用于储氢罐的纤维缠绕碳纤维增强环氧复合材料的多尺度疲劳损伤分析

“Multi-scale fatigue damage analysis in filament - wound carbon fiber reinforced epoxy composites for hydrogen storage tanks”一文聚焦于用于氢储存罐的丝状缠绕碳纤维增强环氧复合材料，通过多尺度实验研究深入探讨其性能及相关影响因素。

图1 圆柱形碳纤维增强环氧树脂复合材料示意图。

图2 碳纤维增强型环氧树脂样品的尺寸

1. 研究背景

（1）能源与环境背景

过去三十年，化石资源消耗和全球变暖对环境产生影响，促使寻求绿色能源。氢因具有可持续发展的潜力，作为清洁能源备受关注，其具有无污染、可再生且可由水制取等优点。

 （2）氢存储的挑战与策略

氢的存储是关键环节，主要有固态、液态和气态三种存储策略。其中，气态存储在质量密度和体积密度方面具有优势，是目前较为成熟的方法。在存储技术发展过程中，压力不断提升，当前研究集中在能承受更高压力（如700巴）的储氢罐。Type IV储氢罐由聚合物内衬保证密封性，金属端配件用于氢气引入和分配，外层通过丝状缠绕复合层确保机械强度并减轻总质量。然而，储氢罐结构复杂，承受热机械应力，其损伤和失效分析以及预测模型的建立具有挑战性。

2. 材料制备与方法

（1）复合材料制备

制备了不同纤维角度取向的碳纤维增强环氧树脂圆柱形样品，包括±15°、±30°和多层组合（±15°/±30°/±45°/±86°）。为进行各项测试，从圆柱形样品切割出尺寸为130mm×20mm×3.3mm的矩形样品。

图3 用于证明特定损伤现象的方法。

 （2）测试方法

微观观察

使用扫描电子显微镜（HITACHI 4800 SEM）对样品微观结构进行观察和图像分析，重点关注纤维取向和横截面的损伤分析。

孔隙率测量

通过热解分析材料孔隙率。将样品在550°C下热解5.5h，确定纤维和环氧树脂的质量百分比，结合碳纤维和环氧树脂的密度计算孔隙率。

热机械性能测试

采用差示扫描量热法（DSC），使用Q1000 V9.0 Build 275仪器，测量主要转变温度、比热容并分析环氧树脂的固化行为。样品在密封铝盘中以10°C/min的速率加热到220°C，再以相同速率冷却到30°C。

准静态拉伸试验

在Instron 5966机器上进行，加载单元为10kN，加载速度为10mm/min，温度为20°C。

 疲劳试验

在MTS 830液压疲劳机上进行张力 - 张力负载控制的疲劳试验，设置不同最大载荷水平（F_max），最小施加力（F_min）为最大施加力的10%，应力比（R_o）为0.1，试验频率为10Hz。每次疲劳试验前进行准静态拉伸加载 - 卸载 - 重新加载阶段，以确保准确测量初始加载阶段刚度的降低。

损伤分析方法

通过准静态加载和卸载试验，量化每个加载水平下的杨氏模量，并在损伤区域进行高分辨率SEM扫描，捕捉微观结构变化和裂纹扩展，直至试样失效，从而建立宏观性能与微观损伤现象之间的定量关系。

 3. 实验结果与讨论

（1）微观结构分析

SEM观察确认了层压复合材料的结构，显示出纤维/基体界面的异质性和状态，同时观察到制造过程产生的孔隙，这些孔隙可能成为裂纹萌生的源头。

（2）孔隙率测量

不同纤维取向的复合管孔隙率存在显著差异，范围从4.7%到7.8%。±15°取向的复合管孔隙率为7.8%，±30°取向为4.7%，多层配置为5.2%，平均孔隙率为5.4%。结果表明纤维取向对孔隙率有重要影响，优化纤维取向可降低孔隙率，提高材料完整性和力学性能。

图4 不同取向的碳纤维增强环氧树脂样品的扫描电镜显微图。

表1不同纤维取向的管孔隙率体积百分比。

表2由DSC得到的环氧基质基体的玻璃化转变温度。

（3）物理化学特性

±15°、±30°和多层取向的碳纤维增强环氧复合材料经DSC测试，在30°C - 220°C温度范围内，均显示出稳定的热响应和玻璃化转变温度（约124°C），表明环氧树脂在复合结构中有效交联，且材料具有热稳定性，分子结构和热性能无显著变化。

图5 准静态拉伸试验的代表性曲线。

（4）准静态拉伸行为

纤维取向对碳纤维增强环氧复合材料的力学性能有显著影响。对每个测试取向分析约五个试样，结果表明：

 - ±15°取向的样品，纤维方向与施加力平行，拉伸强度和模量较高，表明沿纤维方向的载荷传递效率高。

 - ±30°和多层配置的样品延展性较好，表现为断裂伸长率较高。这是由于纤维与加载方向的对齐方式不同，±30°和多层配置的纤维对齐方式导致在失效前具有更好的变形能力，而±15°取向的样品因应力沿纤维分布更优，具有更高的刚度和抗变形能力。通过微观分析还观察到从脆性到韧性断裂模式的转变，±15°取向的试样呈现典型的脆性断裂特征，而±30°取向的试样具有韧性特征。

