缺陷对连续纤维增强复合材料力学性能影响的研究进展

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2025.01.017

中国塑料 ›› 2025, Vol. 39 ›› Issue (1): 104-111.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2025.01.017

缺陷对连续纤维增强复合材料力学性能影响的研究进展

马封安¹, 赵广慧¹(), 田程², 贾宇喆¹, 刘涛¹

^1.西南石油大学机电工程学院，成都 610500
^2.四川宝石机械专用车有限公司，四川广汉 618300

收稿日期:2024-04-06 出版日期:2025-01-26 发布日期:2025-02-14
通讯作者: 赵广慧（1971—），教授，从事复合材料损伤力学研究，zhaogh@swpu.edu.cn
E-mail:zhaogh@swpu.edu.cn
基金资助:
中央引导地方科技发展专项项目(2024ZYD0125)

Research progress in effect of defects on mechanical properties of continuous⁃fiber⁃reinforced composites

MA Fengan¹, ZHAO Guanghui¹(), TIAN Cheng², JIA Yuzhe¹, LIU Tao¹

^1.School of Mechanical Engineering，Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，China
^2.Sichuan Baoshi Machinery Special Vehicle Co，Ltd，Guanghan，618300，China

Received:2024-04-06 Online:2025-01-26 Published:2025-02-14
Contact: ZHAO Guanghui E-mail:zhaogh@swpu.edu.cn

摘要/Abstract

摘要：

针对连续纤维增强的聚合物基复合材料，梳理了常见的缺陷及其产生原因，从缺陷的无损检测方法及其对材料力学性质的影响方面，回顾了最新研究进展。在缺陷检测方面，提高检测精度、加速检测数据处理、发展针对特殊缺陷的检测技术是目前研究的热点。在宏观缺陷对复合材料力学性质的影响方面进行了定性和定量的综述，影响因素主要包括：分层缺陷的面内尺寸、埋深和形状，孔隙缺陷的孔隙率、分布集度和形状，褶皱缺陷的方向、凹凸性和褶皱角等。为纤维增强聚合物基复合材料构件的设计及其可靠性评价提供依据。

关键词: 连续纤维增强聚合物基复合材料, 缺陷, 检测方法, 力学性质

Abstract:

This paper analyzed the common defects and their causes in the continuous⁃fiber⁃reinforced ⁃polymer⁃matrix composites and reviewed the latest research progress in the non⁃destructive testing methods of defects and their effect on the mechanical properties of the composites. In the aspect of defect detection， improving detection accuracy， accelerating detection data processing， and developing detection technology for special defects are the hotspots of the current research. The effect of macroscopic defects on the mechanical properties of the composites was qualitatively and quantitatively analyzed. The influencing factors mainly included the in⁃plane size， buried depth and shape of delamination defects， porosity， distribution concentration and shape of pore defects， and the direction， convexity and wrinkle angle of wrinkle defects. This paper provides a basis for the design and reliability evaluation of fiber⁃reinforced⁃polymer⁃matrix composites.

Key words: continuous?fiber?reinforced?polymer?matrix composites, defect, detection method, mechanical property

中图分类号:

TQ327

马封安, 赵广慧, 田程, 贾宇喆, 刘涛. 缺陷对连续纤维增强复合材料力学性能影响的研究进展[J]. 中国塑料, 2025, 39(1): 104-111.

MA Fengan, ZHAO Guanghui, TIAN Cheng, JIA Yuzhe, LIU Tao. Research progress in effect of defects on mechanical properties of continuous⁃fiber⁃reinforced composites[J]. China Plastics, 2025, 39(1): 104-111.

