修改层叠顺序，以利用剪切增稠凝胶（STG）对STG增强的碳纤维增强聚合物（SACFRP）复合层压板抗冲击性能的影响

《COMPOSITES SCIENCE AND TECHNOLOGY》：Modifying stacking sequences to leverage the effects of shear thickening gel (STG) on the impact resistance of the STG applied carbon fibre-reinforced polymer (SACFRP) composite laminates

本研究将剪切增稠凝胶（STG）作为碳纤维增强聚合物（CFRP）的界面材料，通过调整铺层顺序提升复合材料在低速度冲击下的性能。实验表明，STG使横向拉伸韧性提高139%，SEM分析证实界面增韧效果。采用Timoshenko解析模型验证了冲击机制从局部损伤转向全局弯曲行为的转变，显著改善冲击和反复冲击下的能量吸收能力，同时保持轻量化优势。分隔符：

　　本研究旨在通过引入剪切增稠凝胶（Shear Thickening Gel, STG）作为纤维与树脂基体之间的界面材料，提升碳纤维增强复合材料（CFRP）在低速冲击（Low-Velocity Impact, LVI）条件下的抗冲击性能。CFRP因其高比强度、高比刚度和轻量化特性，在航空航天、汽车制造、能源等多个工业领域具有广泛的应用前景。然而，CFRP材料在受到动态载荷时表现出脆性断裂的特性，这限制了其在实际应用中的可靠性。因此，如何在不显著增加材料重量的前提下提升CFRP的抗冲击能力，成为当前研究的一个重要方向。

在本研究中，研究人员设计并开发了一种新型复合材料——剪切增稠凝胶应用的CFRP（Shear-Thickening-Gel Applied CFRP, SACFRP）。该材料通过将STG嵌入CFRP结构中，使其在受到冲击时能够有效吸收能量并增强材料的韧性。STG是一种具有特殊流变性能的材料，其特点是当受到剪切应力时，其粘度会迅速增加，从而在冲击过程中提供额外的阻尼效应和能量耗散能力。这种特性使得STG成为一种理想的界面材料，能够在不影响材料整体性能的前提下，显著改善复合材料的抗冲击能力。

为了评估STG对SACFRP性能的影响，研究团队首先对纵向和横向布置的单向（Unidirectional, UD）SACFRP试样及其CFRP对照样品进行了静态拉伸和剪切测试。实验结果表明，由于STG的相对柔软性，其在树脂基体中的引入降低了树脂基体的刚度，从而在静态机械测试中削弱了SACFRP层合板的层间行为。然而，在横向拉伸韧性方面，SACFRP相比CFRP对照样品表现出显著的提升，具体而言，其横向拉伸韧性提高了139%。这一结果通过扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope, SEM）分析得到了验证，表明STG在复合材料界面处起到了增强韧性的作用。

在静态测试中，虽然STG的引入对层间行为产生了一定的负面影响，但其对横向韧性的影响却非常显著。这说明STG在改善复合材料的抗冲击性能方面具有独特的优势，尤其是在横向方向上的能量吸收能力得到了显著提升。此外，研究团队还对SACFRP的层合结构进行了优化设计，通过调整层合顺序来进一步提升其抗冲击性能。实验表明，经过优化设计的SACFRP在LVI测试和重复LVI（Recurring Low-Velocity Impact, RLVI）测试中表现出显著的性能提升。这表明，通过合理的层合设计，SACFRP能够从局部损伤机制转变为整体弯曲行为，从而实现更高效的能量吸收和更稳定的结构性能。

为了进一步验证这一机制，研究团队采用了Timoshenko的分析模型对SACFRP在LVI测试中的抗冲击机制进行了理论分析。该模型能够有效描述层合结构在受到冲击时的力学行为，包括应力分布、能量耗散路径以及材料的响应特性。分析结果表明，优化设计的SACFRP在冲击过程中能够更有效地利用STG的剪切增稠特性，从而在整体结构上实现更高的抗冲击能力。这一发现不仅加深了对SACFRP抗冲击机制的理解，也为后续的材料设计和工程应用提供了理论支持。

