樣品，橫向紗線抽出為主要撕裂形式(圖4d, 4g)。橫向紗線一個接一個地拉出，形成平臺期，沒有紗線發生斷裂。對于中等寬度的樣品，縱向紗線和斷裂和橫向紗線的抽出為主要撕裂形式(圖4e, 4h)。當縱向紗線開始斷裂和橫向紗開始抽出時，力達到峰值。隨后，裂紋偏轉轉向樣品的一側，力開始下降。對于較寬的試樣，橫向和縱向紗線的斷裂以及橫向的紗線的抽出為主要撕裂形式 (圖4f, 4i)。當縱向和橫向紗線開始斷裂時，力達到峰值。隨后，裂紋轉向樣品的一側，紗線被抽出，力開始下降。一組接一組的紗線斷裂時，力上升到一個接一個的峰值。不同寬度的樣品撕裂模式不同，峰值力隨試樣寬度的增大而增大（圖4g-i）。

圖4 單調載荷下玻璃纖維織物的撕裂

3.2 玻璃纖維織物循環載荷下的撕裂

  在循環載荷下，玻璃纖維織物撕裂的門檻值力F_th隨著樣品寬度的增大而增大。這是因為當試樣寬度較大時，橫向紗線會受到較大的摩擦力。因此，疲勞閾值與織物的幾何形狀有關。對于寬度較大的試樣，循環載荷下的門檻值力比單調載荷下的臨界撕裂力低一個數量級。

圖5 玻璃纖維織物在循環載荷下撕裂

4.結論

圖6 玻璃纖維織物的不同撕裂模式在力幅值-試樣寬度平面上的相圖；空心點為單調載荷下的數據點，實心點為循環載荷下的數據點。

  該文章研究了循環載荷下玻璃纖維織物的撕裂，在不同的試樣寬度和力幅值下，可觀察到三種不同的撕裂模式：橫向纖維的抽出；橫向纖維的抽出和縱向纖維的斷裂；橫向纖維和縱向纖維的斷裂。

  圖6中，空心方點表示單調載荷下撕裂力的均值，實心方點表示循環載荷下的數據點。對應每個給定寬度的玻璃纖維織物試樣，均存在一個臨界力F_c和一個門檻值力F_th。臨界力為在單調荷載下玻璃纖維織物撕裂的峰值力。給試樣施加一個幅值為F的循環力，若幅值低于門檻值力F<F_th，那么循環加載無法使織物發生疲勞裂紋擴展。若F_th < F < F_c，則玻璃纖維織物會在一定周數后撕裂。對于較寬的試樣，門檻值力與臨界撕裂力的差值較大，F_th <<F_c。門檻值力與單根紗線抽出峰值力相近，且隨紗線長度的增加而增大。這表明，在循環荷載作用下，裂紋的疲勞擴展是由于橫向紗線的抽出引起的。

  論文第一作者為西安交通大學航天航空學院碩士生劉豐愷，通訊作者為西安交通大學唐敬達副教授和哈佛大學鎖志剛教授。

  上述研究得到了國家自然科學基金重點國際（地區）合作研究項目、面上項目、青年項目等資助。

  論文鏈接：Fengkai Liu, Zhigang Suo, Jingda Tang, How does glass fabric tear under cyclic force? Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 2022, 158,104659.

  https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0022509621002921

作者簡介：

  唐敬達，西安交通大學副教授，北京大學與哈佛大學聯合培養博士（導師方岱寧院士和鎖志剛院士），2017年進入西安交通大學航天航空學院工作，在軟物質力學領域開展研究。發表論文30余篇，其中以第一/通訊作者發表在Matter,J. Mech. Phys. Solids, Adv. Funct. Mater., ACS Appl. Mater. Interfaces等期刊上。