复合材料以其轻质高强的优异特性，在航空航天、汽车、新能源等领域扮演着日益重要的角色。然而，这些由不同组分（如纤维与基体）巧妙结合而成的材料，其失效行为也远比传统金属材料复杂。微小的制造缺陷、意外的冲击损伤或严苛的服役环境都可能诱发独特的失效模式。深入理解这些复合材料失效的内在机制，准确诊断问题根源，是确保结构安全、发挥材料潜能、推动技术进步的基础。
一、失效分析简介
复合材料失效分析是一项针对由两种或多种物理化学性质不同的材料（通常是增强相和基体相）组合而成的材料体系的系统性失效研究。它重点关注增强体（如碳纤维、玻璃纤维）、基体（如环氧树脂、聚酯）以及它们之间界面的相互作用，通过综合运用多种检测与分析技术，确定导致材料性能下降、结构损伤（如分层、断裂、基体开裂）或功能丧失的根本原因。
二、核心价值与意义
对复合材料进行失效分析具有重要的工程价值和战略意义：
- 保障结构安全与可靠性： 特别是在航空航天等安全攸关领域，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： 基于失效模式分析，改进铺层设计、选择更合适的纤维/基体体系。
- 改进制造工艺： 识别并消除固化、铺放、机加工等环节引入的缺陷。
- 验证损伤容限与寿命预测： 为评估材料在含缺陷情况下的承载能力和预测使用寿命提供依据。
- 指导维修方案： 准确评估损伤程度和类型，为制定有效的修理工艺提供支持。
- 解决质量问题与争议： 提供客观技术证据，用于内部质量改进或外部责任判定。
三、服务对象与应用场景
复合材料失效分析广泛服务于整个产业链：
- 1. 复合材料制造商: 原材料（纤维、树脂）质量控制、优化预浸料或成型工艺（如铺层、固化、注塑）、分析制造过程中出现的缺陷（如空隙、褶皱）、进行新材料体系的性能验证。
- 2. 复合材料部件加工厂: 来料检验（预浸料、芯材等）、分析机加工或装配引入的损伤、诊断模压或固化过程中的问题、进行部件级测试后的失效分析。
- 3. 终端用户行业 (航空航天、汽车、风电、体育器材、船舶等): 进行服役期间出现的损伤或失效分析、评估冲击损伤（特别是隐蔽损伤）的严重性、支持损伤容限设计与分析、验证修理效果、评估环境因素（湿热、紫外）对材料性能的影响。
四、典型分析对象
失效分析的对象覆盖多种复合材料类型：
- 纤维增强聚合物基复合材料 (FRP):
- 碳纤维增强复合材料 (CFRP)
- 玻璃纤维增强复合材料 (GFRP)
- 芳纶纤维增强复合材料 (AFRP)
- 玄武岩纤维等其他纤维增强复合材料
- 基体类型:
- 热固性树脂基体 (环氧树脂、聚酯、乙烯基酯、酚醛、聚酰亚胺等)
- 热塑性树脂基体 (聚醚醚酮 PEEK、聚醚酰亚胺 PEI、聚苯硫醚 PPS 等)
- 结构形式:
- 层压板结构
- 夹层结构 (蜂窝、泡沫芯材)
- 编织、缠绕、拉挤等结构
- 其他复合材料: 金属基复合材料 (MMC)、陶瓷基复合材料 (CMC) （根据实验室能力范围可能涉及）
五、常见失效模式
复合材料的失效模式与其多相、各向异性结构密切相关：
- 层内失效 (Intralaminar Failure):
- 纤维断裂 (Fiber Fracture): 拉伸或压缩载荷下纤维直接断开。
- 纤维屈曲/扭折 (Fiber Kinking/Buckling): 压缩载荷下纤维失稳。
- 基体开裂/劈裂 (Matrix Cracking/Splitting): 基体在拉伸或剪切应力下开裂。
- 纤维/基体界面脱粘 (Interface Debonding): 纤维与基体之间的结合失效。
- 层间失效 (Interlaminar Failure):
- 分层 (Delamination): 相邻铺层之间发生分离，是复合材料最常见的失效模式之一，按载荷形式分为I型（张开型）、II型（滑开型）、III型（撕开型）和混合模式。
- 边缘分层 (Edge Delamination): 层合板自由边缘处应力集中引起的分层。
