复合材料层合板因比强度高、可设计性强，广泛应用于航空航天、轨道交通等领域，其拉伸强度是评价结构安全性的关键指标。拉伸测试中，加载方式直接影响应力分布与失效行为，而失效模式则反映材料内部缺陷与受力的关联。本文结合测试标准与实践，系统分析复合材料层合板拉伸强度测试的典型加载方式及对应失效模式，为测试方案设计与结果解读提供参考。
单向拉伸加载：沿纤维主方向的基础测试
单向拉伸加载是复合材料层合板拉伸测试的基础类型，指加载方向与纤维主方向（0°）或垂直方向（90°）一致。测试通常采用万能材料试验机，配合楔形夹具或胶接夹具固定试样，确保载荷沿试样轴线传递。根据GB/T 1447-2005或ASTM D3039标准，单向拉伸试样为矩形，典型尺寸为长度250mm、宽度25mm、厚度2-4mm，夹具间距需控制在115mm，以保证试样中间100mm区域为均匀拉伸区。
单向加载的核心是控制应力分布均匀性。若夹具设计不当，易在试样两端产生应力集中，导致试样在夹具处提前断裂。因此，楔形夹具需通过摩擦力均匀传递载荷，胶接夹具则需保证试样与夹具间无相对滑动。测试中，试样对齐精度要求高，轴线偏移需小于1%，否则会引入附加弯曲应力，影响结果准确性。
单向拉伸下，纤维主方向（0°）试样的应力由纤维主导承担，垂直方向（90°）则由基体与界面承担。例如，碳纤维/环氧树脂层合板0°试样拉伸时，载荷主要由碳纤维传递，应力-应变曲线呈线性直至断裂；90°试样则因基体强度低，应变增大至一定程度后出现基体开裂，拉伸强度显著低于0°试样。
偏轴拉伸加载：非主方向的应力状态模拟
偏轴拉伸加载指加载方向与纤维主方向成一定角度（如15°、30°、45°等），用于模拟结构在非主方向受力的场景。此时，试样内部同时存在正应力（σ）与剪应力（τ），应力分量满足σ=P/(b*t)、τ=σ*tanθ（θ为偏轴角度）。例如，45°偏轴试样中，剪应力占比约50%，更易引发基体或界面失效。
偏轴加载的关键是保证铺层角度的准确性。试样制备时，需采用预浸料铺层或手工铺叠，并用角度尺校准，误差需控制在±0.5°内，否则会导致应力分量计算偏差。夹具设计需考虑剪应力的传递，通常采用带齿夹具或粘结夹具，避免试样在加载过程中发生滑移。
偏轴角度对失效行为影响显著：当θ<30°时，纤维仍承担主要载荷，失效以纤维断裂为主；当θ>60°时，剪应力或横向正应力主导，失效转为基体开裂或界面脱粘；45°左右时，剪应力达到最大值，易出现斜向基体开裂。例如，玻璃纤维/聚酯层合板30°偏轴试样拉伸时，裂纹沿45°方向扩展，断口可见基体撕裂痕迹；60°试样则在界面处发生脱粘，纤维从基体中拔出。
多轴拉伸加载：复杂工况的真实复现
多轴拉伸加载用于模拟结构在双向或多向应力下的受力状态，如航空蒙皮、汽车覆盖件等。常见类型为双向拉伸，通过双轴试验机同时向试样两个垂直方向施加载荷，形成平面应力状态。试样通常采用十字形，中心区边长50-100mm，臂长150-200mm，厚度2-5mm，以保证中心区应力均匀，臂部通过夹具传递载荷。
多轴加载的挑战在于控制两个方向的载荷同步性。若载荷速率不一致，会导致试样内部出现附加剪应力，影响失效模式。例如，双向拉伸时，若x方向载荷速率快于y方向，中心区会出现剪切变形，提前引发层间剥离。因此，试验机需配备双闭环控制系统，保证两方向载荷误差小于2%。
多轴应力状态会改变材料的失效阈值。例如，碳纤维层合板单向拉伸强度为1800MPa，而双向拉伸（x:y=1:1）时，强度降至1500MPa，因双向正应力会加速基体开裂。十字形试样中心区的失效模式常为“基体开裂+层间剥离”组合：基体先沿45°方向开裂，裂纹扩展至层间后引发剥离，最终导致试样中心区破碎。
环境辅助加载：温度与湿度的耦合影响
环境辅助加载指在温度或湿度耦合条件下进行拉伸测试，模拟材料在实际服役环境中的受力状态。常见环境包括高温（-50℃至150℃）、湿热（85℃/85%RH）等，测试需使用带环境箱的万能试验机，保证环境参数稳定。
温度对加载的影响主要体现在基体性能变化。例如，环氧树脂基体的玻璃化转变温度（Tg）约为120℃，当温度超过Tg时，基体从玻璃态转为高弹态，模量下降50%以上，加载时应力传递效率降低。此时，0°碳纤维层合板的拉伸强度从1800MPa降至1200MPa，失效模式从纤维断裂转为基体塑化失效，断口可见基体流动痕迹。
湿度的影响则通过水分扩散实现。湿热环境下，水分会渗透至纤维-基体界面，降低界面粘结强度。例如，玻璃纤维/环氧树脂层合板经85℃/85%RH老化1000h后，界面粘结强度下降30%，拉伸测试时易出现界面脱粘，纤维从基体中拔出，拉伸强度从500MPa降至350MPa。测试前，试样需按标准进行环境预处理，确保内部水分达到平衡。
纤维断裂：高应力下的主导失效形式
