纖維鋁合金層板是在20世紀70年代末由荷蘭Delft大學率先研究的。早期的研究主要集中在芳綸纖維鋁合金層板上，但芳綸纖維與材料體系的匹配存在一定問題睥1，使得層板的層間強度低、殘余應力大，需對纖維進行表面處理和層板預應變拉伸等措施。制造成本和周期隨之增加。為解決芳綸纖維鋁合金層板存在的問題，90年代初出現了新一代纖維金屬層板，玻璃纖維鋁合金層板。由于玻璃纖維表面活性高、強度高且與體系匹配性好。因此避免了纖維處理和預應變拉伸工藝，同時玻璃纖維鋁合金層板還具有非常高的靜態和疲勞性能。

       由于玻璃纖維鋁合金層板優異的性能，目前在國外飛機市場上已經得到了廣泛的應用。而國內對玻璃纖維鋁合金層板的研究尚處于初級階段。為此。本工作以玻璃纖維鋁合金層板為研究對象，對玻璃纖維鋁合金層板的拉伸和疲勞性能進行了較為系統的實驗研究。利用和修正了金屬體積分數f MetalVolume Fraction, MVF)方程，對得到的拉伸結果進行驗證。根據疲勞實驗結果和疲勞試樣形貌，得出了玻璃纖維鋁合金層板的裂紋擴展速率方程和裂紋擴展機理，為玻璃纖維．鋁合金層板的設計和應用奠定實驗基礎。

1實驗

1.1原材料

         制備玻璃纖維鋁合金層板的原材料見表1。
        

1.2玻璃纖維鋁合金層板制備工藝及類別

       玻璃纖維鋁合金層板制備工藝如圖1所示。本實驗制備了兩種不同鋪層方式的3/2結構（三層鋁合金兩層復合材料交替鋪層1玻璃纖維鋁合金層板，即單向玻璃纖維鋁合金層板f預浸料中纖維的鋪層方向為0/0)和正交玻璃纖維鋁合金層板(預浸料中纖維    的鋪層方向為0/90)。
              
1.3  實驗過程

      (1)拉伸性能實驗

       實驗方法：CB3354 -  82:實驗設備：MTS8 80-50KN型實驗機：實驗條件：拉伸速度2mm/min.

      (2)疲勞性能實驗 

       實驗方法：G B/T 6398 -   2000;實驗設備：MT S810-250KN型實驗機；實驗條件：最大循環應力為150M Pa循環應力比R為0 1，所有疲勞試樣的實驗頻率為10Hz。   

2實驗結果與討論

2.1拉伸性能

       由于玻璃纖維鋁合金層板的拉伸性能對于其應用具有重要作用，一些研究著力于利用模型對纖維金屬層板的拉伸性能進行預測。從而為玻璃纖維鋁合金層板的設計和應用提供方便條件，其中M．S．pma提出的金屬體積分數(M etal V olume  Frae-tion，MVF)理論應用最為廣泛。M．S．Pma定義MVF值為：
         

        本實驗中兩種玻璃纖維鋁合金層板的縱向拉伸性能結果如表2所示。
       

       由表2中結果可知。單向玻璃纖維鋁合金層板的拉伸強度、拉伸模量和拉伸屈服強度均高于正交玻璃纖維鋁合金層板，說明玻璃纖維對于層板的拉伸強度、拉伸模量和拉伸屈服強度有較大貢獻。因為正交玻璃纖維鋁合金層板中縱向拉伸方向上的玻璃纖維體積含量僅為單向玻璃纖維鋁合金層板拉伸方向上玻璃纖維體積含量的一半，在拉伸過程中纖維對拉伸性能影響較大。所以與單向玻璃纖維鋁合金層板相比正交玻璃纖維鋁合金層板的拉伸強度、拉伸模量和拉伸屈服強度較小。

       分析M．S．Pma提出的層板拉伸性能預測公式可知。它僅適用于單向鋪層的纖維金屬層板。針對正交鋪層的層板特點，需對M.S．Pma提出層板拉伸性能預測公式進行如下修正：
           玻璃纖維鋁合金層板的拉伸和疲勞性能研究   
      本實驗中單層鋁合金板的厚度為0. 287mm。總層數3層，層板總厚度為1. 36lmm。鋁合金和纖維增強復合材料性能見表3
            