图/表 12

缺陷名称	产生的主要原因	图例
分层^［10］	原材料水分、挥发物含量大，固化过程中夹杂空气和未排出的挥发成分等
孔隙^［11］	在成型工艺中空气滞留在树脂内形成
褶皱^［12］	预制体在移动、组合、缝合及合模过程中导致纤维层扭曲
富树脂^［13］	生产中局部纤维断裂或错误排列形成空洞，树脂流入空洞
夹杂^［14］	内部存在成分外的夹杂物，主要是原材料不纯、成型车间环境不良所致

表1 常见缺陷及其产生原因

Tab.1 Common defects and its causes

检测方法	优势	局限性
超声波^［15］	反映缺陷的大小、形状和方向，灵敏度高，穿透力强，无污染	耦合器接触被测物品可能造成材料损坏
X射线^［16］	内部结构检测精准，对小构件的扫描分辨率高	设备体积大、结构复杂，射线对人体有害，效率低
微波^［17］	反映缺陷的位置、大小、样本层的变化，灵敏度高，能耗低	不适用大型设备检测
红外热成像^{［18⁃19］}	快速，扫描范围宽，结果直观	不能判别缺陷种类，构件热扩散会影响精度
涡流^［20］	微小裂纹检测突出	只能检测导电材料，精度低；接触性检测，对于检测技巧要求高

表2 常用的CFR⁃PMC无损检测技术及其适用性

Tab.2 Commonly used CFR⁃PMC non⁃destructive testing technology and its applicability

参考文献	材料	试样		缺陷			参数变化/mm	力学性能
参考文献	材料	L×W×T/mm	铺层	形状	大小/mm	位置	参数变化/mm	力学性能
［30］	CF/EP （GSM200/CY230）	260×25×3.2	［0/0/（45/-45/90）₂/（90/-45/45）₂/0/0］_s	圆形	d=24 t=0.012	面内中心0 ^o~45 ^o层间	-	BF↓55.5 % FR↓81.8 %
［32］	CF/EP （T300/⁃）	150×100×4	［45/0/-45/90］_4s	圆形	d=30	面内中心1/4厚度	d↑10	TS↓15.02%
［29］	CF/EP （T300/E51）	100×25×2.64	［0/0/45/-45/90/45/90/90/-45/45/45/90/-45/45/45/0/0］_s	矩形	l×w=8×25	面内中心2~3层间	-	TS↓2.7 %
［29］	CF/EP （T300/E51）	32×13×2.64	［0/0/45/-45/90/45/90/90/-45/45/45/90/-45/45/45/0/0］_s	矩形	l×w=8×13	面内中心2~3层间	-	CS↓31.9 %
［37］	GF/EP	300×280×4.5	［（±45）/（0/90）₄/（±45）/（0/90）₃］_s	圆形	d=44	面内中心t=0.9 mm	t↑1.0	CS↓17 %
［38］	CF/EP （T700/⁃）	30×10×4	［0］_{40 s}	圆形	S=60 mm²	面内中心t=0.5 mm	-	CS↓18.6 %
				正方形				CS↓20.5 %
				三角形				CS↓20.1 %

表3 分层缺陷对CFR⁃PMC力学性能的影响

Tab.3 The effect of delamination defects on the mechanical properties of composite materials

图1 CF/EP试样的载荷⁃位移曲线［29］

Fig.1 Load⁃displacement curves of CF/EP specimens under ［29］

图2 不同分层位置的连接区载荷位移曲线［34］

Fig.2 Load⁃displacement curves for defects of the interface with different position［34］

图3 沉头螺栓连接结构的分层缺陷位置［39］

Fig.3 Delamination defect location of composite mechanical joint specimen［39］

图4 机械连接含不同形状分层下的载荷位移曲线［39］

Fig.4 Load⁃displacement curves of composite mechanical joint with different delamination shape［39］

