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

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2025.01.017

Abstract

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

CLC Number:

TQ327

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.

Figures/Tables 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

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

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 %

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

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

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

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

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

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

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 %

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

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

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