為此，英國思克萊德大學、南安普頓大學、哥倫比亞國立大學和布里斯托爾大學的研究團隊在Composites Science and Technology發(fā)表了研究成果，該研究通過實驗與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，系統(tǒng)探討了多向碳/玻璃混雜復(fù)合材料中鋪層順序、層間相互作用以及基體開裂對混雜效應(yīng)的影響。論文標題為"Hybrid effect in multi-directional carbon/glass composites"。

研究采用實驗測試、顯微觀察與數(shù)值模擬相結(jié)合的系統(tǒng)研究方法，設(shè)計了基于兩種基準QI鋪層（±45QI和±60QI）的六種不同鋪層順序的碳/玻璃混雜層板，通過調(diào)整0°碳層與相鄰層的相對位置及鋪層間距，以研究層間相互作用與基體開裂對碳層碎裂行為的影響。實驗采用Hexcel的S玻璃/環(huán)氧與SK Chemicals的薄層碳/環(huán)氧預(yù)浸料，通過熱壓罐工藝制備試樣，并進行單軸拉伸測試。利用光學顯微鏡對中斷試驗后的樣本進行損傷觀察，重點關(guān)注碳層碎裂、基體開裂與分層行為。此外，建立二維有限元模型，模擬單一碳層開裂對相鄰未損傷碳層應(yīng)變分布的影響，以量化層間相互作用程度。

研究結(jié)果顯示鋪層順序顯著影響碳層碎裂應(yīng)變與混雜效應(yīng)，所有鋪層均表現(xiàn)出理想的漸進破壞行為，無明顯災(zāi)難性分層。通過提取應(yīng)力-應(yīng)變曲線上的"膝點（Knee Point）"應(yīng)變（標記碳層碎裂開始），發(fā)現(xiàn)不同鋪層順序下膝點應(yīng)變存在顯著差異。例如，鋪層±45QI_1表現(xiàn)出最高的膝點應(yīng)變2.19%，而±60QI_3最低為1.75%。

數(shù)值模擬進一步表明，當兩個0°碳層之間的相互作用較強時，未損傷碳層的應(yīng)變增量較大，導(dǎo)致其行為類似更厚的單一碳層，從而降低混雜效應(yīng)。相反，當碳層間相互作用較弱，碳層更獨立地碎裂，混雜效應(yīng)更為顯著。具體數(shù)據(jù)表明，膝點應(yīng)變在±60QI_3中較基線值降低12.5%，而在±45QI_1中提高36.9%；碳層間應(yīng)變增量的數(shù)值模擬結(jié)果顯示±45QI_1為6.5%，±60QI_3為23.5%；剛度折減膝點應(yīng)力方面，±45QI_1達到402.8 MPa，±60QI_3為336.7 MPa。

該研究成果為多向混雜復(fù)合材料設(shè)計提供新指導(dǎo)，明確了在多向混雜復(fù)合材料中，通過合理設(shè)計鋪層順序、控制碳層間距以及選擇高剛度相鄰層，可有效調(diào)控層間相互作用，從而優(yōu)化碳層的碎裂行為與整體漸進破壞性能。這不僅為航空、汽車等領(lǐng)域中的輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了理論依據(jù)，還為開發(fā)具有高損傷容限的復(fù)合材料提供了新思路。

圖1非混雜碳復(fù)合材料與具有漸進破壞的碳/玻璃混雜復(fù)合材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖2 QI混雜配置±45QI和±60QI的損傷模式圖

圖3 不同鋪層在膝點處的碎裂應(yīng)變（含碳基線）

圖4 中斷試樣的側(cè)視顯微圖像（碳子層板與最近玻璃層）

圖5 數(shù)值模型示意圖（鋪層±45QI_1）

圖6 在1.6%應(yīng)變下，考慮頂部0°碳層單條裂紋時各鋪層的厚度方向應(yīng)變分布

圖7  底部0°碳層應(yīng)變增量與實驗膝點碎裂應(yīng)變之間的相關(guān)性

原始文獻：

Idarraga, G., Acosta, J. D., Jalalvand, M., Meza, J., & Wisnom, M. R. (2025). Hybrid effect in multi-directional carbon/glass composites. Composites Science and Technology, 270, 111285.

原文鏈接：

https:///10.1016/j.compscitech.2025.111285