考虑温度效应的复合材料紧固结构面外拉脱性能和失效机制

刘鸿森; 黄凯; 黄金钊; 韩晓剑; 逯浩; 骆杨; 张莉; 果立成

doi:10.13801/j.cnki.fhclxb.20240722.003

考虑温度效应的复合材料紧固结构面外拉脱性能和失效机制

哈尔滨工业大学　航天学院，航天科学与力学系，哈尔滨 150001

详细信息

通讯作者:
黄凯，博士，副研究员，研究生导师，研究方向为复合材料结构与强度　E-mail: huangkai@hit.edu.cn

中图分类号: TB332
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出版历程
- 收稿日期: 2024-05-08
- 修回日期: 2024-06-18
- 录用日期: 2024-07-07
- 网络出版日期: 2024-07-21
- 刊出日期: 2024-08-31

Out-of-plane pull-through performance and failure mechanisms of composite material fastening structures considering temperature effects

Department of Astronautic Science and Mechanics, School of Astronautics, Harbin Institute of Technology,Harbin 150001, China

摘要

摘要: 高低温交变是航空航天领域复合材料紧固件的典型服役环境，而紧固件的力学性能与服役环境温度密切相关。为了研究温度环境对不同紧固件拉脱力学性能的影响，设计了一种适用于高低温环境的新型拉脱试验夹具，并开展了碳纤维增强双马来酰亚胺树脂复合材料面外拉脱试验。通过声发射(AE)技术、光学显微镜、扫描电子显微镜(SEM)对拉脱失效机制进行多维度表征，揭示了服役温度对两种典型复合材料紧固件面外拉脱失效机制的影响规律。研究表明，随着温度升高，凸头紧固件的拉脱强度会逐步降低，而沉头紧固件的拉脱强度先升高后降低。温度会影响紧固件拉脱过程中的损伤模式，并在高温环境下观测到基体失效呈现“河流”模式，证实了高温环境中层间裂纹扩展过程存在基体塑性变形，这为沉头紧固件拉脱强度随温度上升的现象提供了合理的解释。
- 新型试验夹具 /
- 斜纹织物层合板 /
- 拉脱失效 /
- 失效分析 /
- 声发射
Abstract: Alternating high and low temperatures represent a typical operational environment for fastening structures (e.g., bolted structures) in the aerospace field, which have a pronounced/significant influence on the mechanical performance of bolted structures. In order to explore the impact of temperature variations on the pull-through mechanical performance of different bolts, an out-of-plane pull-through experiment was conducted on carbon-fiber-reinforced bismaleimide resin composites. Additionally, a specialized pull-through experiment fixture was developed for high/low temperature conditions. Using acoustic emission (AE) techniques, optical microscopy, and scanning electron microscopy (SEM), a multidimensional characterization of pull-through failure mechanisms was conducted, revealing the influence of temperature environments and bolts on the pull-through experiment failure mechanisms of composite materials. The findings reveal a correlation between temperature variations and the pull-through strength of differing bolts in composite materials. Specifically, as temperatures rise, the pull-through strength of protruding head fasteners demonstrates a gradual decline. However, the pull-through strength of countersink fasteners exhibits an initial increase followed by a subsequent decrease. The temperature exerts an influence on the damage patterns during the pull-through process of fastening structures. Observations in elevated temperature environments reveal a river pattern of matrix failure, confirming the existence of matrix plastic deformation in the process of interlaminar crack propagation at high temperatures. This provides a plausible explanation for the observed phenomenon of a decrease in pull-through strength of countersink structures with increasing temperature.
- novel test fixture /
- twill weave laminate /
- pull-through failure /
- failure analysis /
- acoustic emission

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航空航天结构设计对重量高度敏感，复合材料具有高比强度、高比模量、耐腐蚀等性能，因此在航空航天领域中得到了广泛使用。螺栓紧固件因其工艺简单、性能可靠等优点成为复合材料结构的主要连接方式^[1-2]，但在连接处容易发生剪切断裂和拉脱等失效模式。为降低风阻系数，飞机蒙皮等结构一般选用沉头紧固件，内部连接结构通常选用承载能力更强的凸头紧固件，两种紧固件的力学性能存在较大差别。由于紧固件特殊的使用工况使其经常暴露在极端环境中(高温、低温)，这会导致复合材料性能发生改变，使紧固件更容易出现灾难性失效^[3-4]。