表3 不同的拉伸力学性能总结。

图6 准静态拉伸试验后样品的断裂表面±15

图7 在10 Hz条件下加载的样品的Wohler¨曲线。

（5）疲劳行为分析

纤维取向的影响

    通过对不同纤维取向（±15°、±30°和多层配置）样品在10Hz频率下进行张力 - 张力疲劳试验得到的Wöhler曲线表明，纤维取向分布对疲劳行为有显著影响。±15°配置的疲劳抗性优于其他配置，±30°和多层配置的疲劳行为相似。

    对于±30°和混合取向的样品，施加约120MPa的应力时，疲劳寿命约为10³次循环；施加约90MPa的应力时，疲劳寿命可延长至约10⁵次循环，即应力降低33%，疲劳寿命可提高100倍。这突出了纤维取向在确定疲劳寿命中的关键作用，优化纤维取向可提高材料的疲劳抗性，且对材料横向性能影响较小。

图8。疲劳试验中相对杨氏模量（E/E0）的演变：(a)气瓶±15◦、(b)气瓶±30◦和(c)1气瓶多层层

图9  疲劳试验中相对杨氏模量（E/E0）的变化。

 宏观损伤演化

不同纤维取向的损伤演化具有不同的动力学。尽管对于给定的纤维取向，宏观损伤模式在不同应力水平下保持一致，但随着应力幅度增加，失效循环次数减少。损伤演化可分为三个阶段：初始线性损伤阶段、缓慢渐进损伤阶段和快速损伤导致失效阶段。在高振幅加载时，相对弹性模量（E/E₀）在线性对数区域快速下降直至失效，主要是由于层间界面的早期损伤，如分层和纤维 - 基体脱粘；在低振幅加载时，模量下降较为缓慢，初期因早期损伤积累快速下降，随后逐渐缓慢下降，最后在灾难性失效前急剧下降，主要受基体 - 纤维相互作用控制，如基体开裂。纤维取向影响损伤积累速度，±15°取向导致早期损伤较多和模量快速下降，而±30°和多层取向的降解速度较慢且具有多种断裂行为。

 微观损伤演化

通过中断疲劳试验结合微观结构观察不同角度取向的样品，在微观结构层面监测损伤进展。在±15°取向样品中，当应力超过300MPa时开始出现损伤积累，初始损伤表现为基体开裂和纤维 - 基体脱粘，随着循环次数增加，损伤恶化导致分层。在±15°、±30°和多层配置的微观结构中，材料初始存在孔隙，这些孔隙随机分布且纤维延伸至其表面，导致疲劳测试时应力分布不均匀。孔隙的存在因基体和多孔区域刚度差异而放大疲劳应力，产生局部应力集中。随着加载增加，损伤机制从多个孔隙位置传播，同时现有微裂纹扩展，在峰值应力水平下，纤维束周围发生剪切导致局部变形，在断裂区域附近产生伪分层现象。

图10 中断疲劳试验结合了±15◦的微观结构观察。

（6）疲劳断裂表面

对疲劳测试后的样品进行断口分析，观察到典型的失效特征，包括纤维断裂、基体开裂、纤维拔出和分层等。这些特征强调了纤维 - 基体粘附和孔隙在复合材料结构完整性中的重要性。

4. 结论

（1）材料性能综合评估

 - DSC测试表明不同取向的材料具有稳定的热响应，玻璃化转变温度约为124°C，证实环氧树脂有效交联且抗物理老化。

 - 准静态拉伸测试显示纤维取向对力学行为有显著影响，±15°配置拉伸强度和模量优，适合载荷传递，±30°和多层配置延展性好。微观分析揭示了随纤维取向变化的从脆性到韧性断裂模式的转变。

 - 疲劳行为分析表明纤维取向对疲劳寿命至关重要，±15°配置疲劳抗性强，±30°和多层配置疲劳性能相似。降低施加载荷可显著延长疲劳寿命，强调了优化纤维取向对实际应用中提高疲劳性能的重要性。

图11 中断的疲劳试验和损伤机制：±15◦配置。

（2）损伤机制与分析

 - 宏观损伤演化有初始线性损伤、缓慢渐进损伤和快速损伤致失效三个阶段，受纤维取向影响，不同取向损伤积累速度不同。微观分析表明损伤从孔隙开始，通过基体开裂和纤维 - 基体脱粘发展，导致分层和失效。多尺度分析揭示微观层面的损伤机制（如裂纹萌生和纤维/基体脱粘）在介观层面合并形成横向裂纹和分层。

图12。中断疲劳试验结合了±30◦的微观结构观察

（3）研究意义与应用前景

理解这些机制对准确预测复合材料的疲劳寿命和性能至关重要，研究强调了需要建立考虑多尺度损伤相互作用的模型以提高复合材料在循环加载下的设计和耐久性。对疲劳测试样品的断口分析突出了纤维 - 基体粘附和孔隙在复合材料结构完整性中的关键作用。研究结果为优化氢储存罐及类似应用的设计和耐久性提供了有价值的见解。