参考文献	材料		试样		缺陷		参数变化	力学性能
参考文献	CF	EP	L×W×T/mm	铺层	形状	孔隙率φ	参数变化	力学性能
［42］	T800	X850	150×150×2	［+45/-45/ 90/0/0/0］_2s	-	0.21 %	φ↑6.16 %	TS↓36.0 % ILSS↓41.2 %
［46］	M21C	IMA	14×4.5×2.244	［45/-45/45/ 90/-45/0］_s	-	3 %	横向取样	ILSS↓51.12 %
［46］	M21C	IMA	14×4.5×2.244	［45/-45/45/ 90/-45/0］_s	-	3 %	纵向取样	ILSS↓46.72 %
［47］	T700	3234	150×125×2	（0，90）_s	-	0.11 %	6个服役周期	BS↓45.6 %
［47］	T700	3234	150×125×2	（0，90）_s	-	0.11 %	8个服役周期	BS↓62.3 %
［48］	37⁃800WD、TR50S⁃12L 编织	EP	13.88×3.206×0.8	-	-	10.12 %	小气泡随机分布变为面内中心大气泡	E₃₃ ↓18.55 % G₁₃ ↓16.48 % G₂₃ ↓10.79 %
［43］	AS4	3501	-	-	椭球	1 %	-	TS↓5.71 % CS↓9.3 %
					球			TS↓14.09 % CS↓10.6 %
					圆柱			TS↓18.29 % CS↓13.1 %
［51］	AS4	8552	-	-	三角形	1 %	相比圆形缺陷	TS↓2.5 %
［51］	AS4	8552	-	-	三角形	10 %	相比圆形缺陷	TS↓4.1 %

表4 孔隙缺陷对CF/EP力学性能的影响

Tab.4 The effect of void defects on the mechanical properties of CF/EP composites

图5 三角形和圆形孔隙试样的压缩强度随孔隙率的变化［51］

Fig.5 Variations of compression strength along with porosity for specimens with triangular and circular voids［51］

图6 褶皱缺陷外形特征

Fig.6 Shape characteristics of wrinkle defect

参考文献	材料		试样		缺陷尺寸/mm	参数变化	力学性能
参考文献	CF	EP	L×W×T/mm	铺层	缺陷尺寸/mm	参数变化	力学性能
［52］	OCV LTX 1240	Swancor2511⁃1A/BS	138×15×4.2	［0］_{5 s}	w = 10	A/w=5	TS↓49 %
						A/w=15	TS↓63 %
						A/w=20	TS↓75 %
［53］	IM77	8552	-	-	-	α= $10 °$	TS↓2.21 %
						α= $12 °$	TS↓11.11 %
						α= $12 °$	TS↓14.94 %
［54］	T700	JC⁃024A	10×10×4	-	-	25 %纤维断裂 7 %褶皱	$E s$ ↓51 %
						25 %纤维断裂	$E s$ ↓40 %
						7 %褶皱	$E s$ ↓27 %
［56］	AS4	8552	T = 1.5	［0］_{5 s}	w = 3	凸缺陷变为凹缺陷	E↓26.54 %

参考文献	材料		试样		缺陷尺寸/mm	参数变化	力学性能
参考文献	CF	EP	L×W×T/mm	铺层	缺陷尺寸/mm	参数变化	力学性能
［52］	OCV LTX 1240	Swancor2511⁃1A/BS	138×15×4.2	［0］_{5 s}	w = 10	A/w=5	TS↓49 %
						A/w=15	TS↓63 %
						A/w=20	TS↓75 %
［53］	IM77	8552	-	-	-	α= $10 °$	TS↓2.21 %
						α= $12 °$	TS↓11.11 %
						α= $12 °$	TS↓14.94 %
［54］	T700	JC⁃024A	10×10×4	-	-	25 %纤维断裂 7 %褶皱	$E s$ ↓51 %
						25 %纤维断裂	$E s$ ↓40 %
						7 %褶皱	$E s$ ↓27 %
［56］	AS4	8552	T = 1.5	［0］_{5 s}	w = 3	凸缺陷变为凹缺陷	E↓26.54 %

表5 褶皱缺陷对CF/EP力学性能的影响

Tab.5 The effect of wrinkle defects on mechanical properties of CF/EP composites

表5 褶皱缺陷对CF/EP力学性能的影响

Tab.5 The effect of wrinkle defects on mechanical properties of CF/EP composites

图7 褶皱角与抗压强度衰减的关系［53］

Fig.7 Relationship between wrinkle angle and compressive strength attenuation［53］

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缺陷对连续纤维增强复合材料力学性能影响的研究进展

Research progress in effect of defects on mechanical properties of continuous⁃fiber⁃reinforced composites

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