最初，对于紧固件的研究仅限于拉伸、剪切等面内破坏模式，而多忽略复合材料的面外(法向)失效^[5-8]。铺层结构法向承载能力较弱，其失效经常发生在面外方向上，沿厚度方向的拉脱失效逐渐受到关注。Arnold等^[9]通过试验研究了不同紧固件的拉脱强度。Banbury和Kelly^[10]通过试验探究了层合板凸头紧固件拉脱失效机制。随后，学者们分别研究了层合板厚度^[11]、铺层顺序^[12]以及紧固件^[13-16]等因素对拉脱性能的影响。复合材料结构经常暴露在极端环境中，在考虑紧固件的失效机制时，不能仅限于常温条件。但有关温度环境对复合材料紧固件性能影响的研究还相对有限^[17-19]。因此，深入研究温度环境对复合材料面外拉脱力学性能的影响具有极其重要的意义。

在研究复合材料的面外拉脱性能时，失效通常发生在连接孔周围，这增加了探究其失效机制的难度。现有的无损检测技术，如数字图像相关技术^[20](Digital image correlation，DIC)、声发射^[21](Acoustic emission，AE)、热成像^[22]、导波^[23]等，在许多应用上均有出色表现。但对于螺栓连接处的内部损伤模式识别，热成像、DIC、导波往往不能给出准确的描述。相较而言，AE技术在原位检测拉脱试验过程中表现出良好的内部损伤检测能力^[24]，但在极端温度下使用AE技术的研究仍相对较少。Seyyednourani等^[25]利用累计AE计数方法研究了复合材料在低温环境下压缩载荷作用下冲击损伤对破坏机制的影响。Xu等^[26]采用频谱分析研究了湿热环境下胶粘剂复合接头损伤模式。然而，对于在不同温度环境下采用聚类分析处理拉脱试验中的AE信号的研究还尚未得到充分关注。

本文研究了温度环境对不同紧固件的碳纤维增强双马来酰亚胺树脂复合材料面外拉脱力学性能的影响。并通过声发射技术、光学显微镜、扫描电子显微镜(SEM)对失效机制进行多维度表征。该研究可为复合材料结构螺栓连接设计及可靠性评估提供理论基础。

1. 试验材料及方法

1.1 原材料

采用的复合材料增强相为国产T800H-6 K型碳纤维，基体选用双马来酰亚胺树脂基体。试样由织物和单向带两种铺层构成，在织物铺层中增加单向带铺层以达到增强韧性的效果。斜纹织物复合材料的代表性体积单元(Representative volume element，RVE)的结构如图1所示，单层名义厚度为0.2 mm，单层单向带铺层名义厚度为0.15 mm。按照[45₂/0/45/0/45₂/0_T/0/0_T/0/0_T/45/0_T/45/0_T/0₂/45₂/0₂/45/0_T/45/0_T/0/0_T/0/0_T/45]的铺层序列铺设31层，试样的名义厚度为5.75 mm。其中0、45分别表示0°和45°织物铺层方向，0_T表示为0°增韧单向带。

图 1 斜纹织物复合材料及其代表性体积单元(RVE)结构示意图

Figure 1. Twill fabric composite material and the schematic diagram of representative volume element (RVE) structure

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试样的几何尺寸设计遵循复合材料拉脱试验标准ASTM D7332^[27]，为40 mm×40 mm×6 mm，中间孔直径为8 mm。

1.2 试验方法

1.2.1 拉脱试验夹具的设计及可行性验证

用于拉脱试验的紧固件采用钛合金制成的抗剪型高锁紧固件，其表面经过热处理及蓝色阳极化处理，显著提升其表面硬度。本文讨论了如图2所示的凸头(Protruding head fasteners，PF)、沉头(Countersink fasteners，CF)两种紧固件对拉脱力学性能的影响。

图 2 抗剪型高锁紧固件

Figure 2. Shear-resistant high-strength fasteners

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ASTM D7332^[27]中提出了面外拉脱试验的加载方法。然而，由于当前常用环境箱的尺寸限制，该标准推荐的试验夹具并不完全适应本研究的具体需求。为此，本文特别设计了一种适用于高低温环境条件的拉脱试验夹具。图3给出了试验夹具的装配图，该试验夹具主要由3个关键部件构成：加持元件适配器、上夹具、下夹具。

