该研究利用纤维束拉伸法，探究了加载速率对碳纤维/环氧树脂复合材料界面拉伸性能的影响。通过改变加载速度，测试了样品的应力-时间曲线和应力-位移曲线，并利用高速相机观察了碳纤维/环氧树脂界面的原位失效行为。
研究发现，随着加载速率从 5 × 10−6 m/s 增加到 12.0 m/s，界面拉伸强度从 6.1 ± 0.9 MPa 提升至 16.4 ± 0.3 MPa，界面刚度从 1.58 ± 0.3 N/m 提升至 17.4 ± 3.1 N/m，而断裂位移则从 0.23 ± 0.03 mm 降至 0.10 ± 0.01 mm。光学显微镜分析显示，在高加载速率下，裂纹表面更加粗糙。随着加载速率的增加，界面失效模式也从纤维断裂和拔出转变为脆性基体开裂。
此外，该研究还利用有限元方法验证了带有分离霍普金森拉伸杆的纤维束拉伸方法的有效性，并分析了界面在动态加载下的失效行为。模拟结果表明，计算得到的失效应力比实际值低 20%，且粘合层在边缘区域存在应力集中的现象。这项研究深入探讨了加载速率对碳纤维/环氧树脂复合材料界面拉伸性能的影响，为进一步研究和应用提供了有价值的见解。
碳纤维/环氧树脂复合材料因其高比强度、高比模量、抗疲劳、耐腐蚀等优异性能，在航空航天、汽车、交通运输等领域得到广泛应用。复合材料界面区域的结构和特性对材料的力学性能、断裂韧性和能量吸收能力等具有重要影响。目前，对复合材料界面强度的表征方法主要包括微结合材料试验、原位复合材料试验和宏观混合方法等。近年来，纤维束拉伸法逐渐发展成为一种测试纤维和基体粘结强度的有效方法。然而，关于碳纤维/环氧树脂复合材料界面在不同加载速率下的拉伸行为研究尚不充分，特别是对界面性能和失效机制的详细分析仍然缺乏。
近日，《Composites Part B》期刊发表了一篇由西北工业大学航空学院、南方科技大学材料科学与工程系、北航宁波先进制造中心完成的有关碳纤维/环氧树脂复合材料界面拉伸行为对加载速率的依赖性的研究成果。该文章系统地研究了碳纤维/环氧树脂复合材料界面在不同加载速率下的拉伸行为，揭示了加载速率对界面强度、刚度、断裂位移和断裂模式的影响规律，并分析了界面失效机制。论文标题为“Experimental and numerical study on the loading rate dependent tensile behavior of carbon fiber/epoxy interface”。
实验采用了Tairyfil TC35碳纤维材料和DER331基体树脂，并对其性能进行了表征。采用碳纤维束拉伸法（TFB）制备了样品，并利用有限元方法确定了样品的尺寸。
该研究使用Instron 5848通用试验机进行准静态拉伸实验，并使用高速摄像机捕捉实验过程中的粘附行为。动态拉伸实验则采用了Hopkinson拉伸杆（SHTB）技术，以研究材料在冲击载荷下的拉伸行为。通过高速相机和显微镜对断裂界面进行观察，分析了不同加载速率下的断裂形态。
图1 TFB试样的示意图（a）和代表性照片（b），以及环氧树脂、碳纤维束和界面区域的显微图像（c-d）。
图2 纤维束拉伸样品动态拉伸试验的示意图、现场照片和简化的理论模型。准静态拉伸实验表明，在加载速率为 5 × 10−6 m/s 的条件下，CF/EP 界面的平均拉伸强度为 6.1 ± 0.94 MPa。应力-时间曲线和应力-位移曲线在加载过程中几乎呈线性关系，表明了界面的准静态拉伸行为。实验过程中，裂纹首先沿界面传播，然后扩展到基体，最终导致完全断裂。结果表明，在准静态拉伸条件下，裂纹倾向于沿CF/EP界面扩展。
图3 TFB试样（5×10-6m/s）的准静态拉伸应力-时间（a）和应力-位移（b）曲线以及准静态拉伸试验图片：（c）试验开始，（d）初始开裂，（e）完全开裂。动态拉伸的实验表明，随着加载速率的增加，CF/EP 界面的加载时间逐渐缩短，而界面强度逐渐提高。应力-时间曲线和应力-位移曲线在加载过程中表现出明显的非线性特征，这表明界面刚度随着加载速率的增加而降低。此外，断裂位移随着加载速率的增加而逐渐减小，这表明界面在较高的拉伸速率下变得更加脆性。
图4 加载速率为 12.0 m/s 的纤维束拉伸样品的应力-时间曲线、加载速率-时间曲线和位移-时间曲线，以及不同关键时刻的样品照片。随着加载速率的增加，CF/EP 界面的拉伸强度逐渐提高，但加载速率敏感性随着拉伸速率的增加而降低。界面刚度几乎随着加载速率的增加而线性增加，而断裂位移随着加载速率的增加而逐渐减小。
在准静态拉伸试验中，分离主要发生在环氧树脂和碳纤维界面之间。此外，一些碳纤维束粘附在环氧树脂基体表面，表明一些碳纤维已经断裂。碳纤维从基体中拔出后，碳纤维周围没有裂纹扩展，这与动态断裂不同。这表明在低加载速率下，主要失效模式是纤维断裂和纤维拔出，导致材料逐渐和随机地失效。
图5 加载速率为 5 × 10^-6 m/s、3.2 m/s 和 12.0 m/s 时的断裂形貌。动态拉伸条件下 TFB 样品的断裂形貌图像表明，随着加载速率的增加，界面断裂处的粗糙度明显提高，发生了脆性断裂。在碳纤维和基体分离后，基体上出现了河流状图案，这是脆性断裂的最典型特征。这些观察结果表明，在中等加载速率下，失效模式主要是基体裂纹和纤维-基体脱离，导致材料突发性破坏。
使用有限元方法对 TFB 方法进行验证，建立了包含环氧基体、碳纤维层和界面区域的 TFB 样品模型，并使用 Abaqus/Explicit 软件进行模拟。模拟结果表明，界面处的应力分布与实验结果吻合良好，但计算得到的断裂应力比实际测量值低约 20%。这可能是由于有限元模型和一维应力波理论的固有假设和简化造成的。
图6 （a） TFB试样SHTB实验的几何模型。（b） 模拟粘性层破坏前的von Mises应力场（480μs）。（c） 粘性层破坏前沿z方向的模拟应变场（480μs）。（d） 入射杆和透射杆中间区域的两个元件的模拟应变信号。（e） 粘结层的S33值与SHTB模拟应变信号的计算结果的比较。（f） 480μs时两个粘结层S33值的分布。通过改变加载速率，并比较使用 Hopkinson 杆理论和粘附在样品上的应变片计算得到的界面剥离应力，结果表明两种方法计算得到的应力吻合良好，验证了 TFB 方法的准确性。
该研究表明，加载速率对碳纤维/环氧树脂复合材料界面的拉伸行为具有重要影响。随着加载速率的增加，界面拉伸强度、刚度和断裂位移均显著提高，而断裂模式则从纤维断裂和拔出转变为脆性基体开裂。该研究揭示了加载速率对界面性能和失效机制的影响规律，为设计具有增强层间性能和损伤监测能力的复合材料结构提供了理论依据。