近年來(lái)，隨著北極海冰的快速消融，北極地區(qū)的航運(yùn)活動(dòng)日益頻繁，這對(duì)材料性能提出了更高的要求。夾層復(fù)合材料因其優(yōu)異的力學(xué)性能和輕質(zhì)特性，在海洋結(jié)構(gòu)中得到了廣泛應(yīng)用。然而，在低溫環(huán)境下，夾層復(fù)合材料的沖擊性能會(huì)顯著下降，這對(duì)結(jié)構(gòu)的可靠性和安全性構(gòu)成了挑戰(zhàn)。目前，針對(duì)夾層復(fù)合材料低溫沖擊性能的研究主要集中在單一材料體系，例如碳纖維增強(qiáng)聚合物 (CFRP) 夾層復(fù)合材料。而混合夾層復(fù)合材料，例如 CFRP 和玻璃纖維增強(qiáng)聚合物 (GFRP) 混合夾層復(fù)合材料，在低溫下的沖擊后彎曲行為研究還相對(duì)較少。此外，現(xiàn)有的研究多關(guān)注未受沖擊的樣品，而忽略了實(shí)際應(yīng)用中常見(jiàn)的受沖擊樣品的彎曲性能。

近日，《Composites Science and Technology》期刊發(fā)表了一篇由美國(guó)阿克倫大學(xué)機(jī)械工程系的研究團(tuán)隊(duì)完成的有關(guān)北極低溫下混合泡沫夾芯復(fù)合材料的沖擊后彎曲行為的研究成果。該研究探究了 CFRP 和 GFRP 混合泡沫芯夾層復(fù)合材料在北極低溫下的沖擊后彎曲行為，并分析了其失效機(jī)理，為未來(lái)海洋和海軍結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了重要的參考依據(jù)。論文標(biāo)題為 “Post impact flexural behavior investigation of hybrid foam-core sandwich composites at extreme Arctic temperature” 。

該研究旨在探究 CFRP 和 GFRP 混合泡沫芯夾層復(fù)合材料在北極低溫下的沖擊后彎曲性能，并分析不同沖擊能量、溫度和層合配置對(duì)其彎曲性能和失效模式的影響。此外，研究還建立了分析模型，預(yù)測(cè)夾層梁的失效模式和失效載荷，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，以期為未來(lái)海洋和海軍結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供重要的參考依據(jù)。

圖 1  (a) 碳纖維占優(yōu)樣品：C, CG & CGCG. (b) 玻璃纖維樣品：G, GC & GCGC. (c) 放大視圖顯示層數(shù)和厚度。

圖 2   (a) 使用 Instron 5582 機(jī)器和低溫室進(jìn)行低溫三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)裝置；(b) 未受沖擊 (0J) 樣品；(c) 內(nèi)向彎曲樣品；(d) 外向彎曲樣品。

研究制備了不同層合配置的 CFRP 和 GFRP 混合泡沫芯夾層復(fù)合材料樣品，包括碳纖維優(yōu)先和玻璃纖維優(yōu)先兩種類(lèi)型。對(duì)樣品進(jìn)行不同能量的沖擊測(cè)試，模擬實(shí)際應(yīng)用中的沖擊損傷。在室溫和低溫 (-70°C) 條件下對(duì)沖擊后的樣品進(jìn)行三點(diǎn)彎曲測(cè)試，分析其彎曲性能和失效模式。通過(guò)觀察樣品的破壞形態(tài)和微觀結(jié)構(gòu)，分析了其失效機(jī)理。最后，建立了分析模型，預(yù)測(cè)夾層梁的失效模式和失效力，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。

圖 3  三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)中夾層梁的競(jìng)爭(zhēng)失效模式：(a) 芯剪切；(b) 面屈服；(c) 壓痕；(d) 面皺褶。

結(jié)果表明，溫度和沖擊能量對(duì)混合夾層復(fù)合材料的沖擊后彎曲性能有顯著影響。GFRP 層的添加可以有效提高混合夾層復(fù)合材料的沖擊后彎曲強(qiáng)度和失效應(yīng)變?；旌蠆A層復(fù)合材料在低溫下的失效模式主要受泡沫芯的脆化影響，而室溫下的失效模式主要受面層的壓縮性能影響。分析模型的預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，表明該模型可以有效地預(yù)測(cè)夾層梁的失效模式和失效力。

圖4 受 45J 沖擊的樣品，代表前后面層損壞：(a) C 室溫；(b) CG 室溫；(c) CGCG 室溫；(d) C 低溫；(e) CG 低溫；(f) CGCG 低溫。

圖5 樣品的面層和芯材性能退化：(a) 碳纖維占優(yōu)室溫；(b) 碳纖維占優(yōu)低溫；(c) 玻璃纖維占優(yōu)室溫；(d) 玻璃纖維占優(yōu)低溫。

圖6  室溫 0J 樣品的微觀圖像，顯示由于面層壓縮失效而導(dǎo)致的面層損壞。

該研究結(jié)果表明，混合夾層復(fù)合材料在北極低溫環(huán)境下具有良好的沖擊后彎曲性能。GFRP 層的添加可以有效提高混合夾層復(fù)合材料的沖擊后彎曲強(qiáng)度和失效應(yīng)變。此外，該研究還揭示了溫度、沖擊能量和材料配置對(duì)混合夾層復(fù)合材料失效模式的影響，為未來(lái)海洋和海軍結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了重要的參考依據(jù)。

原始文獻(xiàn)：

Mirza, F., Mack, J. P., Banik, A., Khan, M. H., & Tan, K. T. (2024). Post impact flexural behavior investigation of hybrid foam-core sandwich composites at extreme Arctic temperature. Composites Science and Technology, 258, 110897.

原文鏈接：

https:///10.1016/j.compscitech.2024.110897