图 3 试验夹具装配

Figure 3. Assembly of experimental fixture

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在试验前需对试验夹具进行可行性分析，通过有限元法对试验夹具进行验证，如图4所示，在位移加载的过程中，该试验夹具可以稳定施加拉脱载荷，具有良好的稳定性。

1.2.2 拉脱试验过程

采用极限载荷为250 kN的电液伺服试验机进行拉脱试验，试验机原始的环境箱是一个封闭系统，无法进行声发射测量。本文设计了一种改进的环境箱，在加热试验件的同时能够采集声发射信号。如图5所示，使用PID温度控制器调节4个加热棒，以均匀升高环境箱内的温度。为了增强隔热性能，环境箱内部采用耐高温隔热板进行密封，并在其表面覆盖一层铝箔，以确保传热的均匀性。图中显示试验机具有上下两个夹头，上夹头为固定端，下夹头为位移控制移动的加载端，在拉脱试验中加载速度为0.5 mm/min。拉脱试验设置两种紧固件对照组(凸头、沉头)，4种温度环境对照组(−90℃、20℃、120℃、180℃)。为了保证试验结果的稳定性和可重复性，每种测试工况准备了5组试验，拉脱试验工况及编号见表1。

图 4 试验装置可行性验证

Figure 4. Feasibility verification of experimental setup

U—Displacement; S—Stress

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图 5 拉脱试验系统

Figure 5. Pull-through experiment system

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表 1 拉脱试验工况及编号

Table 1. Pull-through experiment conditions and identification numbers

Structure	Temperature/℃	Number	Count
PF	−90	PF-CTD	5
	20	PF-RTD	5
	120	PF-ET1D	5
	180	PF-ET2D	5
CF	−90	CF-CTD	5
	20	CF-RTD	5
	120	CF-ET1D	5
	180	CF-ET2D	5
Notes: PF—Protruding head; CF—Countersink bolts; CTD—Low temperature dry state; RTD—Room temperature dry state; ET1D—High temperature dry state 1; ET2D—High temperature dry state 2.

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根据ASTM D7332^[27]试验标准，将试验中首个峰值载荷定义为失效载荷，并将失效载荷对应的位移定义为失效位移。试验过程中同步记录载荷和位移数据。拉脱强度采用下式进行计算：

$\sigma = \frac{P}{{{\text{π}} Dh}}$

(1)

式中：P为拉脱失效载荷；D为紧固件最大直径；h为复合材料板厚度。

试验过程中采用声发射(AE)技术实时监测试件内部的微观损伤过程，在夹具表面设置导波传感器系统，如图5所示。该系统采用了压电传感器(WSα)，传感器工作的频率范围为100~1000 kHz，并以2 MHz的采样率对声发射信号进行采集。为了增强信号的可分析性，使用2/4/6通道AE前置放大器放大，放大器的增益设置为40 dB。试验过程中设置AE信号阈值为40 dB来过滤试验过程中产生的背景噪音。

1.2.3 不同温度环境下层间断裂韧性试验

为探究温度环境下拉脱过程中层间性能变化，补充不同温度环境下的层间断裂韧性试验。试样的几何尺寸设计遵循复合材I型层间断裂韧性ASTM D5528-01(07)试验标准^[28]，图6给出了试样尺寸。层间断裂韧性试验在Zwick/Roell Z100万能试验机下进行，采用双悬臂梁(Double cantilever beam，DCB)方式进行加载，载荷精度为0.1 N。加载采用位移控制，加载速率为2 mm/min。加载过程中同步记录试验机载荷位移数据及试样裂纹长度a变化。并采用修正梁理论(Modified beam theory，MBT)计算断裂韧性：

${G}_{{\rm I}}=\frac{3P\delta }{2b(a+\left|\varDelta \right|)}$

(2)

