供稿人：陈衍龙、齐晨云、连芩 供稿单位：西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室 发布日期：2023-03-13
固在复合材料研究的早期，对其变形和失效的描述在很大程度上都是沿用了金属材料的概念，与金属相比，纤维增强复合材料则表现出高度复杂的失效机制，即使是单向复合材料（层状纤维增强层合板的基本组成部分），也会由于不同作用方向的载荷（拉伸、压缩或剪切）造成失效。而现有描述金属的力学性能特征的术语，并不能完全适用于描述纤维增强复合材料力学性能。
Ramesh Talreja等讨论了纤维增强复合材料在机械载荷下的失效形式，为解释纤维增强复合材料力学性能相关的概念和定义提供了背景。
作者提出，单向复合材料有五种基本失效形式（图1），（a）轴向拉伸失效,在低应力下形成单线（单纤维失效），在不断增加的载荷下形成双线、三线，最后由断裂的关键纤维束造成失效；（b）轴向压缩失效，局部错位纤维旋转，将基体剪切在它们之间，使基体剪切模量减小，导致相邻纤维组进一步局部旋转，最终导致纤维断裂；（c）横向拉伸失效，在横向拉伸下，单向复合材料纤维基体脱落以及其聚结形成连续裂纹造成失效；（d）横向压缩失效，平行与纤维但其他方面更倾向与加载方向发生破坏，但由于观测的困难，该失效模式的起始和进展未被阐明；（e）面内剪切失效，在平面剪切下，沿着与纤维倾斜的平面在基体中形成微裂纹，这些裂纹沿纤维方向旋转和扩展，合并一起造成失效。
研究人员通过对比发现，“高架桥”可以减轻树脂在传输过程中所受到的力，对于大面积的部件几乎降低了两个数量级，并且消除了CLIP打印中的常见缺陷。iCLIP打印技术打印速度快，而且打印件的机械性能与CLIP打印机打印出来的零件差别不大。
CLIP打印技术在材料方面受到了很大的限制，填充树脂具有优异的机械性能，但是树脂粘性太大，会使树脂不能被动流过死区，为了量化这种限制，研究人员选用了粘度范围为100cP到7000cP树脂，用CLIP的方法进行打印，研究发现，粘性越大的树脂，临界空化压力越小。一些商用打印机通过减慢打印速度以留出树脂回流的时间，让树脂通过预热桶以降低粘度，但这都无法从根本上解决质量传输限制。而iCLIP技术通过机械的注入粘性树脂来抵消死区压力。单个“高架桥”对于粘度极高的树脂来说是不够的，为了保持在临界空化压力以上，可将管道设计到零件中，通过四个分叉的“高架桥“分配树脂可以改变气蚀。虽然与CLIP技术相比，提高了可打印树脂粘度的上限，但仍然会受到驱动粘性流通过狭窄通道力的限制。
目前同时用多种材料进行打印的方法都很繁琐，限制了打印速度，iCLIP技术通过机械注入不同的树脂，可以创造出多材料的复合结构，研究人员采用CFD仿真和微流体支持的多材料控制方法。为了证明模拟驱动对于复杂设计的可行性，研究者为复杂的建筑模型设计了注射轮廓，优化了“高架桥”和树脂流速。虽然在实现多材料3D打印方面不是唯一的，但与现有的基于液滴和挤出的多材料打印平台相比，多材料iCLIP利用连续的液体界面来实现高体积通量，iCLIP最大限度地减少了额 外的硬件附件，通过以时空控制的方式管理可调流量分布。
当不同取向的单向复合材料结合并固化形成层合板时，上述的五种基本形式发生了变化，主要是层合板分层，由于铺层裂纹向界面的转移，界间层面开裂引起分层导致层合板失效。同时，层合板还会受应力集中造成的孔洞和缺口，以及冲击损伤而失效。
虽然作者讨论了复合材料的多种失效形式，但仍未提出新的术语来正确解释复合材料复杂的失效行为，所以复合材料界需要共同努力，制定适当的术语，来规范复合材料力学行为方面的用语。
图1 单向复合材料（a）轴向拉伸；（b）轴向压缩；（c）横向拉伸；（d）横向压缩；（e）面内剪切的失效形式