纖維鋁合金層板是在20世紀(jì)70年代末由荷蘭Delft大學(xué)率先研究的。早期的研究主要集中在芳綸纖維鋁合金層板上，但芳綸纖維與材料體系的匹配存在一定問題睥1，使得層板的層間強(qiáng)度低、殘余應(yīng)力大，需對(duì)纖維進(jìn)行表面處理和層板預(yù)應(yīng)變拉伸等措施。制造成本和周期隨之增加。為解決芳綸纖維鋁合金層板存在的問題，90年代初出現(xiàn)了新一代纖維金屬層板，玻璃纖維鋁合金層板。由于玻璃纖維表面活性高、強(qiáng)度高且與體系匹配性好。因此避免了纖維處理和預(yù)應(yīng)變拉伸工藝，同時(shí)玻璃纖維鋁合金層板還具有非常高的靜態(tài)和疲勞性能。

       由于玻璃纖維鋁合金層板優(yōu)異的性能，目前在國(guó)外飛機(jī)市場(chǎng)上已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。而國(guó)內(nèi)對(duì)玻璃纖維鋁合金層板的研究尚處于初級(jí)階段。為此。本工作以玻璃纖維鋁合金層板為研究對(duì)象，對(duì)玻璃纖維鋁合金層板的拉伸和疲勞性能進(jìn)行了較為系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究。利用和修正了金屬體積分?jǐn)?shù)f MetalVolume Fraction, MVF)方程，對(duì)得到的拉伸結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。根據(jù)疲勞實(shí)驗(yàn)結(jié)果和疲勞試樣形貌，得出了玻璃纖維鋁合金層板的裂紋擴(kuò)展速率方程和裂紋擴(kuò)展機(jī)理，為玻璃纖維．鋁合金層板的設(shè)計(jì)和應(yīng)用奠定實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

1實(shí)驗(yàn)

1.1原材料

         制備玻璃纖維鋁合金層板的原材料見表1。
        

1.2玻璃纖維鋁合金層板制備工藝及類別

       玻璃纖維鋁合金層板制備工藝如圖1所示。本實(shí)驗(yàn)制備了兩種不同鋪層方式的3/2結(jié)構(gòu)（三層鋁合金兩層復(fù)合材料交替鋪層1玻璃纖維鋁合金層板，即單向玻璃纖維鋁合金層板f預(yù)浸料中纖維的鋪層方向?yàn)?/0)和正交玻璃纖維鋁合金層板(預(yù)浸料中纖維    的鋪層方向?yàn)?/90)。
              
1.3  實(shí)驗(yàn)過程

      (1)拉伸性能實(shí)驗(yàn)

       實(shí)驗(yàn)方法：CB3354 -  82:實(shí)驗(yàn)設(shè)備：MTS8 80-50KN型實(shí)驗(yàn)機(jī)：實(shí)驗(yàn)條件：拉伸速度2mm/min.

      (2)疲勞性能實(shí)驗(yàn) 

       實(shí)驗(yàn)方法：G B/T 6398 -   2000;實(shí)驗(yàn)設(shè)備：MT S810-250KN型實(shí)驗(yàn)機(jī)；實(shí)驗(yàn)條件：最大循環(huán)應(yīng)力為150M Pa循環(huán)應(yīng)力比R為0 1，所有疲勞試樣的實(shí)驗(yàn)頻率為10Hz。   

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1拉伸性能

       由于玻璃纖維鋁合金層板的拉伸性能對(duì)于其應(yīng)用具有重要作用，一些研究著力于利用模型對(duì)纖維金屬層板的拉伸性能進(jìn)行預(yù)測(cè)。從而為玻璃纖維鋁合金層板的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供方便條件，其中M．S．pma提出的金屬體積分?jǐn)?shù)(M etal V olume  Frae-tion，MVF)理論應(yīng)用最為廣泛。M．S．Pma定義MVF值為：
         