其中：δ为加载点位移； $\varDelta$ 为修正值；b为试件宽度。

图 6 碳纤维/双马复合材料双悬臂梁试样

Figure 6. Double cantilever beam specimens of carbon fiber/bismaleimide composites

a₀—Starter crack

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2. 结果与讨论

2.1 紧固件及温度环境对碳纤维/双马树脂复合材料拉脱性能的影响

试验结果表现出良好的一致性和可重复性，在每个温度选取一个数据绘制了如图7所示的载荷-位移曲线图。图中显示的载荷位移图与ASTM D7332^[27]标准中给出的典型特征一致，即存在明显的失效载荷(首次出现峰值)，随后载荷迅速下降至一个低谷。随着位移增加，载荷出现第二次上升，达到第二个峰值，最终导致试样完全失效。为了深入研究温度环境对复合材料拉脱性能影响，图8对比了两种接头不同温度环境下拉脱强度和失效位移的变化，研究发现凸头紧固件拉脱强度明显高于沉头紧固件。

图 7 不同温度环境下碳纤维/双马复合材料拉脱载荷-位移曲线

Figure 7. Load-displacement curve of carbon fiber/bismaleimide composite materials under different temperatures

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图 8 碳纤维/双马复合材料拉脱性能随温度环境变化

Figure 8. Pull-through performance of carbon fiber/bismaleimide composite materials as a function of temperature changes

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相对于常温环境下，低温环境仅使凸头紧固件失效强度提高了0.6%，说明低温环境并不会明显增强凸头紧固件面外拉脱性能。随着温度的逐渐升高，凸头紧固件的失效强度明显降低，但失效位移逐渐上升。在180℃环境下，凸头紧固件拉脱失效强度较常温环境下降了21.3%，失效位移上升了5.4%。这是由于温度升高使树脂基体软化^[29-30]，导致复合材料法线方向上强度降低。进而导致了凸头紧固件失效强度随温度升高而减小。基体软化使基体延展性增加，导致紧固件失效位移增加。

与凸头紧固件相比，沉头紧固件在温度逐渐升高的过程中，失效位移逐渐增加。然而，拉脱失效强度在温度升高的过程中呈现先升高后降低的趋势。从常温升高到120℃，失效强度增加了11.6%。然而，在120~180℃的温度范围内，失效强度发生了突降，相较120℃降低了20.6%。不同的材料层间性能对于温度的响应存在差异^[31-37]。图9展示了碳纤维双马树脂单向材料DCB试验的载荷-位移曲线和能量释放率G_I随温度变化趋势。研究发现，在低温环境中断裂韧性仅提高了常温断裂韧性的13.2%。随着温度逐渐升高，I型断裂韧性在120℃时出现峰值，相较于常温环境提升了41.4%。而随着温度进一步升高，断裂韧性出现下降趋势，这一现象与沉头紧固件拉脱失效载荷随温度变化趋势一致。

图 9 碳纤维/双马复合材料层间性能随温度变化

Figure 9. Interlaminar performance of carbon fiber/bismaleimide composites with temperature variation

DCB—Double cantilever beam

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2.2 AE结果分析

在拉脱试验中采集的AE信号包含许多特征参数，如上升时间(RT)、计数(CT)、能量(EA)、持续时间(DT)、峰值幅度(PA)和峰值频率(PF)。但并不是每个参数都能准确表征损伤模式。为了解决这个问题，可以利用数据之间的相关性对数据进行降维。Pearson相关系数法^[21]可以非常直观地展现各特征参数之间的相关性。利用下式计算各特征参数间的相关系数：

${R_{{X_i}Y}} = \frac{{\displaystyle\sum\limits_{i = 1}^n {({X_i} - \bar X)({Y_i} - \bar Y)} }}{{\sqrt {\displaystyle\sum\limits_{i = 1}^n {{{({X_i} - \bar X)}^2}} } \sqrt {\displaystyle\sum\limits_{i = 1}^n {{{({Y_i} - \bar Y)}^2}} } }}$

(3)

在AE信号中普遍认为PF是识别损伤模式的主要特征参数^[38-40]，这一观点与图10中展示的Pearson相关性计算结果一致(PF与其余所有特征参数相关性最小)。这进一步验证了PF是区分AE信号的重要特征参数。而对4种工况下特征参数相关性统计发现PA与PF相关性最小，故选取PF和PA两个特征参数对AE信号进行区分。

图 10 各工况下碳纤维/双马复合材料拉脱试验声发射(AE)特征参数相关性

Figure 10. Correlation of acoustic emission (AE) characteristic parameters from pull-through tests of carbon fiber/bismaleimide composites under various conditions

PF—Peak frequency; PA—Peak amplitude; DT—Duration time; EA—Energy; CT—Count; RT—Rise time

