We investigate the role of microstructural bridging on the fracture toughness of composite materials. To achieve this, a new computational framework is presented that integrates phase field fracture and cohesive zone models to simulate fibre breakage, matrix cracking and fibre-matrix debonding. The composite microstructure is represented by an embedded cell at the vicinity of the crack tip, whilst the rest of the sample is modelled as an anisotropic elastic solid. The model is first validated against experimental data of transverse matrix cracking from single-notched three-point bending tests. Then, the model is extended to predict the influence of grain bridging, brick-and-mortar microstructure and 3D fibre bridging on crack growth resistance. The results show that these microstructures are very efficient in enhancing the fracture toughness via fibre-matrix debonding, fibre breakage and crack deflection. In particular, the 3D fibre bridging effect can increase the energy dissipated at failure by more than three orders of magnitude, relative to that of the bulk matrix; well in excess of the predictions obtained from the rule of mixtures. These results shed light on microscopic bridging mechanisms and provide a virtual tool for developing high fracture toughness composites.


翻译:为实现这一目标,将推出一个新的计算框架,将相片场骨折和内聚区模型结合成模拟纤维断裂、矩阵裂裂裂和纤维矩阵脱网。复合微结构由裂缝附近的嵌入细胞代表,而其余样本则以厌食弹性固体为模型。模型首先根据从单点三点弯曲试验中裂开的跨反向矩阵实验数据进行验证。然后,模型扩展,以预测粮食接缝、砖模微结构和3D纤维桥梁对裂缝生长阻力的影响。结果显示,这些微结构通过纤维结裂、纤维断裂和裂裂偏转,非常高效地强化骨折强度。特别是,3D纤维连接效应可增加因失败而消散的能量,其数量超过三级,与散装三点弯曲试验相对;超出从混合物规则中获得的预测值;这些微型结构在形成硬性基质结构时提供了高的碎裂光。

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