- 整体或结构失效:
- 冲击损伤 (Impact Damage): 低速冲击可能造成内部不易察觉的损伤（BVID – Barely Visible Impact Damage），包括基体开裂、分层和纤维断裂。
- 结构失稳/屈曲 (Buckling): 结构在压缩或剪切载荷下失去稳定性。
- 疲劳失效 (Fatigue Failure): 在循环载荷作用下损伤累积导致的最终破坏。
- 环境劣化 (Environmental Degradation): 湿气吸收、紫外线照射、高温等导致基体性能下降或界面弱化。
- 制造缺陷诱发的失效: 空隙（Voids）、孔隙（Porosity）、富树脂/贫树脂区（Resin-rich/poor areas）、纤维褶皱（Wrinkles）、纤维排布不均（Misalignment）、异物夹杂（Foreign Object Inclusion）等。
六、核心分析技术
复合材料失效分析需结合无损检测和破坏性分析技术：
- 无损检测技术:
- 外部目视检查 (Visual Inspection)
- 超声波探伤 (UT / C-Scan) – 检测分层、空隙、冲击损伤等内部缺陷的主力技术
- 射线探伤 / 工业CT (RT / CT) – 观察内部结构、缺陷形态和纤维排布
- 红外热成像 (IRT) – 检测近表面缺陷、评估损伤或固化均匀性
- 声发射监测 (AE) – 在加载过程中实时监测损伤的产生与扩展
- 剪切散斑干涉测量 (Shearography) – 检测分层、脱粘等面外变形缺陷
- 微观形貌与结构观察技术:
- 光学显微镜检查 (OM) – 观察截面、表面形貌、裂纹路径
- 扫描电子显微镜分析 (SEM) – 断口分析（识别纤维拔出、基体韧/脆断、界面状态）、微观损伤形貌观察
- 制样技术:
- 精密截面制备 (Cross-section / X-section) – 观察内部损伤细节、铺层结构、缺陷形态的关键手段
- 基体溶解 / 高温烧蚀 (Matrix Digestion / Burn-off) – 用于检查纤维体积分数、纤维排布方向、铺层顺序
- 化学与热分析技术:
- 傅里叶变换红外光谱分析 (FTIR) – 鉴定基体树脂类型、分析老化或降解程度
- 差示扫描量热法 (DSC) – 测定玻璃化转变温度 (Tg)、固化度、熔融/结晶行为
- 热重分析 (TGA) – 测定纤维/树脂含量、评估热稳定性
- 动态热机械分析 (DMA) – 测定粘弹性（储能/损耗模量）、玻璃化转变温度 (Tg)
- 力学性能测试:
- 拉伸试验 (Tensile Test)
- 压缩试验 (Compression Test)
- 弯曲试验 (Flexural Test)
- 层间剪切强度测试 (ILSS – Interlaminar Shear Strength)
- 冲击试验 (Impact Test) – 包括落锤冲击
- 疲劳试验 (Fatigue Test)
- 断裂韧性测试 (Fracture Toughness, GIC / GIIC) – 评估抗分层扩展能力
七、基本分析流程
一个典型的复合材料失效分析流程：
- 信息收集与样品接收： 了解材料体系、结构设计、制造工艺、服役条件、失效过程等信息，妥善接收并记录样品状态。
- 宏观检查与无损检测： 进行外观检查、拍照，优先采用超声、X射线等无损方法初步评估内部损伤情况。
- 分析方案制定与取样： 基于无损结果，制定详细的破坏性分析计划，谨慎选择损伤区域或代表性区域进行取样。
- 破坏性分析与测试： 实施截面制备与显微观察、SEM断口分析、热分析、力学性能测试等。
- 数据综合分析与讨论： 整合所有信息，结合复合材料力学和材料科学知识，分析损伤模式、起源、扩展路径，推断失效机理。
- 报告编写与建议： 出具包含分析过程、结果、结论和改进建议（如设计、材料、工艺、使用维护）的专业报告。