        本實(shí)驗(yàn)中兩種玻璃纖維鋁合金層板的縱向拉伸性能結(jié)果如表2所示。
       

       由表2中結(jié)果可知。單向玻璃纖維鋁合金層板的拉伸強(qiáng)度、拉伸模量和拉伸屈服強(qiáng)度均高于正交玻璃纖維鋁合金層板，說明玻璃纖維對(duì)于層板的拉伸強(qiáng)度、拉伸模量和拉伸屈服強(qiáng)度有較大貢獻(xiàn)。因?yàn)檎徊ＡЮw維鋁合金層板中縱向拉伸方向上的玻璃纖維體積含量?jī)H為單向玻璃纖維鋁合金層板拉伸方向上玻璃纖維體積含量的一半，在拉伸過程中纖維對(duì)拉伸性能影響較大。所以與單向玻璃纖維鋁合金層板相比正交玻璃纖維鋁合金層板的拉伸強(qiáng)度、拉伸模量和拉伸屈服強(qiáng)度較小。

       分析M．S．Pma提出的層板拉伸性能預(yù)測(cè)公式可知。它僅適用于單向鋪層的纖維金屬層板。針對(duì)正交鋪層的層板特點(diǎn)，需對(duì)M.S．Pma提出層板拉伸性能預(yù)測(cè)公式進(jìn)行如下修正：
           玻璃纖維鋁合金層板的拉伸和疲勞性能研究   
      本實(shí)驗(yàn)中單層鋁合金板的厚度為0. 287mm?？倢訑?shù)3層，層板總厚度為1. 36lmm。鋁合金和纖維增強(qiáng)復(fù)合材料性能見表3
            
       根據(jù)公式(5)一(7)，可得單向玻璃纖維鋁合金層板和正交玻璃纖維鋁合金層板的拉伸屈服強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度及拉伸模量的理論計(jì)算值，將其與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行比較。得表4。

       由表4可見，兩種玻璃纖維鋁合金層板的拉伸性能實(shí)驗(yàn)值與金屬體積分?jǐn)?shù)理論計(jì)算值吻合較好。說明本實(shí)驗(yàn)中玻璃纖維鋁合金層板的拉伸性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果可靠。玻璃纖維鋁合金層板的拉伸力學(xué)性能與各組成材料的拉伸性能和所占體積分?jǐn)?shù)有關(guān)?？梢酝ㄟ^金屬體積分?jǐn)?shù)理論對(duì)玻璃纖維鋁合金層板的拉伸性能進(jìn)行理論預(yù)測(cè)。但需要根據(jù)玻璃纖維鋁合金層板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)金屬體積分?jǐn)?shù)理論進(jìn)行適當(dāng)修正。
              

2.2疲勞性能

        材料的疲勞性能通常由其裂紋擴(kuò)展速率來表征。在材料力學(xué)中，裂紋擴(kuò)展速率有多種表達(dá)形式。如Paris公式、Form an公式、Donalure公式和陳篪公式等。其中，Paris公式常被應(yīng)用于玻璃纖維鋁合金層板裂紋擴(kuò)展速率的計(jì)算。
                    
       從圖2可知，在裂紋擴(kuò)展的初期兩種層板在相同的應(yīng)力強(qiáng)度因子幅夫△K下。裂紋擴(kuò)展速率相差不大：隨著應(yīng)力強(qiáng)度因子幅△K的增大，單向玻璃纖維鋁合金層板的裂紋擴(kuò)展速率基本保持恒定，而正交玻璃纖維鋁合金層板的裂紋擴(kuò)展速率則呈增大趨勢(shì)。但兩種層板的裂紋擴(kuò)展速率均低于2024 T3鋁合金板。單向玻璃纖維鋁合金層板的裂紋擴(kuò)展速率比正交玻璃纖維鋁合金層板還低。

