碳纤维增强聚合物复合材料（CFRP）层合板具有优异的比强度和比刚度等优点，被广泛应用于航空航天等领域。高加载速率下的动态压缩断裂韧性是复合材料结构冲击失效设计的重要依据，但是其具体表征仍然具有很大的挑战性。近日，西北工业大学的李玉龙教授课题组，在《Composites Part A》上发表了题为“Fracture toughness for longitudinal compression failure of laminated composites at high loading rate”的文章，报道了一种结合超高速摄影（100纳秒曝光）和电磁霍普金森杆的动态压缩断裂韧性的测试方法。该文主要介绍了利用交错对称铺层的紧凑压缩试样进行动态压缩断裂韧性测试，结合超高速摄影和数字图像相关技术（DIC）进行动态J积分计算，并与准静态的测试结果比较分析。李玉龙教授和崔浩教授为本文的共同通讯作者，博士研究生何睿为本文的第一作者。
该文首先对动态下的测试系统进行了简要的介绍，为了降低动态测试时试样的转动和惯性效应，使用了实验室自研的单轴双向电磁霍普金森杆测试设备。使用超高速相机Kirana以1百万的帧率获取动态测试时的试样变形破坏过程中的连续180张图像，得到了动态压缩过程中试样表面连续的位移/应变场，便于之后的J积分计算。
图1 （a）动态紧凑压缩测试的电磁霍普金森杆测试系统概图；（b）主线圈和次级线圈；（c）高速相机和闪光灯；（d）限位装置。
接着，文中对动态J积分的数据处理方法进行了介绍，特别是J积分的积分区域的选择对结果的影响，只有合适半径的积分路径才能得到可靠的结果。积分路径偏大或者偏小会造成J积分值的不正常增大。
图2（a）不同的J积分区域；（b）不同区域的J积分结果
图3是准静态加载下两种典型载荷位移曲线以及对应的DIC应变结果。其中3号图片代表裂纹起始的y应变状态。可以观察到载荷-位移曲线的轻微的非线性状态，这是由于树脂基体的非线性变形引起的。在起裂之前，在试样的缺口处有明显的应变集中，在加载方向上，应变沿着纤维逐渐减少，在试样的其他区域，应变非常均匀。当起裂时，在裂纹尖端出现了较大的应变集中。在随后的裂纹扩展阶段，在断裂进程区出现了明显的应变变化，发生了分层（分层引起了试样的离面位移，因此图中蓝色区域的应变较大）。
裂纹发生后的承载能力在不同的试样之间会有明显的差异。与CC0-3试样在裂纹开始后不久载荷就下降相比，CC0-4试样在一定的裂纹扩展长度内仍能承受较大的压缩载荷，这可能与裂纹开始的角度和延伸过程中分层区的大小有关。图3(b)和(d)还表明，在裂纹萌生150s后，两个试样的分层区域也不同，CC0-3试样的分层面积约为CC0-4试样的两倍，而此刻CC0-3试样的载荷还不到CC0-4试样的一半。
图3 两种典型的载荷位移结果以及对应的不同状态的y应变：（a）和（b）是CC0-3试样的结果；（c）和（d）是试样CC0-4的结果
图4是利用一维应力波理论得到的两个销钉的位移和载荷曲线，可以看出基本上是对称的，这对于本实验中的大尺寸的紧凑压缩试样是有利的，因为可以将试样的惯性效应和动能降到最低。图4(b)显示了动态试验中纵向应变场的演变。这里的图像是以10us的间隔选择的，裂纹起始对应于1号图片，裂纹开始的时间是在相机捕捉拍摄开始后125us。可以发现沿纤维在加载方向有明显的应变集中，而且随着裂纹的扩展，分层导致的高应变区域也出现了（图4的蓝色区域）。可以发现，尽管是对称加载，6号图像中的损坏区域并不是沿试样中心对称分布的。这是因为随着扭结带的扩展，裂纹面的纤维相互侵入，导致一边的分层明显比另一边快。
图4（a）HRCC0-1试样的两个加载点的载荷及试样的开口位移；（b）动态加载下扭结带扩展的DIC结果。
为了准确的表征动态断裂韧性，图5(a)显示计算了断裂时动能和应变能的变化。可以看出，动能在裂纹发生前基本为零，当裂纹开始增长时，应变能迅速增加，动能也随之增加，达到了应变能的5%左右。因此，在研究的加载速率下，动能对测量的断裂韧性的影响仍然是温和的，随着加载速率的增加，动能的影响可能更加明显。图5(b)显示了对称动态加载的R曲线的结果。这里可以注意到，除了HRCC0-1试样，CC试样在动态加载下的J-积分值在裂纹延伸5mm左右时保持稳定状态，然后随着扭结带的扩展继续增加。这是由于动载下的高加载速率，导致表面裂纹在扭结带开始开裂后很快发展，但扭结带的形成也会在扭结带的延伸过程中引起大的分层。
图5（a）所有动态试样的应变能（实线）和动能（虚线）的结果的比较；（b）动态载荷下的R曲线。
在裂纹扩展阶段，断裂韧性有明显的变化。图6总结了在准静态和动态实验中测试样品的截面'A'和'B'的代表性微观破坏形态。可以看出，纤维断裂、纤维扭结和扭结带扩展过程中的分层等损伤是导致层状复合材料在压缩状态下断裂的主要原因。在CC-03样品的中心形成了一个大的分层区域，这可能是造成承载能力迅速下降和裂纹相对不稳定增长的原因，因为断裂面的接触往往是不稳定的，断裂的层压板可能会相互渗透。在CC0-4的情况下，分层面积非常有限，扭结带的接触面仍然可以有效地促进载荷的传递，因此有助于减缓裂纹的增长，保持承载能力。在动态测试中也注意到了类似的机制，由于分层大小的不同，与HRCC0-2样品相比，HRCC0-1样品在扭结带生长阶段表现出明显的低断裂韧性。
图6 典型的准静态和动态试样沿加载方向切开的试样的微观形貌。
本文介绍了一种在准静态和动态载荷下使用交错对称铺层的层合板制成的紧凑压缩试样测量R曲线的试验方法，并基于DIC技术测量试样表面的应变和位移场，并采用动态J-积分法来获得扭结带扩展过程中的断裂韧性。根据分层区域的大小，扭结带的传播行为在不同的试样之间可能是不同的。当引入较大的分层时，断裂韧性的值会明显降低。
在动态和准静态测试中，裂纹起始时的断裂韧性值大约为120-130N/mm。随着扭结带的扩大，动态载荷的J-积分值略低于准静态试验的值。本文提出的方法大大缓解了在动态测试系统中获得的载荷信号的振荡所带来的挑战，并为动态压缩断裂提供了更准确的R曲线。
原始文献：He R, Gao Y, Cheng L, et al. Fracture toughness for longitudinal compression failure of laminated composites at high loading rate[J]. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 2022;156.