除了静态测试，研究团队还进行了动态冲击测试，以评估SACFRP在实际应用中可能遇到的复杂载荷条件下的性能表现。动态测试结果进一步表明，SACFRP在低速冲击条件下表现出优异的抗冲击能力，其能量吸收能力显著高于传统CFRP材料。特别是在重复冲击测试中，SACFRP的结构完整性损失明显减少，而能量吸收能力则持续提升。这一特性使得SACFRP在需要承受多次冲击的工程应用中具有更高的可靠性，例如航空航天领域的机身结构、汽车工业中的车身面板、以及能源领域的设备外壳等。

值得注意的是，SACFRP的轻量化特性是其相较于传统CFRP和混合纤维金属复合材料的重要优势。由于STG的密度低于树脂基体，因此在不改变材料整体结构的情况下，SACFRP能够实现更轻的重量。这一特性对于追求轻量化设计的工业应用来说尤为重要，尤其是在航空和汽车领域，轻量化不仅可以降低能耗，还能提高整体性能和安全性。此外，SACFRP的轻量化特性也使其在需要频繁承受冲击的设备中更具竞争力，例如电动汽车的电池外壳和运动防护装备等。

在实际应用中，SACFRP的优异抗冲击性能可以显著提升材料的安全性和耐用性。例如，在航空航天领域，飞机的机身和机翼等结构经常受到飞行过程中可能出现的微小冲击，如冰雹、鸟击或工具掉落等。传统的CFRP材料在这些情况下容易发生局部损伤，进而影响结构的整体性能。而SACFRP由于其优异的抗冲击能力，能够在这些冲击事件中有效保护结构，减少损伤的发生。同样，在汽车制造中，车身结构需要承受各种外部冲击，如碰撞、侧翻等。SACFRP的引入可以显著提高车身结构的抗冲击能力，从而提升车辆的安全性能。

此外，SACFRP的抗冲击性能还能够满足一些特殊应用的需求。例如，在能源领域，风力涡轮机的叶片和太阳能电池板的支撑结构需要承受长期的环境载荷和外部冲击。SACFRP的轻量化和抗冲击特性使其成为这些结构的理想材料选择。在运动防护装备方面，SACFRP可以用于制造头盔、护膝、护肘等防护产品，以提供更好的抗冲击保护，同时保持产品的轻便性。

从材料科学的角度来看，SACFRP的开发不仅拓展了CFRP的应用范围，也为其他复合材料的设计提供了新的思路。通过将STG作为界面材料，研究人员成功地在不牺牲材料整体性能的前提下，提升了CFRP的抗冲击能力。这一方法为未来开发高性能、轻量化复合材料奠定了基础，同时也为解决传统CFRP在动态载荷下的脆性问题提供了有效的解决方案。

本研究还强调了STG在复合材料中的独特作用。STG不仅能够提升材料的韧性，还能在冲击过程中提供额外的能量耗散路径。这种特性使得STG在复合材料中能够发挥类似“缓冲层”的作用，有效减少冲击能量对材料结构的破坏。此外，STG的引入还可能对复合材料的其他性能产生积极影响，例如热稳定性、耐腐蚀性和疲劳寿命等。这些性能的提升将进一步拓宽SACFRP的应用领域。

在实验方法方面，研究团队采用了多种测试手段来全面评估SACFRP的性能。静态拉伸和剪切测试用于评估材料在常规载荷下的机械性能，而LVI和RLVI测试则用于模拟实际应用中可能遇到的冲击条件。这些测试不仅能够验证STG对材料性能的影响，还能帮助研究人员优化材料的设计和结构。此外，SEM分析为材料的微观结构提供了直观的证据，有助于理解STG在复合材料中的作用机制。

在实际应用中，SACFRP的性能提升不仅体现在抗冲击能力的增强，还可能带来其他方面的优势。例如，在制造过程中，SACFRP的轻量化特性可以降低材料的使用成本，同时减少能源消耗。此外，SACFRP的优异性能使其在一些高要求的工业环境中更具竞争力，如高温、高压或高湿的环境。这些环境条件可能对传统CFRP材料的性能产生不利影响，而SACFRP由于其独特的界面材料设计，能够在这些极端条件下保持较高的性能水平。

综上所述，本研究通过引入STG作为界面材料，成功开发了一种新型复合材料SACFRP，其在低速冲击条件下表现出显著的抗冲击性能提升。这种材料不仅能够满足工业领域对高性能、轻量化材料的需求，还为未来复合材料的设计和应用提供了新的方向。随着STG技术的不断发展和成熟，SACFRP有望在更多领域中得到应用，从而推动相关产业的技术进步和产品创新。