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拉脱损伤过程中AE信号聚类簇的数量与损伤模式存在直接联系，因此准确预报聚类数量将对于分析拉脱失效机制具有重要意义。常用确定聚类簇的方法有Calinski-Harabasz指数^[41]、Davies-Bouldin指数^[42]、Gap Statistic法^[43]、Silhouette Score法^[44]，这些指标各有优缺点，在实际应用中可以应用多个指标确定最佳聚类簇。其中Gap Statistic法考虑了数据随机性，可以更全面地评估聚类质量。利用下式计算声发射信号统计量：

${G_n} = \frac{1}{N}\sum\limits_{i = 1}^N {\ln } (X_n^{(i)}) - \ln ({X_n})$

(4)

其中：N为样本数量； ${X_n}$ 、 $X_n^{(i)}$ 分别表示原始数据和随机数据的紧密度，对于n个聚类簇数，其定义为簇内每个数据点到聚类中心的欧几里得距离的平方和。为保证预报聚类数量的可靠性，需考虑数据不确定性，即利用下式计算标准差：

${d_n} = \sqrt {\frac{1}{N}\sum\limits_{i = 1}^N {{{(\ln (X_n^{(i)}) - \bar X)}^2}} }$

(5)

其中， $\bar X$ 为

$\bar X = \frac{1}{N}\sum\limits_{i = 1}^N {\ln (X_n^{(i)})}$

(6)

且令 ${s_n} = {d_n}\sqrt {1 + 1/N}$ 并代入下式中计算最佳聚类数 ${n^*}$ ：

${G_n} \geqslant {G_{n + 1}} - {s_{n + 1}}$

(7)

Calinski-Harabasz指数(CHI指数)的计算公式如下：

${C_{{\text{HI}}}} = \frac{{{S_{\mathrm{B}}}/(k - 1)}}{{{S_{\mathrm{W}}}/(n - k)}}$

(8)

其中： ${S_{\mathrm{B}}}$ 是簇间平方和； ${S_{\mathrm{W}}}$ 是簇内平方和；k是簇的数量；n是样本数量。较高的CHI值通常表示簇内差异小，簇间差异大，即聚类效果较好。

Davies-Bouldin指数(DBI指数)的计算公式：

${D_{{\text{BI}}}} = \frac{1}{k}\sum\nolimits_{i = 1}^k {{{\max }_{j \ne i}}\left(\frac{{{\sigma _i} + {\sigma _j}}}{{d({c_i},{c_j})}}\right)}$

(9)

其中： ${\sigma _i}$ 是簇i内样本的平均距离； ${c_i}$ 是簇i的中心； $d({c_i},{c_j})$ 是簇i和j中心的距离。

由原理可知，低DBI值、高CHI和Gap的值对应最佳聚类簇。根据图11中3种算法计算结果在常温环境下两种紧固件声发射最佳聚类簇均指向4，而在高温环境中声发射最佳聚类簇均指向3。

图 11 不同工况下碳纤维/双马复合材料拉脱试验AE信号最佳聚类簇

Figure 11. Optimal clustering of AE signals from pull-through tests of carbon fiber/bismaleimide composites under different conditions

DBI—Davies-Bouldin index; CHI—Calinski-Harabasz index; GAP—Gap Statistic

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在众多聚类算法中，k-means++算法是常用的无监督算法^[45]，不需要对信号进行标签即可对试验过程中AE信号进行分类。

图12中常温环境(图12(a)、12(b))形成4个聚类簇，根据图13中两种紧固件的常温拉脱试验的破坏形貌可以得到拉脱破坏主要失效模式有以下4种：纤维断裂、纤维拔出、纤维/基体界面脱粘和基体开裂。所以在常温试验中(图12(a)、12(b)) AE信号通过聚类形成的四个聚类簇分别对应着4种损伤类别。每种损伤模式对应的频率范围不同^[46-52]，分别对应频率范围为[350~700 kHz]、[220~350 kHz]、[120~220 kHz]和[0~120 kHz]。图12中的聚类结果表明，在常温环境下，凸头紧固件拉脱损伤模式主要以纤维损伤为主。而沉头紧固件损伤模式主要为基体开裂和纤维/基体界面脱粘。但值得注意的是，在沉头紧固件纤维断裂损伤较少。微观失效模式中基体开裂和纤维/基体界面脱粘与沉头紧固件宏观破坏形貌中所观测到的分层现象相对应。