       根據公式(5)一(7)，可得單向玻璃纖維鋁合金層板和正交玻璃纖維鋁合金層板的拉伸屈服強度、拉伸強度及拉伸模量的理論計算值，將其與實驗值進行比較。得表4。

       由表4可見，兩種玻璃纖維鋁合金層板的拉伸性能實驗值與金屬體積分數理論計算值吻合較好。說明本實驗中玻璃纖維鋁合金層板的拉伸性能實驗結果可靠。玻璃纖維鋁合金層板的拉伸力學性能與各組成材料的拉伸性能和所占體積分數有關。可以通過金屬體積分數理論對玻璃纖維鋁合金層板的拉伸性能進行理論預測。但需要根據玻璃纖維鋁合金層板的結構特點對金屬體積分數理論進行適當修正。
              

2.2疲勞性能

        材料的疲勞性能通常由其裂紋擴展速率來表征。在材料力學中，裂紋擴展速率有多種表達形式。如Paris公式、Form an公式、Donalure公式和陳篪公式等。其中，Paris公式常被應用于玻璃纖維鋁合金層板裂紋擴展速率的計算。
                    
       從圖2可知，在裂紋擴展的初期兩種層板在相同的應力強度因子幅夫△K下。裂紋擴展速率相差不大：隨著應力強度因子幅△K的增大，單向玻璃纖維鋁合金層板的裂紋擴展速率基本保持恒定，而正交玻璃纖維鋁合金層板的裂紋擴展速率則呈增大趨勢。但兩種層板的裂紋擴展速率均低于2024 T3鋁合金板。單向玻璃纖維鋁合金層板的裂紋擴展速率比正交玻璃纖維鋁合金層板還低。

      將兩種層板的da/ dN- △K曲線按Paris公式進行擬合，可得到和n的值。進一步可得到兩種層板的裂紋擴展速率方程：
                    
       對疲勞實驗后的試樣進行C掃描f見圖31。可以看到：兩種層板在疲勞過程中均出現了分層現象。分層區域的形狀都接近橢圓形，并且分層是沿切口基本對稱擴展的。

      根據上述疲勞實驗結果，兩種層板中的玻璃纖維能起到很好的“橋接”作用，使得兩種層板的疲勞裂紋擴展速率遠低于相應鋁合金板的疲勞裂紋擴展速率。在應力從鋁合金層經樹脂層傳遞至纖維層的過程中，會在樹脂層產生周期性的剪切應力。它與纖維層的“橋接’應力有直接關系。這種周期性的剪切應力的產生會誘發鋁合金層和纖維層之間分層擴展。裂紋擴展和分層擴展是玻璃纖維鋁合金層板疲勞過程中的兩種損傷模式，二者均與纖維盼‘橋接”應力相關。并相互牽制。隨著裂紋的擴展，鋁合金層不斷將應力傳遞至纖維層，纖維的“橋接”應力在不斷地增加；而分層擴展則是疲勞過程中防止纖維層斷裂的必然趨勢。也就是說。分層擴展在一定程度上緩解了纖維層的斷裂趨勢。從而降低纖維層的應力，二者的相互平衡促成了纖維金屬層板的裂紋相對穩定擴展。

       此外，纖維的“橋接”效率與纖維的楊氏模量、纖維層中加載方向纖維體積含量、膠粘劑的剪切模量及層板的層間性能等密切相關，正交玻璃纖維鋁合金層板由于其纖維層中加載方向上的纖維體積含量僅為單向玻璃纖維鋁合金層板的50%，因此其纖維層的“橋接’作用相對于單向玻璃纖維鋁合金層板來說較低。表現為正交玻璃纖維鋁合金層板的裂紋擴展速率有小幅度增長的趨勢，而單向玻璃纖維鋁合金層板的裂紋擴展速率則近似恒定。
                 
3結論

       (1)玻璃纖維鋁合金層板具有優異的拉伸性能，其拉伸強度與層板中纖維的鋪層方向有較大關系。拉伸方向上纖維體積含量較多時，層板的拉伸強度、拉伸模量和拉伸屈服強度較高。

       (2)單向玻璃纖維鋁合金層板的拉伸性能可通過金屬體積分數理論進行預測，正交玻璃纖維鋁合金層板由于其鋪層方式不同于單向玻璃纖維鋁合金層板，需對金屬體積分數理論進行適當修正。

      (3)由于玻璃纖維的“橋接”作用抑制了裂紋擴展。玻璃纖維鋁合金層板具有優異的疲勞性能。玻璃纖維鋁合金層板的疲勞損傷主要有裂紋擴展和分層擴展兩種模式，兩者相互牽制促成玻璃纖維鋁合金層板裂紋擴展速率的相對穩定。