纤维断裂是复合材料层合板在纤维主方向（0°）拉伸时的主导失效模式，因加载应力超过纤维的抗拉强度引发。纤维作为承载主体，其强度直接决定层合板的拉伸强度，例如碳纤维的抗拉强度约3500MPa，玻璃纤维约1500MPa，芳纶纤维约2800MPa。
纤维断裂的宏观特征为试样沿纤维方向劈裂，断口平整且与加载方向垂直。微观上，碳纤维断裂面呈平齐的脆性断口，无明显塑性变形；玻璃纤维断裂面有贝壳纹，为裂纹扩展的痕迹；芳纶纤维断裂面则有原纤化现象，因纤维为液晶聚合物结构。
纤维断裂的影响因素包括纤维体积分数与加载速率。纤维体积分数越高，层合板拉伸强度越高：当体积分数从30%增至60%时，碳纤维层合板拉伸强度从1000MPa升至1800MPa。加载速率加快会导致纤维断裂更突然，例如，加载速率从1mm/min增至10mm/min时，玻璃纤维层合板拉伸强度提高10%，因基体变形来不及传递，纤维更早承担全部载荷。
基体开裂：剪应力或横向正应力引发的损伤
基体开裂是复合材料层合板在非主方向（如90°、45°）拉伸时的常见失效模式，由横向正应力或剪应力超过基体抗拉/抗剪强度引发。基体作为纤维的支撑体，其韧性决定了裂纹扩展的难易程度，例如环氧树脂基体韧性低，易发生脆性开裂；聚氨酯基体韧性高，裂纹扩展缓慢。
基体开裂的宏观特征因加载方向而异：90°试样（垂直纤维）拉伸时，裂纹沿纤维方向（0°）平行扩展，形成横向裂纹；45°偏轴试样拉伸时，裂纹沿45°斜向扩展，形成剪切裂纹。微观上，环氧树脂基体开裂面有清晰的“河流纹”，为脆性断裂的典型特征；聚氨酯基体开裂面则有韧窝，说明塑性变形。
基体开裂的影响因素包括铺层角度与环境湿度。铺层角度越大，剪应力占比越高，越易引发基体开裂：例如，30°偏轴试样的基体开裂应力比0°试样低40%。湿度会降低基体强度，例如，环氧树脂基体在85%RH环境下，抗拉强度从80MPa降至50MPa，导致基体开裂提前发生。
层间剥离：层间应力导致的界面分离
层间剥离是复合材料层合板在多轴或偏轴加载时的典型失效模式，由层间剪应力或法向应力超过层间粘结强度引发。层间应力主要源于铺层方向差异，例如，0°/90°交替铺层的层合板，层间存在剪应力集中，易引发剥离。
层间剥离的宏观特征为试样分层，层间出现空隙或剥离面，严重时试样会沿层间裂开。微观上，剥离面的形态可反映失效位置：若剥离面有大量基体残留，说明失效发生在基体内部（内聚失效）；若剥离面干净，仅见纤维表面，则说明失效发生在纤维-基体界面（粘结失效）。
层间剥离的影响因素包括铺层顺序与粘结剂性能。例如，0°/45°/90°铺层的层合板，层间应力比0°/90°铺层低20%，因角度过渡更平缓。粘结剂的韧性也很重要：乙烯基酯粘结剂的抗剪强度比环氧树脂高15%，可有效抑制层间剥离。测试中，十字形双向拉伸试样易出现层间剥离，因中心区层间应力集中。
界面脱粘：纤维与基体的粘结失效
界面脱粘指纤维与基体之间的粘结被破坏，导致纤维无法传递载荷，是复合材料层合板拉伸失效的重要形式。界面粘结强度取决于纤维表面处理与基体相容性：例如，碳纤维需经氧化或等离子体处理，增加表面粗糙度与官能团，提高与环氧树脂的粘结力。
界面脱粘的宏观特征为试样拉伸时出现“拉丝”现象，纤维从基体中拔出，断口可见大量裸露的纤维。微观上，若纤维表面干净，无基体附着，说明界面粘结差（粘结失效）；若纤维表面有少量基体残留，说明粘结尚可，但仍发生脱粘（混合失效）。
界面脱粘的影响因素包括纤维表面处理与加载速率。未处理的碳纤维与环氧树脂的界面粘结强度约为20MPa，经氧化处理后可提高至50MPa，拉伸时不易发生脱粘。加载速率加快会增加界面剪应力，例如，加载速率从1mm/min增至10mm/min时，界面脱粘的概率从10%增至30%，因基体变形来不及适应纤维的拉伸。
组合失效：多因素叠加的复杂损伤
组合失效是复合材料层合板在复杂加载条件下的常见形式，指两种或以上失效模式同时发生，例如纤维断裂伴随层间剥离、基体开裂引发界面脱粘等。组合失效的原因通常是加载方式的复杂性（如偏轴+湿热）或材料内部缺陷（如纤维排列不均+界面粘结差）。
例如，45°偏轴湿热环境下的碳纤维层合板拉伸测试，首先因偏轴加载产生剪应力，引发基体斜向开裂；随后，湿热环境降低界面粘结强度，裂纹扩展至界面引发脱粘；最终，纤维承担的载荷超过其强度，发生纤维断裂。宏观上，试样同时出现斜向裂纹、纤维拔出与层间剥离，断口复杂。
组合失效的解读需结合宏观与微观分析。宏观上，通过应力-应变曲线判断失效阶段：线性阶段为弹性变形，非线性阶段为基体开裂或脱粘，突变点为纤维断裂。微观上，通过SEM观察断口特征，统计不同失效模式的面积占比：若纤维断裂面占60%，层间剥离占30%，则主导失效模式为纤维断裂，辅助失效为层间剥离。