隨著無人機技術的快速發展，輕量化已成為其結構設計的核心需求。玻纖增強復合材料憑借高強度、低密度和優異的耐環境性能，成為無人機機身、旋翼支架等關鍵部件的理想選擇。然而，無人機在服役過程中需應對復雜多變的環境：高空飛行時的氣壓波動、溫度驟變、氣流沖擊，起降時的振動與沖擊載荷等，這些都對材料的可靠性和耐久性提出了嚴苛要求。

圖1 多旋翼無人機

本研究以玻纖增強復合材料為對象，通過實驗研究和數據分析，探索其疲勞性能及其在無人機中的適用性，為新型復合材料的開發和工程應用提供理論基礎和實驗支持。

試驗部分

圖2 國高材分析測試中心疲勞試驗機

拉伸-拉伸疲勞測試在國高材分析測試中心的電液伺服疲勞試驗機上進行，采用載荷控制模式，根據ASTM D3479和ISO 13003標準。應用正弦波形，應力比R=0.05。頻率設置為8Hz，以避免試樣因自發熱而溫度過高。

基于極限拉伸強度的某些確定百分比，選擇了四個應力水平作為最大疲勞應力，一旦試樣斷裂或達到指定的壽命周期數，測試即終止。

結果討論

圖3 準靜態拉伸應力-應變曲線

對四種（0°/90°、±15°、±30°、±45°）樣條作了準靜態拉伸試驗，獲得了應力-應變曲線、拉伸強度、楊氏模量等參數。

圖4 疲勞壽命曲線

在拉伸強度的50%至90%范圍內對其進行了拉伸-拉伸疲勞試驗，測得了疲勞壽命曲線、能量耗散值和蠕變參數。

由圖可知，0°/90°鋪層試樣疲勞強度最高、S-N曲線斜率最低，更適合更高強度和長壽命的工程需求。

材料疲勞壽命的機理分析疲勞過程中裂紋的擴展特征可以分為三個階段：裂紋萌生、穩定擴展和最終斷裂。

在裂紋萌生階段，裂紋通常起源于玻纖與基體界面的結合缺陷區域，這是因為應力集中效應在此區域尤為顯著。在裂紋穩定擴展階段，裂紋沿著玻纖方向擴展，表現出玻纖脫落的特征，同時伴隨著基體材料的局部剪切失效。在最終斷裂階段，裂紋擴展至臨界尺寸，材料發生宏觀斷裂。

本案例中，玻纖增強復合材料的破壞機理主要包括以下幾點：

界面失效：由于界面結合不足，循環載荷作用下界面區域容易發生應力集中，導致玻纖從基體中脫落。

基體裂紋擴展：裂紋在基體材料中沿著玻纖分布方向擴展，表現為脆性斷裂的特征，尤其是在高應力水平下。較高的應力幅值會直接增加裂紋擴展的速率，并縮短裂紋穩定擴展階段的持續時間。

玻纖斷裂：在較高的疲勞載荷下，玻纖本身可能發生斷裂，這一現象對整體疲勞性能的影響較大。

綜合評價方案

除了疲勞試驗外，還需要通過靜態力學實驗和環境試驗，來綜合評判材料的耐久性能。

1）靜態力學性能測試

拉伸試驗：將復合材料安裝在拉伸試驗機上，按照設定的加載速度和加載方式對其施加拉伸載荷，記錄應力 - 應變曲線、最大拉伸強度、斷裂伸長率等參數，評估復合材料在拉伸載荷下的力學性能和破壞模式。

壓縮試驗：同理進行壓縮試驗，觀察復合材料在壓縮載荷下的變形情況、抗壓強度和破壞形式。

彎曲試驗：通過三點彎曲或四點彎曲試驗方法，對復合材料施加彎曲載荷，測量彎曲強度、彎曲模量和撓度等指標，分析復合材料在彎曲工況下的承載能力和變形特性。

2）環境適應性測試

溫度試驗：將復合材料放置在高低溫試驗箱中，分別在不同的溫度條件下（如高溫、低溫、溫度循環等）進行暴露試驗，考察復合材料的尺寸穩定性、力學性能、密封性能等在溫度變化下的變化情況。例如，在高溫環境下，復合材料可能會出現軟化、強度降低等問題；在低溫環境下，可能會變脆、開裂。

濕度試驗：將復合材料放置在濕度試驗箱中，在高濕度或潮濕環境下進行試驗，觀察復合材料的吸濕情況、腐蝕情況以及力學性能的變化。對于可能接觸到雨水、霧氣等潮濕環境的飛行汽車復合材料，濕度試驗尤為重要。

腐蝕試驗：如果飛行汽車在使用過程中可能接觸到腐蝕性介質（如鹽霧、化學氣體等），則需要進行腐蝕試驗。將復合材料暴露在模擬的腐蝕環境中，定期檢查復合材料的表面腐蝕情況、材料性能的變化以及是否出現裂紋等缺陷。

3）微觀分析

采用金相分析、掃描電子顯微鏡（SEM）等技術，對復合材料的微觀結構進行觀察和分析，研究材料的纖維 - 基體界面、纖維斷裂、基體裂紋等微觀損傷的發展情況，進一步揭示復合材料的耐久性和損傷機制。

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