一、复合材料失效分析简介
复合材料以其轻质高强的特性，在航空航天、汽车、新能源等领域广泛应用。然而，由不同组分（纤维与基体）组成的复合材料，其失效行为复杂且多样。微小制造缺陷、冲击损伤或严苛服役环境都可能导致独特失效模式。复合材料失效分析旨在深入理解这些失效机理，准确诊断问题根源，确保结构安全与材料性能发挥。
二、核心价值与意义
- 保障结构安全与可靠性：准确识别失效原因，预防灾难性事故。
- 优化结构设计与材料选择：改进铺层设计、选择更适合的纤维/基体体系。
- 改进制造工艺：识别并消除固化、铺放、机加工等环节缺陷。
- 验证损伤容限与寿命预测：评估材料承载能力及预测使用寿命。
- 指导维修方案：准确评估损伤类型，为修理工艺提供依据。
- 解决质量问题与争议：提供客观技术证据支持改进或责任判定。
三、服务对象与应用场景
- 复合材料制造商：原材料质量控制、预浸料及成型工艺优化、缺陷分析、新材料性能验证。
- 复合材料部件加工厂：来料检验、机加工/装配损伤分析、模压或固化问题诊断、部件级测试失效分析。
- 终端用户行业：航空航天、汽车、风电、体育器材、船舶等；服役期间损伤分析、冲击损伤评估、损伤容限分析、修理效果验证、环境因素评估。
四、典型分析对象
- 纤维增强聚合物基复合材料 (FRP)：碳纤维 (CFRP)、玻璃纤维 (GFRP)、芳纶纤维 (AFRP)、玄武岩纤维等。
- 基体类型：热固性树脂 (环氧、聚酯、乙烯基酯等)、热塑性树脂 (PEEK、PEI、PPS 等)。
- 结构形式：层压板、夹层结构（蜂窝、泡沫）、编织/缠绕/拉挤结构。
- 其他复合材料：金属基复合材料 (MMC)、陶瓷基复合材料 (CMC)。
五、常见失效模式
- 层内失效：纤维断裂、纤维屈曲/扭折、基体开裂/劈裂、纤维/基体界面脱粘。
- 层间失效：分层（Delamination I/II/III型及混合模式）、边缘分层。
- 整体或结构失效：冲击损伤（BVID）、结构屈曲/失稳、疲劳失效、环境劣化（湿热、紫外）、制造缺陷引发失效（空隙、纤维褶皱、排布不均、异物夹杂）。
六、核心分析技术
- 无损检测：目视检查、超声探伤 (UT/C-Scan)、射线/工业CT、红外热成像、声发射监测、剪切散斑干涉测量。
- 微观形貌与结构观察：光学显微镜 (OM)、扫描电子显微镜 (SEM) 断口分析。
- 制样技术：截面制备、基体溶解/高温烧蚀。
- 化学与热分析：FTIR、DSC、TGA、DMA。
- 力学性能测试：拉伸、压缩、弯曲、层间剪切强度 (ILSS)、冲击、疲劳、断裂韧性 (GIC/GIIC)。
七、基本分析流程
- 信息收集与样品接收：记录材料体系、结构设计、制造工艺、服役条件及失效过程。
- 宏观检查与无损检测：外观检查、拍照，优先采用超声、X射线等初步评估内部损伤。
- 分析方案制定与取样：基于无损结果，制定破坏性分析计划，选择代表性区域取样。
- 破坏性分析与测试：截面制备、显微观察、SEM断口分析、热分析、力学性能测试等。
- 数据综合分析与讨论：整合信息，分析损伤模式、起源与扩展路径，推断失效机理。
- 报告编写与建议：提供分析过程、结果、结论及改进建议（设计、材料、工艺、维护）。