      將兩種層板的da/ dN- △K曲線按Paris公式進(jìn)行擬合，可得到和n的值。進(jìn)一步可得到兩種層板的裂紋擴(kuò)展速率方程：
                    
       對(duì)疲勞實(shí)驗(yàn)后的試樣進(jìn)行C掃描f見圖31?？梢钥吹剑簝煞N層板在疲勞過程中均出現(xiàn)了分層現(xiàn)象。分層區(qū)域的形狀都接近橢圓形，并且分層是沿切口基本對(duì)稱擴(kuò)展的。

      根據(jù)上述疲勞實(shí)驗(yàn)結(jié)果，兩種層板中的玻璃纖維能起到很好的“橋接”作用，使得兩種層板的疲勞裂紋擴(kuò)展速率遠(yuǎn)低于相應(yīng)鋁合金板的疲勞裂紋擴(kuò)展速率。在應(yīng)力從鋁合金層經(jīng)樹脂層傳遞至纖維層的過程中，會(huì)在樹脂層產(chǎn)生周期性的剪切應(yīng)力。它與纖維層的“橋接’應(yīng)力有直接關(guān)系。這種周期性的剪切應(yīng)力的產(chǎn)生會(huì)誘發(fā)鋁合金層和纖維層之間分層擴(kuò)展。裂紋擴(kuò)展和分層擴(kuò)展是玻璃纖維鋁合金層板疲勞過程中的兩種損傷模式，二者均與纖維盼‘橋接”應(yīng)力相關(guān)。并相互牽制。隨著裂紋的擴(kuò)展，鋁合金層不斷將應(yīng)力傳遞至纖維層，纖維的“橋接”應(yīng)力在不斷地增加；而分層擴(kuò)展則是疲勞過程中防止纖維層斷裂的必然趨勢(shì)。也就是說。分層擴(kuò)展在一定程度上緩解了纖維層的斷裂趨勢(shì)。從而降低纖維層的應(yīng)力，二者的相互平衡促成了纖維金屬層板的裂紋相對(duì)穩(wěn)定擴(kuò)展。

       此外，纖維的“橋接”效率與纖維的楊氏模量、纖維層中加載方向纖維體積含量、膠粘劑的剪切模量及層板的層間性能等密切相關(guān)，正交玻璃纖維鋁合金層板由于其纖維層中加載方向上的纖維體積含量?jī)H為單向玻璃纖維鋁合金層板的50%，因此其纖維層的“橋接’作用相對(duì)于單向玻璃纖維鋁合金層板來說較低。表現(xiàn)為正交玻璃纖維鋁合金層板的裂紋擴(kuò)展速率有小幅度增長(zhǎng)的趨勢(shì)，而單向玻璃纖維鋁合金層板的裂紋擴(kuò)展速率則近似恒定。
                 
3結(jié)論

       (1)玻璃纖維鋁合金層板具有優(yōu)異的拉伸性能，其拉伸強(qiáng)度與層板中纖維的鋪層方向有較大關(guān)系。拉伸方向上纖維體積含量較多時(shí)，層板的拉伸強(qiáng)度、拉伸模量和拉伸屈服強(qiáng)度較高。

       (2)單向玻璃纖維鋁合金層板的拉伸性能可通過金屬體積分?jǐn)?shù)理論進(jìn)行預(yù)測(cè)，正交玻璃纖維鋁合金層板由于其鋪層方式不同于單向玻璃纖維鋁合金層板，需對(duì)金屬體積分?jǐn)?shù)理論進(jìn)行適當(dāng)修正。

      (3)由于玻璃纖維的“橋接”作用抑制了裂紋擴(kuò)展。玻璃纖維鋁合金層板具有優(yōu)異的疲勞性能。玻璃纖維鋁合金層板的疲勞損傷主要有裂紋擴(kuò)展和分層擴(kuò)展兩種模式，兩者相互牽制促成玻璃纖維鋁合金層板裂紋擴(kuò)展速率的相對(duì)穩(wěn)定。