图 12 不同工况下碳纤维/双马复合材料拉脱试验的声发射信号

Figure 12. Acoustic emission signals from pull-through tests of carbon fiber/bismaleimide composites under different conditions

CL—Cluster

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图 13 碳纤维/双马复合材料拉脱试验宏观破坏形貌

Figure 13. Macroscopic failure morphology of pull-through tests on carbon fiber/bismaleimide composites

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在高温环境下，AE信号最佳聚类数减少为3。对高温声发射信号进行聚类分析，图12(c)和12(d)中显示，3个聚类簇所对应的频率范围与常温下观察到的纤维断裂、纤维拔出和基体开裂的频率范围高度相符。然而，在常温环境下与纤维/基体界面脱粘损伤相关的频率范围[120~220 kHz]在高温条件下的声发射数据中几乎未出现。这一结果表明，环境温度的变化可能对拉脱损伤机制产生显著影响。

2.3 不同温度环境下微观形貌

为了深入探究温度对于损伤模式影响，本研究利用扫描电子显微镜(SEM)对紧固件试样进行了详细分析。图14展示了不同温度条件下复合材料拉脱破坏的SEM图像。通过对比图14(a)、14(b)、14(e)和14(f)，发现无论在低温还是常温环境下，两种复合材料紧固件的破坏均呈现出脆性破坏特征。不同的是，在−90℃的低温环境中，基体保持完整的块状结构，并紧附于纤维丝上。而在20℃的常温环境中，尽管破坏形貌与低温下相似，但基体呈现较为松散的絮状附着。在这两种温度环境下，失效模式中纤维表面相对光滑，纤维/基体界面脱粘较为明显。然而，从图14(c)、14(d)、14(g)和14(h)可以观察到，高温环境使树脂软化，纤维被树脂紧紧包裹。在高温环境下，未观察到明显的纤维/基体界面脱粘现象，这表明在高温环境中裂纹选择了更薄弱的基体内传播，而未沿着纤维/基体界面扩展。这一现象与声发射聚类分析的结果相吻合，即在高温环境中，纤维/基体界面脱粘损伤模式减少。

图 14 不同温度环境下碳纤维/双马复合材料紧固件拉脱破坏的SEM图像

Figure 14. SEM images of pull-through failure of fasteners in carbon fiber/bismaleimide composites under different temperature conditions

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而从沉头紧固件分层失效处的SEM图像中(图14(g)、14(h))，观察到基体破坏呈现“河流”状阶梯形貌。表明在玻璃化转变温度184℃以前^[53]，升高温度会增加基体的延展性。这使裂纹在扩展前出现塑性变形，并在裂纹尖端形成塑性区，从而增加了裂纹体柔度，延缓了裂纹形成和扩展，进而提升了层间断裂韧性。

当温度升高到180℃时，已经非常接近该复合材料的玻璃化转变温度184℃。在这个温度范围内，树脂基体逐渐从玻璃态转变为橡胶态，导致两种紧固件的强度显著下降。

3. 结论

在探究紧固件和温度环境对面外拉脱失效机制影响过程中，结合声发射信号和宏观/微观损伤形貌，得到以下结论：

(1)提出了一种适用于高低温环境装置的新型拉脱夹具，并通过有限元方法对改进后夹具的可靠性进行了评估，验证了其在实际使用中的可靠性和稳定性；

(2)对比了两种紧固件在不同温度下的拉脱性能，发现凸头紧固件的承载能力明显优于沉头紧固件。研究还发现，随着温度升高，凸头紧固件的拉脱强度逐渐减弱，而沉头紧固件的拉脱强度在−90~120℃温度区间内持续增强。接近玻璃化转变温度附近，强度会显著下降；

(3)通过声发射(AE)聚类分析和宏观损伤形貌得到了常温环境下拉脱过程存在纤维断裂、纤维拔出、纤维/基体界面脱粘和基体开裂等4种损伤模式。随着温度升高，纤维/基体界面脱粘损伤模式有所减少；

(4)在分析沉头紧固件拉脱失效机制时，发现层间损伤是主要的失效模式。高温环境中基体的软化效应增加了基体延展性，导致微观损伤形貌中出现“河流”阶梯模式。这表明层间裂纹扩展过程中，基体发生了塑性变形，从而延缓了裂纹扩展，使沉头紧固件在升温初期的拉脱强度得以提升。

图 1 斜纹织物复合材料及其代表性体积单元(RVE)结构示意图

Figure 1. Twill fabric composite material and the schematic diagram of representative volume element (RVE) structure

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图 2 抗剪型高锁紧固件

Figure 2. Shear-resistant high-strength fasteners

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图 3 试验夹具装配

Figure 3. Assembly of experimental fixture

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图 4 试验装置可行性验证

Figure 4. Feasibility verification of experimental setup

U—Displacement; S—Stress

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图 5 拉脱试验系统

Figure 5. Pull-through experiment system

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图 6 碳纤维/双马复合材料双悬臂梁试样

Figure 6. Double cantilever beam specimens of carbon fiber/bismaleimide composites

a₀—Starter crack

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图 7 不同温度环境下碳纤维/双马复合材料拉脱载荷-位移曲线

Figure 7. Load-displacement curve of carbon fiber/bismaleimide composite materials under different temperatures

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图 8 碳纤维/双马复合材料拉脱性能随温度环境变化

Figure 8. Pull-through performance of carbon fiber/bismaleimide composite materials as a function of temperature changes

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图 9 碳纤维/双马复合材料层间性能随温度变化

Figure 9. Interlaminar performance of carbon fiber/bismaleimide composites with temperature variation

DCB—Double cantilever beam

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图 10 各工况下碳纤维/双马复合材料拉脱试验声发射(AE)特征参数相关性

Figure 10. Correlation of acoustic emission (AE) characteristic parameters from pull-through tests of carbon fiber/bismaleimide composites under various conditions

PF—Peak frequency; PA—Peak amplitude; DT—Duration time; EA—Energy; CT—Count; RT—Rise time

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图 11 不同工况下碳纤维/双马复合材料拉脱试验AE信号最佳聚类簇

Figure 11. Optimal clustering of AE signals from pull-through tests of carbon fiber/bismaleimide composites under different conditions

DBI—Davies-Bouldin index; CHI—Calinski-Harabasz index; GAP—Gap Statistic

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图 12 不同工况下碳纤维/双马复合材料拉脱试验的声发射信号

Figure 12. Acoustic emission signals from pull-through tests of carbon fiber/bismaleimide composites under different conditions

CL—Cluster

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图 13 碳纤维/双马复合材料拉脱试验宏观破坏形貌

Figure 13. Macroscopic failure morphology of pull-through tests on carbon fiber/bismaleimide composites

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图 14 不同温度环境下碳纤维/双马复合材料紧固件拉脱破坏的SEM图像

Figure 14. SEM images of pull-through failure of fasteners in carbon fiber/bismaleimide composites under different temperature conditions

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表 1 拉脱试验工况及编号

Table 1 Pull-through experiment conditions and identification numbers

Structure	Temperature/℃	Number	Count
PF	−90	PF-CTD	5
	20	PF-RTD	5
	120	PF-ET1D	5
	180	PF-ET2D	5
CF	−90	CF-CTD	5
	20	CF-RTD	5
	120	CF-ET1D	5
	180	CF-ET2D	5
Notes: PF—Protruding head; CF—Countersink bolts; CTD—Low temperature dry state; RTD—Room temperature dry state; ET1D—High temperature dry state 1; ET2D—High temperature dry state 2.

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参考文献(53)

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长摘要

目的
随着航空航天技术的进步和新材料的不断涌现，航空航天结构设计对重量和性能的要求日益严苛。复合材料因其高比强度、高比模量、耐腐蚀等优异性能，已在航空航天领域中得到广泛应用。螺栓紧固件作为复合材料结构的主要连接方式，容易在连接处发生剪切断裂和拉脱等失效模式。且高低温交变是航空航天领域复合材料紧固件的典型服役环境，紧固件的力学性能与服役环境温度密切相关。为探究紧固件在极端温度环境下的性能变化，本文通过声发射技术(Acoustic Emission, AE)、光学显微镜和扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscopy, SEM)对不同紧固件在碳纤维增强双马来酰亚胺树脂复合材料中的面外拉脱力学性能进行多维度表征。研究结果将为复合材料结构螺栓连接设计及其可靠性评估提供理论基础。
方法
设计了一种适用于高低温环境的新型拉脱试验夹具，并开展(凸头和平头)两种紧固件及(-90 ℃, 20 ℃, 120 ℃, 180 ℃)四种环境温度的碳纤维增强双马来酰亚胺树脂复合材料面外拉脱试验。通过声发射技术、光学显微镜和扫描电子显微镜对两种类型紧固件在不同温度环境下复合材料面外拉脱失效机制进行多维度表征，揭示服役温度对两种典型复合材料紧固件面外拉脱失效机制的影响规律。
结果
在服役温度下，两种紧固件力学性能变化存在差异。随着温度升高，凸头紧固件失效强度逐渐降低，但沉头紧固件的失效强度出现上升趋势，且接近玻璃化转变温度时失效强度显著下降。利用Pearson相关系数法对四种典型工况下声发射信号进行特征参数选取，发现峰值频率(Peak Frequency, PF)和峰值幅度(Peak Amplitude, PA)两个特征参数可以对声发射信号进行区分。采用Calinski-Harabasz指数、Davies-Bouldin指数和Gap Statistic法确定不同温度下声发射信号的最佳聚类簇数量，发现在常温环境下，两种紧固件的最佳聚类簇均指向4，而高温环境下，两种紧固件最佳聚类簇指向3。使用k-means++算法对试验过程中声发射信号进行聚类分析，结合光学显微镜所观察到四种损伤模式，确定每一种损伤模式所对应的频率范围。在高温环境中，两种紧固件的声发射信号中几乎未出现纤维/基体界面脱粘信号。为了深入探究温度对于损伤模式影响，利用扫描电子显微镜对紧固件试样进行了详细分析。发现在常温和低温环境下，两种复合材料紧固件均出现脆性破坏特征，基体保持完整的块状结构并紧附于纤维丝上，纤维丝表面较为光滑，纤维/基体界面脱粘现象较为明显。高温环境下，树脂出现软化，纤维被树脂紧紧包裹。两种紧固件的微观失效形貌中未观察到明显的纤维/基体界面脱粘现象，在沉头紧固件分层失效处的扫描图片中，观察到基体破坏呈现“河流”状阶梯形貌。
结论
在探究紧固件和温度环境对面外拉脱失效机制影响过程中，结合声发射信号和宏微观损伤形貌，得到以下
结论
对比了两种紧固件在不同温度下的拉脱性能，发现凸头紧固件的承载能力明显优于沉头紧固件。随着温度升高，凸头紧固件的拉脱强度逐渐减弱，而沉头紧固件的拉脱强度在-90 ℃至120 ℃温度区间内持续增强，接近玻璃化转变温度时，沉头紧固件的拉脱强度会显著下降。通过声发射聚类分析和宏观损伤形貌得到了常温环境下拉脱过程存在纤维断裂、纤维拔出、纤维/基体界面脱粘和基体开裂等四种损伤模式。随着温度升高，纤维/基体界面脱粘损伤模式有所减少。在分析沉头紧固件拉脱失效机制时，发现层间损伤是主要的失效模式。高温环境中基体的软化效应增加了基体延展性，导致微观损伤形貌中出现“河流”阶梯模式。这表明层间裂纹扩展过程中，基体发生了塑性变形，从而延缓了裂纹扩展，使沉头紧固件在升温初期的拉脱强度得以提升。

创新点

本文探究了温度对复合材料紧固件面外拉脱力学性能和失效机制的影响规律。采用了新型拉脱试验装置，在不同温度下对碳纤维增强双马来酰亚胺树脂复合材料进行了拉脱试验。并通过声发射技术(AE)、光学显微镜和扫描电子显微镜(SEM)等手段，多维度解析了拉脱失效机制。结果表明，随着温度升高，凸头紧固件的拉脱强度逐渐降低，而沉头结构的拉脱强度则先升高后降低。高温环境下观察到的基体失效“河流”模式验证了层间裂纹扩展中的基体塑性变形，解释了沉头结构随温度增加而拉脱强度上升的现象。
不同温度下复合材料紧固件拉脱性能(a)拉脱强度(b)失效位移
复合材料沉头紧固件拉脱失效断面的SEM图像(a)20 ℃(b)180 ℃